Cân bằng các cell trong pin là gì?

Cân bằng chủ động và cân bằng thụ động là hai công nghệ cân bằng.

Hiện nay, xe điện thường sử dụng pin lithium-ion. Dung lượng và điện áp của từng cell pin rất khác nhau, dễ xảy ra sự không ổn định trong quá trình sạc và xả, dẫn đến giảm phạm vi hoạt động của xe điện và ảnh hưởng đến tuổi thọ của pin. Hiện nay, Pin nguồn Pin lithium sắt photphat là loại pin thường được sử dụng trong xe điện.

Dẫn đến việc giảm phạm vi hoạt động của xe điện.

Vì pin lithium sắt photphat là pin sạc, nên sẽ xảy ra sự không nhất quán trong quá trình sạc và xả. Điều này là do điện trở trong và điện trở suất khác nhau của các loại pin lithium sắt photphat. Để giải quyết vấn đề này, cần phải cân bằng các cell riêng lẻ để giảm thiểu sự không nhất quán bên trong càng nhiều càng tốt.cộng sựHiện nay, có hai phương pháp cân bằng phổ biến: cân bằng chủ động và cân bằng thụ động.

Việc cân bằng các tế bào đơn lẻ là cần thiết.

Cân bằng chủ động đề cập đến việc cân bằng bằng cách sử dụng cấu trúc mạch bao gồm một mạch điện và một chip điều khiển. Không giống như cân bằng thụ động, cân bằng chủ động không yêu cầu thay đổi trạng thái của bất kỳ thiết bị hoặc linh kiện nào khác, và có những ưu điểm như dễ thực hiện, chi phí thấp và không ảnh hưởng đến pin.

Đơn giản, chi phí thấp và không ảnh hưởng đến pin.

Tuy nhiên, do sự khác biệt lớn về điện trở và điện dung giữa các cell riêng lẻ, mạch cân bằng chủ động cần phải biến đổi điện áp của mỗi cell thành một giá trị điện áp đồng nhất thông qua một máy biến áp, điều này đòi hỏi phải bổ sung một bộ thiết bị chuyển mạch nguồn giữa ống chuyển mạch, máy biến áp và chip điều khiển. Ngoài ra, vì mỗi cell cần được lấy mẫu và điều khiển đồng bộ, cấu trúc mạch trở nên phức tạp hơn và chi phí cao hơn.

Điều này đòi hỏi phải bổ sung một bộ thiết bị chuyển mạch nguồn giữa ống chuyển mạch, máy biến áp và chip điều khiển.

Cân bằng thụ động là quá trình chuyển đổi điện áp của từng cell mà không làm thay đổi trạng thái của pin, sau đó so sánh các giá trị điện áp đã chuyển đổi. Phương pháp này chủ yếu được thực hiện bằng cách phát hiện sự khác biệt giữa điện áp của từng cell.

 

So sánh các giá trị điện áp đã chuyển đổi

So với cân bằng chủ động, cân bằng thụ động đòi hỏi phải thay đổi trạng thái của các thiết bị hoặc linh kiện khác, điều này làm tăng độ phức tạp và chi phí của mạch. Ngoài ra, vì cần phải phát hiện sự khác biệt về điện áp của từng cell để đạt được sự cân bằng, nên cần có thêm một hệ thống thu thập dữ liệu; nếu cần phát hiện điện trở trong và điện trở suất của cell, thì cũng cần một mô-đun thu thập năng lượng.

Ngoài ra, vì cần phải phát hiện sự chênh lệch điện áp của từng cell để đạt được trạng thái cân bằng, nên cần có thêm một hệ thống thu thập dữ liệu.

Vì cần phải đo điện áp và điện trở trong của từng cell, nên cần có một hệ thống điều khiển.

Công nghệ cân bằng đề cập đến việc điều chỉnh sự chênh lệch điện áp giữa các cell để điều chỉnh điện áp, dung lượng, điện trở và các thông số khác không đồng đều do pin tạo ra trong quá trình sạc và xả, từ lớn đến nhỏ, nhằm giữ cho pin hoạt động ở trạng thái tốt nhất và giảm các vấn đề như giảm tuổi thọ pin do sự khác biệt về hiệu suất giữa các cell.

Điện áp, dung lượng, điện trở và các thông số khác

Do cấu trúc đơn giản và chi phí thấp, công nghệ cân bằng thụ động truyền thống hiện là phương pháp chính để cân bằng pin điện của xe điện.

Cấu trúc đơn giản và chi phí thấp

Công nghệ cân bằng chủ động sạc hoặc xả các cell sao cho hiệu điện thế giữa mỗi cell đạt đến giá trị đã đặt hoặc duy trì trong một phạm vi nhất định để tối đa hóa hiệu suất của pin lithium-ion. Công nghệ cân bằng chủ động được sử dụng phổ biến nhất là công nghệ nối tiếp-song song.

