ความสม่ำเสมอของเซลล์ลิเธียมส่งผลต่อชุดแบตเตอรี่อย่างไร

ปริมาณน้ำที่ถังไม้สามารถบรรจุได้นั้นถูกกำหนดโดยไม้ซี่ที่สั้นที่สุด ซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ "หลักการถังน้ำ"

หากเราเปรียบเทียบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนกับถังเก็บน้ำ เซลล์ลิเธียมแต่ละเซลล์ที่ประกอบขึ้นเป็นชุดแบตเตอรี่ก็คือไม้ซี่ ประสิทธิภาพของเซลล์ที่แย่ที่สุดเพียงเซลล์เดียวเป็นตัวกำหนดประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด

ในการประกอบชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน (PACK) ความสม่ำเสมอของเซลล์มีความสำคัญอย่างยิ่ง ชุดแบตเตอรี่ที่มีความสม่ำเสมอของเซลล์ไม่ดีจะส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพ—รวมถึงความจุ อายุการใช้งาน และลักษณะการชาร์จ/คายประจุ—ในทางลบ เมื่อจำนวนรอบการชาร์จ/คายประจุเพิ่มขึ้น ผลกระทบนี้จะยิ่งมากขึ้น แต่ผลกระทบของ "หลักการถังน้ำ" นี้มีความสำคัญเพียงใด?

ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน PACK เป็นไปตาม "หลักการถังน้ำ"

เหตุผลสำคัญประการหนึ่งคือการจัดการและการควบคุมโดยระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) BMS ของชุดแบตเตอรี่ลิเธียมประกอบด้วยการป้องกันการชาร์จไฟเกินและการคายประจุเกินของแต่ละเซลล์ ซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ว่าเซลล์ลิเธียมไอออนทำงานภายในช่วงแรงดันไฟฟ้าที่ปลอดภัยและเชื่อถือได้ในระหว่างการชาร์จและคายประจุ ป้องกันการเสื่อมสภาพของประสิทธิภาพ อายุการใช้งานที่ลดลง หรือแม้แต่ความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่เกิดจากการชาร์จไฟเกินหรือการคายประจุเกิน

ผลกระทบของความสม่ำเสมอในระหว่างการคายประจุของชุดแบตเตอรี่

ยกตัวอย่างเซลล์ลิเธียมแบบสามส่วน (NMC/NCA) แรงดันไฟฟ้าตัดการคายประจุของเซลล์เดียวโดยทั่วไปคือ 2.5V และ BMS มักจะตั้งค่าการป้องกันการคายประจุเกินของเซลล์เดียวไว้ที่ 2.8V ตรรกะการป้องกัน BMS คือเมื่อแรงดันไฟฟ้าของ เซลล์ ใดๆ ในชุดแบตเตอรี่ถึง 2.8V การป้องกันการคายประจุเกินจะถูกทริกเกอร์ MOSFET หรือรีเลย์คายประจุจะเปิดขึ้น และชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดจะหยุดการคายประจุ

พิจารณาชุดแบตเตอรี่ลิเธียมแบบสามส่วน 10-series, 1-parallel (10S1P) สมมติว่าในบรรดา 10 เซลล์ เซลล์ที่มีความจุต่ำที่สุดคือ 2000mAh ในขณะที่อีก 9 เซลล์มีความจุ 2500mAh เมื่อชุดแบตเตอรี่คายประจุ เซลล์ทั้ง 10 เซลล์จะคายประจุพร้อมกัน แรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะลดลงเมื่อความจุของเซลล์ลดลง เมื่อเซลล์ 2000mAh ที่มีความจุต่ำกว่าถูกคายประจุจนหมด แรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะถึง 2.8V ในขณะนี้ อีก 9 เซลล์ (2500mAh) ยังคงมีความจุเหลืออยู่ โดยมีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่า 3.0V อย่างไรก็ตาม เนื่องจาก BMS ตรวจพบว่าแรงดันไฟฟ้าของสตริงเซลล์หนึ่งถึง 2.8V จึงทริกเกอร์การป้องกันการคายประจุเกินของชุดแบตเตอรี่และหยุดการคายประจุสำหรับชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด ดังนั้น ความจุในการคายประจุที่ใช้งานได้ของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดจึงถูกจำกัดไว้ที่ 2000mAh

