Ποια είναι η εφαρμογή της εξισορρόπησης κυψελών στις μπαταρίες λιθίου;

Ασχολούμαι με το teardown pack μπαταριών και το σχεδιασμό BMS για σχεδόν 12 χρόνια. Κάθε φορά που κάποιος με ρωτάει "τι ακριβώς κάνει η εξισορρόπηση;", απλώς τους δείχνω δύο φωτογραφίες: η μία είναι ένα πακέτο ηλεκτρονικών ποδηλάτων 2-ετών-36 V χωρίς ζυγοστάθμιση (τα μισά στοιχεία στα 1,8 V, τα υπόλοιπα στα 4,18 V), η άλλη είναι η ίδια παρτίδα με 100 mA κυψέλες μετά από παθητικό εξισορροπητή 100 mA μέσα σε 2 χρόνια. Αυτό είναι όλο το νόημα σε μια εικόνα.

Σε πραγματικές συσκευασίες, τα κύτταρα δεν γεννιούνται ποτέ ίσα. Πάρτε 100 ολοκαίνουργια-κυψέλες Samsung 50E από τον ίδιο δίσκο: η κατανομή χωρητικότητας είναι συνήθως ±30 mAh, ο ρυθμός αυτο-αποφόρτισης μπορεί να διαφέρει κατά 2–3 φορές και η εσωτερική αντίσταση μπορεί να ποικίλλει 3–5 mΩ. Μετά από 200 κύκλους οι αδύναμοι υστερούν ακόμα περισσότερο. Χωρίς εξισορρόπηση, η χωρητικότητα του πακέτου υπαγορεύεται από το πιο αδύναμο στοιχείο κατά τη φόρτιση και το ισχυρότερο στοιχείο κατά την εκφόρτιση. Χάνετε 20–40 % χρησιμοποιήσιμη χωρητικότητα μόνο τον πρώτο χρόνο.

Active Cell Balancing

Υπάρχουν μόνο δύο τρόποι με τους οποίους οι άνθρωποι ισορροπούν πραγματικά στην παραγωγή:

Αυτό χρησιμοποιεί το 95 % των συσκευασιών κάτω των 20 kWh.
Πραγματικές μάρκες που θα δείτε στους πίνακες:

TI BQ769x2 / BQ769x3 / BQ78z100

Αναλογικές συσκευές LTC6804 / LTC6811 / LTC6813

Maxim MAX14920 / MAX14921

NXP MC33771 / MC33772

Τυπικό ρεύμα εξαέρωσης: 80–150 mA (Το BQ76952 μπορεί να ωθήσει 220 mA εάν παραλληλίσετε δύο ακίδες).
Τιμή αντίστασης στη μαζική παραγωγή: σχεδόν πάντα συσκευασία 27 Ω ή 33 Ω 2512 1 W.
Ρυθμίσεις ενεργοποίησης που χρησιμοποιώ πραγματικά:
Ξεκινήστε την αιμορραγία στα 15–25 mV πάνω από το μέσο όρο του πακέτου κατά τη διάρκεια του CV, σταματήστε όταν το δέλτα πέσει κάτω από 6–8 mV.
Αν προσπαθήσετε να κυνηγήσετε τα 2 mV, απλά θα μαγειρέψετε την πλακέτα για πάντα.

Η ζέστη είναι το πραγματικό πρόβλημα. Ένα πακέτο σκούτερ 16s με εξαέρωση 100 mA μπορεί να απορρίψει 7–8 W κατευθείαν στο BMS PCB. Γι' αυτό, αυτές οι φτηνές σανίδες ηλεκτρονικών ποδηλάτων των 20-δολαρίων στραβώνουν και σπάνε μετά από ένα καλοκαίρι στον ήλιο.

Μόλις ξεπεράσετε τις ~30 kWh, σχεδόν όλοι μεταβαίνουν σε ενεργές.

Πραγματικά-παραδείγματα που έχω καταρρίψει:

Tesla Model S/X (2012–2021): μικρά DC-τουβλάκια DC στο HVJB, ~1 A ανά μονάδα

BMW i3 (όλα τα χρόνια): επαγωγική μονάδα μετασχηματιστή, αναλογία 24 προς 1, περίπου 2 Α

Πακέτα BYD Blade: πίνακες ιπτάμενων-πυκνωτών με βάση το σχέδιο αναφοράς Infineon TLF35568

Κινεζικά σταθερά τέρατα αποθήκευσης: απομονωμένα δομοστοιχεία DC-DC που κινούνται 15–20 A σε ολόκληρη τη συμβολοσειρά 700 V

Εκτός-τα-πίνακες που αγοράζουν οι άνθρωποι:

1–2 Μια πράσινη πλακέτα ιπτάμενων-πυκνωτών AliExpress (αυτές με 8–16 μικρά ρελέ)

Heltec / Orion BMS Gen4 / REC Q / Dilithium: 5–8 A με αξιοπρεπή ψύξη

Cell Balancing

Οι περισσότεροι OEM ισορροπούν μόνο στο ανώτερο 10-15 % του SoC επειδή η καμπύλη τάσης είναι πολύ επίπεδη κάτω από 3,45 V (NMC) ή 3,40 V (LFP).
Tesla waits until >90 % SoC και λειτουργεί εξισορροπώντας μόνο τα τελευταία 30–60 λεπτά φόρτισης.
Τα ημερολόγια BMW i3 του 2017 δείχνουν ότι ο επαγωγικός εξισορροπητής ξυπνά μόνο όταν δέλτα > 30 mV και ρεύμα πακέτου < 5 A.

Έχω ένα συρτάρι γεμάτο πακέτα EV χαμηλής-ταχύτητας 2016–2018 από την ηπειρωτική Κίνα που εξοικονόμησε 0,80 $ διαγράφοντας τις αντιστάσεις εξαέρωσης. Μετά από 18 μήνες τα αδύναμα κύτταρα γίνονται αρνητικά κάθε εκκένωση, ο χαλκός διαλύεται, οι δενδρίτες αναπτύσσονται, ο διαχωριστής λιώνει, πυροδοτείται. Έχω παρακολουθήσει πακέτα 72 V 20 Ah να πέφτουν στα 8–9 Ah που μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε 14 μήνες. Χτυπήστε ένα ενεργό εξισορροπητή $12 και θα επιστρέψουν στα 18–19 Ah. Το μάθημα που πήραμε με τον δύσκολο τρόπο.

Κάτω από 15 kWh → Το παθητικό είναι μια χαρά και θα μείνει για πάντα (σκούτερ, ηλεκτρικά εργαλεία, drones)

400 V+ or >50 kWh → ενεργό ή θα αλλάζετε μονάδες κάθε χρόνο

Κάθε σωστό EV που πωλείται σήμερα έχει ζυγοστάθμιση. Η μόνη μεταβλητή είναι αν είναι αντίσταση 33 Ω ή ενεργή πλακέτα 300 $.

Αυτή είναι η εξισορρόπηση των κυττάρων. Τίποτα μαγικό. Απλώς σταματώντας τα καλά κελιά να σύρονται από τον έναν τεμπέλη αδερφό που αποφάσισε να γεράσει πιο γρήγορα.

Cell Balancing