Đảm bảo hiệu điện thế giữa mỗi cell pin đạt giá trị đã đặt hoặc nằm trong một phạm vi nhất định để tối đa hóa hiệu suất của pin lithium-ion.

Trong mạch nối tiếp, mỗi cell hoạt động độc lập, nhưng khi pin lithium-ion được sạc đầy, bộ pin sẽ duy trì ở trạng thái ổn định, được gọi là "thời kỳ nghỉ". Trong thời kỳ này, điện áp trong bộ pin không thay đổi và duy trì ở mức không đổi.

Tuy nhiên, khi pin lithium-ion được sạc đầy, bộ pin đơn sẽ duy trì trạng thái ổn định.

Khi dung lượng của một cell pin trong bộ pin giảm xuống đến một giá trị nhất định, nó sẽ làm cho điện áp của các cell pin khác giảm xuống hoặc thậm chí chuyển sang trạng thái "sạc nổi". Khi tất cả các cell pin đều ở trong "giai đoạn nghỉ" này, điện áp trong bộ pin sẽ duy trì ở một giá trị không đổi.

Dung lượng pin

Công nghệ cân bằng thụ động sử dụng nhiệt lượng sinh ra từ pin lithium-ion trong quá trình sạc và xả để đạt được sự cân bằng. Công nghệ cân bằng thụ động không cần bất kỳ nguồn năng lượng đầu vào nào khi sử dụng, và đạt được sự cân bằng bằng cách theo dõi sự thay đổi nhiệt độ bên trong pin lithium-ion.

Làm nóng để đạt được sự cân bằng

Khi pin lithium-ion sinh nhiệt trong quá trình hoạt động, công nghệ cân bằng chủ động có thể làm mát chúng một cách kịp thời và hiệu quả.

Công nghệ cân bằng chủ động có thể làm mát kịp thời và hiệu quả.

Công nghệ cân bằng thụ động có thể duy trì trạng thái hoạt động ổn định của bộ pin bất cứ lúc nào. Khi một cell trong bộ pin bị hỏng, các cell khác vẫn có thể hoạt động bình thường;

Khi một cell pin trong bộ pin bị hỏng, các cell pin khác sẽ không bị ảnh hưởng. Công nghệ cân bằng chủ động yêu cầu tất cả các cell pin trong toàn bộ bộ pin phải được kết nối với mạch điện để thực hiện các thao tác sạc hoặc xả.

Tế bào đơn lẻ còn lại sẽ không bị ảnh hưởng.

Ưu điểm của công nghệ cân bằng chủ động là cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, hiệu suất sạc và xả cao, và khả năng sử dụng năng lượng cao; nhược điểm là tuổi thọ của bộ pin bị ảnh hưởng rất nhiều bởi số lượng lớn các cell pin.

Cấu trúc đơn giản, chi phí thấp, hiệu suất sạc và xả cao, sử dụng năng lượng hiệu quả cao.

Công nghệ cân bằng thụ động có thể kết nối tất cả các cell riêng lẻ trong bộ pin với mạch để thực hiện các thao tác sạc hoặc xả bất cứ lúc nào, do đó, việc cân bằng cũng có thể được thực hiện ngay cả khi có nhiều cell không đồng nhất trong bộ pin.

Công nghệ cân bằng chủ động có cấu trúc phức tạp và chi phí cao; công nghệ cân bằng thụ động có cấu trúc đơn giản và chi phí thấp. Việc quản lý các bộ pin bằng công nghệ cân bằng chủ động phức tạp hơn nhiều so với công nghệ cân bằng thụ động.

Cấu trúc kỹ thuật đơn giản và chi phí thấp

Công nghệ cân bằng chủ động cần thu thập thông tin như điện áp, dòng điện, nhiệt độ, v.v. của từng cell pin; trong khi công nghệ cân bằng thụ động chỉ cần thu thập thông tin của một cell trong bộ pin để thực hiện cân bằng.

Điện áp, dòng điện, nhiệt độ, v.v.

ï¼›

Sự kết hợp giữa cân bằng chủ động và cân bằng thụ động trong pin xe điện có thể giải quyết hiệu quả vấn đề không đồng nhất giữa các cell pin, từ đó kéo dài tuổi thọ của pin. Bài báo này sử dụng công nghệ cân bằng chủ động để cân bằng các cell pin lithium-ion.

Nó có thể giải quyết hiệu quả vấn đề không nhất quán giữa các tế bào.

Mạch điều khiển cân bằng chủ động bao gồm bộ điều khiển chính, mạch cân bằng thụ động và mô-đun thu thập tín hiệu. Trong đó, bộ điều khiển chính là cốt lõi của toàn hệ thống. Chức năng của nó là điều khiển trạng thái hoạt động của mạch cân bằng thụ động, thực hiện việc thu thập và xử lý thông tin điện áp và dung lượng pin, cũng như đưa ra các phán đoán và điều khiển.