ผลกระทบของความสม่ำเสมอในระหว่างการชาร์จคล้ายกับสถานการณ์การคายประจุ

เซลล์ลิเธียมแบบสามส่วนจะถูกชาร์จจนเต็มที่ 4.2V โดยทั่วไป BMS จะตั้งค่าการป้องกันการชาร์จไฟเกินของเซลล์เดียวไว้ที่ 4.25V เมื่อเซลล์ชาร์จ แรงดันไฟฟ้าของเซลล์จะสูงขึ้นตามความจุที่เพิ่มขึ้น เมื่อเซลล์ 2000mAh ที่มีความจุต่ำกว่าถูกชาร์จจนเต็มและแรงดันไฟฟ้าถึง 4.25V อีก 9 เซลล์ยังไม่ถูกชาร์จจนเต็ม (น่าจะต่ำกว่า 4.1V) อย่างไรก็ตาม BMS ตรวจพบสตริงเซลล์หนึ่งเกิน 4.25V และทริกเกอร์การป้องกันการชาร์จไฟเกินของชุดแบตเตอรี่ หยุดการชาร์จสำหรับชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด ส่งผลให้ชุดแบตเตอรี่รับการชาร์จเพียง 2000mAh

นี่คือวิธีการแสดงออกของ "ผลกระทบจากถังน้ำ": เซลล์ที่มีความจุต่ำที่สุดเป็นตัวกำหนดทั้งความจุในการชาร์จและการคายประจุของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด

อิทธิพลของความสม่ำเสมอต่ออายุการใช้งานและลักษณะการชาร์จ/คายประจุของชุดแบตเตอรี่ก็เป็นไปตาม "หลักการถังน้ำ" ประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่ถูกกำหนดโดยเซลล์เดียวที่มีอายุการใช้งานและลักษณะการชาร์จ/คายประจุที่แย่ที่สุด

จะควบคุมความสม่ำเสมอของชุดแบตเตอรี่ได้อย่างไร?

ความสม่ำเสมอของชุดแบตเตอรี่เกี่ยวข้องกับพารามิเตอร์ต่างๆ เช่น แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด ความจุ และความต้านทานภายใน ในระดับที่ลึกกว่านั้น ยังรวมถึงปัจจัยต่างๆ เช่น ค่า K (อัตราการคายประจุเอง) อายุการใช้งาน และลักษณะของเส้นโค้งการชาร์จ/คายประจุ

ก่อนการประกอบ PACK เซลล์จะผ่านการคัดแยกและการจับคู่ เกณฑ์การจับคู่ทั่วไปคือ:

• ค่าเบี่ยงเบนความจุ: ควบคุมภายใน 1%

• ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้า: ภายใน 3mV

• ความแตกต่างของความต้านทานภายใน (IR): ภายใน 2mΩ

สำหรับปัจจัยต่างๆ เช่น ค่า K อายุการใช้งาน และลักษณะการชาร์จ/คายประจุ ความสม่ำเสมอจำเป็นต้องได้รับการควบคุมที่แหล่งผลิตเซลล์ ซึ่งรวมถึง:

• การใช้ระบบวัสดุที่เหมือนกันสำหรับเซลล์ภายในชุดการผลิตเดียวกัน

• การควบคุมอัตราข้อบกพร่องในการผลิตจำนวนมาก

• การทำให้เป็นมาตรฐานและทำให้กระบวนการผลิตจำนวนมากสำหรับเซลล์เป็นไปโดยอัตโนมัติ

สรุป:

ด้วยการควบคุมความสม่ำเสมอของเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่ลิเธียมอย่างเข้มงวด เราสามารถเพิ่มประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ให้ได้ศักยภาพสูงสุด แม้ภายใต้อิทธิพลของ "หลักการถังน้ำ"