ทำไมการปรับสมดุลเซลล์อย่างเหมาะสมจึงเป็นสิ่งจำเป็นในชุดแบตเตอรี่ คำบรรยายประกอบโดย Anton Beck ผู้จัดการผลิตภัณฑ์แบตเตอรี่ของ Epec

เมื่อชุดแบตเตอรี่ลิเธียมได้รับการออกแบบโดยใช้เซลล์หลายเซลล์ต่ออนุกรมกัน สิ่งสำคัญคือต้องออกแบบคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์เพื่อให้แรงดันไฟฟ้าของเซลล์สมดุลอย่างต่อเนื่องนี่ไม่ใช่แค่ประสิทธิภาพของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังรวมถึงวงจรชีวิตที่เหมาะสมด้วย

การใช้การปรับสมดุลของเซลล์ช่วยให้เราสามารถออกแบบแบตเตอรี่ที่มีความจุมากขึ้นสำหรับการใช้งาน เนื่องจากการปรับสมดุลทำให้แบตเตอรี่มีสถานะการชาร์จ (SOC) ที่สูงขึ้นบริษัทจำนวนมากเลือกที่จะไม่ใช้การปรับสมดุลของเซลล์ในช่วงเริ่มต้นของการออกแบบ ซึ่งจะช่วยลดต้นทุนได้ แต่หากไม่มีการลงทุนในฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์การปรับสมดุลของเซลล์ การออกแบบจะไม่อนุญาตให้ SOC เข้าใกล้ 100 เปอร์เซ็นต์

ความไม่สมดุลของเซลล์คืออะไร?
หากเซลล์ลิเธียมร้อนเกินไปหรือมีประจุไฟฟ้ามากเกินไป เซลล์เหล่านี้มีแนวโน้มที่จะเร่งการเสื่อมสภาพของเซลล์พวกมันสามารถติดไฟหรือแม้แต่ระเบิดได้ เนื่องจากสภาวะที่หนีจากความร้อนสามารถเกิดขึ้นได้หากแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ลิเธียมไอออนเกิน 4.2 V ถึงสองสามร้อยมิลลิโวลต์

 

ทุกแพ็คที่เราออกแบบและผลิตที่ Epec มีวงจรป้องกันแรงดันไฟเกิน (บางครั้งก็มีสำรอง) เพื่อให้สอดคล้องกับการปรับสมดุลเซลล์มาตรฐานที่จะป้องกันไม่ให้เหตุการณ์ดังกล่าวเกิดขึ้นอีกในชุดแบตเตอรี่แบบหลายเซลล์ซึ่งใช้กันทั่วไปในคอมพิวเตอร์แล็ปท็อปและอุปกรณ์ทางการแพทย์ การวางเซลล์เป็นชุดจะทำให้เซลล์ไม่สมดุล ซึ่งจะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมช้าลงแต่คงอยู่ตลอดไป

การปรับสมดุลเซลล์คืออะไร?
การปรับสมดุลของเซลล์คือกระบวนการปรับแรงดันไฟฟ้าและสถานะของประจุไฟฟ้าระหว่างเซลล์ให้เท่ากันเมื่อประจุไฟฟ้าเต็มไม่มีสองเซลล์ที่เหมือนกันสถานะของประจุ อัตราการคายประจุ ความจุ อิมพีแดนซ์ และอุณหภูมิจะมีความแตกต่างกันเล็กน้อยเสมอแม้ว่าเซลล์จะเป็นรุ่นเดียวกัน ผู้ผลิตรายเดียวกัน และล็อตการผลิตเดียวกันก็ตามผู้ผลิตจะจัดเรียงเซลล์ตามแรงดันไฟฟ้าที่ใกล้เคียงกันเพื่อให้ใกล้เคียงที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ แต่ยังคงมีความแตกต่างกันเล็กน้อยในค่าอิมพีแดนซ์ ความจุ และอัตราการคายประจุของเซลล์แต่ละเซลล์ ซึ่งอาจนำไปสู่ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าเมื่อเวลาผ่านไป

เครื่องชาร์จแบตเตอรี่ทั่วไปส่วนใหญ่จะตรวจพบการชาร์จเต็มโดยการตรวจสอบว่าแรงดันไฟฟ้าของสายเซลล์ทั้งหมดถึงจุดควบคุมแรงดันไฟฟ้าหรือไม่แรงดันไฟฟ้าแต่ละเซลล์สามารถเปลี่ยนแปลงได้ตราบเท่าที่ไม่เกินขีดจำกัดสำหรับการป้องกันแรงดันไฟฟ้าเกินอย่างไรก็ตาม เซลล์ที่อ่อนแอ (เซลล์ที่มีความจุต่ำกว่า / อิมพีแดนซ์ภายในสูงกว่า) มีแนวโน้มที่จะแสดงแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าเซลล์ที่เหลือในซีรีส์เมื่อสิ้นสุดการชาร์จเต็มจากนั้นเซลล์เหล่านี้จะอ่อนแอลงอีกโดยรอบการชาร์จมากเกินไปอย่างต่อเนื่องแรงดันไฟฟ้าที่สูงขึ้นของเซลล์ที่อ่อนแอกว่าเมื่อการชาร์จเสร็จสิ้นทำให้เกิดการเสื่อมสภาพอย่างรวดเร็วหากเกินแรงดันการชาร์จสูงสุดที่แนะนำแม้แต่เพียง 10 เปอร์เซ็นต์ จะทำให้อัตราการเสื่อมเพิ่มขึ้น 30 เปอร์เซ็นต์