Bộ điều khiển chính, mạch cân bằng thụ động, mô-đun thu tín hiệu

Mạch cân bằng thụ động bao gồm một công tắc cân bằng, một bộ điều khiển IGBT hai chiều, v.v. Chức năng chính là điều khiển và cách ly các cell trong bộ pin thông qua một IGBT một chiều để thực hiện truyền năng lượng hai chiều, sao cho điện áp và dung lượng của các cell trong bộ pin càng gần bằng nhau càng tốt.

Công tắc cân bằng, bộ điều khiển IGBT hai chiều, v.v.

Các cell pin đơn lẻ trong bộ pin có giá trị trạng thái sạc ban đầu (SOC). Trong quá trình sử dụng, các cell pin sẽ bị lão hóa và hư hỏng đến một mức độ nhất định, khiến giá trị SOC thay đổi. Dựa trên sự thay đổi của giá trị SOC, bộ pin có thể được chia thành bốn loại: bình thường, khỏe mạnh, lão hóa và không khỏe mạnh.

Nguyên nhân gây ra sự thay đổi giá trị SOC

Do giá trị SOC của mỗi loại pin khác nhau, để quản lý tốt hơn từng cell pin trong bộ pin, công nghệ cân bằng chủ động có thể được sử dụng để điều khiển. Trong cân bằng chủ động, vì mạch cân bằng thụ động hoạt động một chiều, bộ pin có thể được chia thành hai hoặc nhiều nhóm để điều khiển.

Để quản lý tốt hơn từng cell pin riêng lẻ trong bộ pin

Khi một nhóm các tế bào đơn lẻ ở trạng thái tốt (giá trị SOC gần bằng 1), pin sẽ được tách rời khỏi bộ pin; khi một nhóm các tế bào đơn lẻ ở trạng thái không tốt (giá trị SOC nhỏ hơn 1), pin sẽ được tách rời khỏi bộ pin.

(Giá trị SOC gần bằng 1)

(Giá trị SOC nhỏ hơn 1)

Dựa trên nguyên lý hoạt động cơ bản của công nghệ cân bằng chủ động và việc sử dụng hiện tại của pin xe điện, các phương pháp sau đây có thể được sử dụng để đạt được sự điều khiển cân bằng các cell riêng lẻ trong bộ pin:

Công nghệ cân bằng chủ động

(1) Phương pháp chuyển đổi dòng điện. Phương pháp này nhằm phân phối điện áp của các tế bào đơn lẻ theo sự thay đổi điện áp của hệ thống pin điện và độ lệch giữa điện áp của các tế bào đơn lẻ khác nhau.

Thay đổi điện áp

Phương pháp truyền dòng điện hiện tại có thể cách ly các pin bị lỗi, tránh tình trạng tập trung quá mức giá trị SOC trên một cell nhất định và ảnh hưởng đến giá trị điện áp của các cell khác. Phương pháp này yêu cầu một mạch bổ sung để thực hiện chức năng truyền dòng điện.

Giá trị SOC nhỏ hơn 1

Phương pháp này điều khiển điện áp của từng cell pin riêng lẻ trong bộ pin bằng cách chuyển đổi điện áp của cell bị lỗi thành một mức điện áp nhất định. Phương pháp này yêu cầu một mạch chuyển đổi bổ sung, thường được sử dụng trong các bộ pin mắc nối tiếp.

Mạch chuyển đổi

(2) Phương pháp điều khiển công suất. Phương pháp này điều khiển điện áp của bộ pin đơn bị lỗi bằng cách điều khiển công suất của các cell khỏe mạnh được tách ra từ bộ pin đơn. Phương pháp này có thể sử dụng mạch điều khiển để hoàn thành việc điều khiển điện áp của tất cả các bộ pin đơn trong bộ pin.

Mạch điều khiển có thể hoàn thành việc điều khiển điện áp của tất cả các bộ pin đơn lẻ trong bộ pin.

(3) Phương pháp chuyển mạch cân bằng. Phương pháp này điều khiển điện áp của từng pin đơn trong bộ pin nguồn theo độ lệch điện áp giữa các pin đơn để đạt được giá trị không đổi, nhờ đó đảm bảo điện áp của từng pin đơn trong mỗi bộ pin nguồn ở cùng mức trong điều kiện không cân bằng.

Giá trị không đổi

Phương pháp này điều chỉnh điện áp của các bộ pin đơn năng lượng bị lỗi và không hoạt động tốt dựa trên đặc tính hoạt động của các loại pin lithium-ion khác nhau.

Về mặt cấu trúc, cân bằng thụ động là việc mắc nối tiếp các cell pin có công suất không đồng đều để đạt được sự cân bằng về điện áp và dung lượng; trong khi cân bằng chủ động là việc mắc nối tiếp các cell pin có công suất không đồng đều để đạt được sự cân bằng về dung lượng và điện áp.

Kết nối nối tiếp

Cấu trúc cân bằng chủ động đơn giản và chi phí thấp, nhưng nó yêu cầu nguồn năng lượng bên ngoài, làm tăng chi phí và kích thước, và do điện áp không ổn định trong bộ pin, nó dễ gây ra hiện tượng mất cân bằng trong bộ pin;

Chi phí thấp.

Cấu trúc cân bằng thụ động đơn giản và có chi phí cao, nhưng bù lại tổn thất năng lượng nhỏ, kích thước nhỏ, không có tổn thất cơ học và tác động đến hiệu suất của chính pin là không đáng kể.

Sự hao phí năng lượng nhỏ, thể tích nhỏ, không có tổn thất cơ học và tác động đến hiệu suất của chính pin cũng nhỏ.

Về cấu trúc mạch, mạch cân bằng thụ động có cấu trúc đơn giản, và cùng một chip có thể được sử dụng để điều khiển đồng bộ bộ pin, dễ bảo trì; cấu trúc mạch cân bằng chủ động phức tạp hơn, vì nó yêu cầu nguồn năng lượng bên ngoài để truyền năng lượng và điều khiển cân bằng đầu ra, do đó dễ xảy ra các tình trạng bất thường như điện áp quá cao hoặc quá thấp trong quá trình truyền năng lượng.

Cùng một con chip có thể được sử dụng để điều khiển đồng bộ bộ pin.

Là một ngành công nghiệp chiến lược mà đất nước tôi tập trung phát triển, xe năng lượng mới là một động lực quan trọng giúp đất nước tôi đạt được mục tiêu "hai trăm năm" và giấc mơ Trung Hoa về sự phục hưng vĩ đại của dân tộc Trung Hoa, nhưng nó cũng mang đến một số vấn đề không thể bỏ qua.

Sức mạnh quan trọng của các mục tiêu "hai trăm năm" và giấc mơ Trung Hoa về sự phục hưng vĩ đại của dân tộc Trung Hoa.

Ví dụ, việc sử dụng pin năng lượng cho xe điện dễ gặp phải các vấn đề không ổn định, ảnh hưởng nghiêm trọng đến tuổi thọ của chúng. Để giải quyết vấn đề này, chủ yếu có hai hướng nghiên cứu:

Một mặt, cần phải phát triển một hệ thống cân bằng pin mới. Bằng cách phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc mạch, chiến lược điều khiển, v.v. của hệ thống cân bằng pin, tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến sự cân bằng pin và giải quyết chúng. Đồng thời, nghiên cứu tác động của sự không đồng nhất giữa các pin đến tuổi thọ của pin điện và cải thiện tuổi thọ pin.

Bằng cách phân tích nguyên lý hoạt động, cấu trúc mạch, chiến lược điều khiển, v.v. của hệ thống cân bằng pin, hãy tìm ra các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình cân bằng pin và giải quyết chúng.

Bằng cách phân tích và xử lý dữ liệu hoạt động của xe điện, pin năng lượng được quản lý một cách thông minh. Quá trình sạc hoặc xả pin năng lượng được thực hiện tùy thuộc vào các tình huống khác nhau để đảm bảo pin hoạt động ở trạng thái tối ưu. Đồng thời, bằng cách phân tích và xử lý dữ liệu bộ pin, thuật toán SOC và chiến lược sạc/xả được sử dụng để thực hiện điều khiển cân bằng bộ pin theo thời gian thực.

Đảm bảo rằng pin nguồn hoạt động ở trạng thái tối ưu.

Cân bằng chủ động và cân bằng thụ động là hai phương pháp hiệu quả để giải quyết vấn đề công suất không ổn định của pin. Cân bằng chủ động có đặc tính hoạt động tốt hơn, nhưng cấu trúc mạch phức tạp và chi phí cao; cấu trúc mạch cân bằng thụ động đơn giản hơn, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác và độ ổn định hoạt động kém.

Cấu trúc mạch phức tạp và chi phí cao; cấu trúc mạch cân bằng thụ động đơn giản, nhưng dễ bị ảnh hưởng bởi các yếu tố khác và có độ ổn định hoạt động kém.

So với hệ thống quản lý pin (BMS) dựa trên cân bằng thụ động, BMS dựa trên cân bằng chủ động có lợi thế về giá thành. Do đó, việc ứng dụng công nghệ cân bằng chủ động trong xe điện có thể mang lại lợi ích kinh tế tốt hơn.