ด้านดิสชาร์จ เซลล์ที่อ่อนแอมักจะมีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าเซลล์อื่นๆ เนื่องจากความต้านทานภายในที่สูงกว่า หรืออัตราการคายประจุที่เร็วกว่าซึ่งเป็นผลมาจากความจุที่ต่ำกว่าซึ่งหมายความว่าหากเซลล์ที่อ่อนแอใด ๆ เข้าสู่เซลล์ภายใต้ขีดจำกัดการป้องกันแรงดันไฟฟ้าในขณะที่แรงดันไฟฟ้าของแพ็คยังคงเพียงพอที่จะจ่ายไฟให้กับระบบ จะไม่มีการใช้ความจุเต็มของแบตเตอรี่ เนื่องจากตัวป้องกันแพ็คจะป้องกันการคายประจุเกิน (ซึ่งจะสร้างความเสียหาย เซลล์) โดยการหยุดการคายประจุของทั้งแพ็คเมื่อแรงดันไฟฟ้าของเซลล์หนึ่งต่ำกว่าเซลล์ภายใต้เกณฑ์แรงดันไฟฟ้า (ปกติประมาณ 2.7 V)

เทคนิคการปรับสมดุลเซลล์
วิธีแก้ปัญหาพื้นฐานของการปรับสมดุลของเซลล์ทำให้แรงดันไฟฟ้าและสถานะของประจุไฟฟ้าระหว่างเซลล์เท่ากันเมื่ออยู่ในสถานะที่ชาร์จเต็มโดยทั่วไปแล้วการปรับสมดุลของเซลล์แบ่งออกเป็นสองประเภท:

1. เรื่อย ๆ
2. คล่องแคล่ว

การปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟ
วิธีการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟนั้นค่อนข้างง่ายและตรงไปตรงมาปล่อยเซลล์ผ่านเส้นทางบายพาสกระจายตัวบายพาสนี้สามารถรวมหรือภายนอกเข้ากับวงจรรวม (IC)แนวทางดังกล่าวเป็นที่นิยมในการใช้งานระบบต้นทุนต่ำความจริงที่ว่า 100% ของพลังงานส่วนเกินจากเซลล์พลังงานที่สูงกว่าถูกกระจายออกไปเนื่องจากความร้อนทำให้วิธีการแบบพาสซีฟไม่เป็นที่นิยมใช้ระหว่างการคายประจุ เนื่องจากผลกระทบที่ชัดเจนต่อระยะเวลาการทำงานของแบตเตอรี่

การปรับสมดุลเซลล์ที่ใช้งานอยู่
การปรับสมดุลเซลล์แบบแอคทีฟ ซึ่งใช้การปิดประจุแบบคาปาซิทีฟหรือแบบเหนี่ยวนำเพื่อถ่ายโอนประจุระหว่างเซลล์แบตเตอรี่ มีประสิทธิภาพมากกว่าอย่างเห็นได้ชัด เนื่องจากพลังงานถูกถ่ายโอนไปยังตำแหน่งที่จำเป็น แทนที่จะถูกไล่ออกแน่นอนว่าสิ่งที่ต้องแลกกับประสิทธิภาพที่ได้รับการปรับปรุงนี้คือความต้องการส่วนประกอบเพิ่มเติมที่มีต้นทุนสูงขึ้น

สรุป
การปรับสมดุลเซลล์ไม่เพียงแต่มีความสำคัญต่อการปรับปรุงประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังเพิ่มองค์ประกอบด้านความปลอดภัยให้กับแบตเตอรี่ด้วยหนึ่งในเทคโนโลยีที่เกิดขึ้นใหม่เพื่อเพิ่มความปลอดภัยของแบตเตอรี่และยืดอายุแบตเตอรี่คือการปรับสมดุลของเซลล์ขั้นสูงเนื่องจากเทคโนโลยีการปรับสมดุลเซลล์แบบใหม่จะติดตามปริมาณการปรับสมดุลที่จำเป็นสำหรับแต่ละเซลล์ อายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่จึงเพิ่มขึ้น และความปลอดภัยของแบตเตอรี่โดยรวมก็เพิ่มขึ้นด้วย