ชุดแบตเตอรี่ลิเธียมเปรียบเสมือนเครื่องยนต์ที่ไม่ต้องบำรุงรักษาบีเอ็มเอสระบบที่ไม่มีฟังก์ชันการปรับสมดุลนั้นเป็นเพียงเครื่องมือเก็บข้อมูลและไม่สามารถถือว่าเป็นระบบการจัดการได้ การปรับสมดุลทั้งแบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟมีจุดมุ่งหมายเพื่อขจัดความไม่สอดคล้องกันภายในชุดแบตเตอรี่ แต่หลักการทำงานของทั้งสองแบบนั้นแตกต่างกันโดยพื้นฐาน
เพื่อความชัดเจน บทความนี้จะนิยามการปรับสมดุลที่เริ่มต้นโดย BMS ผ่านอัลกอริทึมว่าเป็นการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ ในขณะที่การปรับสมดุลที่ใช้ตัวต้านทานเพื่อกระจายพลังงานเรียกว่าการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ การปรับสมดุลแบบแอคทีฟเกี่ยวข้องกับการถ่ายโอนพลังงาน ในขณะที่การปรับสมดุลแบบพาสซีฟเกี่ยวข้องกับการกระจายพลังงาน
หลักการพื้นฐานในการออกแบบชุดแบตเตอรี่
- การชาร์จจะต้องหยุดเมื่อเซลล์แรกชาร์จเต็มแล้ว
- การปล่อยประจุต้องหยุดลงเมื่อเซลล์แรกหมดประจุ
- เซลล์ที่อ่อนแอจะแก่เร็วกว่าเซลล์ที่แข็งแรง
- -เซลล์ที่มีประจุอ่อนที่สุดจะเป็นตัวจำกัดกำลังของแบตเตอรี่โดยรวม-ความจุที่ใช้งานได้ (จุดอ่อนที่สุด)
- ความแตกต่างของอุณหภูมิภายในชุดแบตเตอรี่ทำให้เซลล์ที่ทำงานที่อุณหภูมิเฉลี่ยสูงขึ้นมีประสิทธิภาพลดลง
- หากไม่มีการปรับสมดุล แรงดันไฟฟ้าที่แตกต่างกันระหว่างเซลล์ที่อ่อนที่สุดและเซลล์ที่แข็งแรงที่สุดจะเพิ่มขึ้นในแต่ละรอบการชาร์จและการคายประจุ ในที่สุด เซลล์หนึ่งจะเข้าใกล้แรงดันไฟฟ้าสูงสุด ในขณะที่อีกเซลล์หนึ่งเข้าใกล้แรงดันไฟฟ้าต่ำสุด ซึ่งจะขัดขวางความสามารถในการชาร์จและคายประจุของชุดแบตเตอรี่
เนื่องจากความไม่สมดุลของเซลล์เมื่อเวลาผ่านไปและสภาวะอุณหภูมิที่เปลี่ยนแปลงไปตั้งแต่การติดตั้ง การปรับสมดุลเซลล์จึงเป็นสิ่งจำเป็น
แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนส่วนใหญ่ประสบปัญหาความไม่เข้ากันสองประเภทหลักๆ คือ ความไม่เข้ากันในการชาร์จและความไม่เข้ากันในความจุ ความไม่เข้ากันในการชาร์จเกิดขึ้นเมื่อเซลล์ที่มีความจุเท่ากันค่อยๆ มีปริมาณประจุแตกต่างกัน ส่วนความไม่เข้ากันในความจุเกิดขึ้นเมื่อใช้เซลล์ที่มีความจุเริ่มต้นต่างกันร่วมกัน แม้ว่าโดยทั่วไปแล้วเซลล์จะเข้ากันได้ดีหากผลิตในช่วงเวลาใกล้เคียงกันและด้วยกระบวนการผลิตที่คล้ายคลึงกัน แต่ความไม่เข้ากันอาจเกิดขึ้นได้จากเซลล์ที่มีแหล่งที่มาไม่ทราบแน่ชัดหรือมีความแตกต่างในกระบวนการผลิตอย่างมาก
การปรับสมดุลเชิงรุกเทียบกับการปรับสมดุลเชิงรับ
1. วัตถุประสงค์
ชุดแบตเตอรี่ประกอบด้วยเซลล์จำนวนมากที่ต่ออนุกรมกัน ซึ่งเซลล์เหล่านั้นมักจะไม่เหมือนกัน การปรับสมดุลช่วยให้ความเบี่ยงเบนของแรงดันไฟฟ้าของเซลล์อยู่ในช่วงที่คาดการณ์ได้ รักษาความสามารถในการใช้งานและการควบคุมโดยรวม ป้องกันความเสียหาย และยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่
2. การเปรียบเทียบการออกแบบ
- การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ: โดยทั่วไปจะคายประจุเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าโดยใช้ตัวต้านทาน เพื่อแปลงพลังงานส่วนเกินเป็นความร้อน วิธีนี้จะทำให้เวลาในการชาร์จเซลล์อื่นๆ นานขึ้น แต่มีประสิทธิภาพต่ำกว่า
- การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ: เทคนิคที่ซับซ้อนซึ่งกระจายประจุภายในเซลล์ใหม่ระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุ ช่วยลดเวลาในการชาร์จและยืดระยะเวลาการคายประจุ โดยทั่วไปจะใช้กลยุทธ์การปรับสมดุลด้านล่างในระหว่างการคายประจุและกลยุทธ์การปรับสมดุลด้านบนในระหว่างการชาร์จ
- การเปรียบเทียบข้อดีและข้อเสีย: การปรับสมดุลแบบพาสซีฟนั้นง่ายกว่าและถูกกว่า แต่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า เนื่องจากสูญเสียพลังงานไปในรูปของความร้อนและมีผลในการปรับสมดุลช้ากว่า การปรับสมดุลแบบแอคทีฟมีประสิทธิภาพมากกว่า โดยการถ่ายโอนพลังงานระหว่างเซลล์ ซึ่งช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานโดยรวมและทำให้เกิดความสมดุลได้เร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม วิธีนี้เกี่ยวข้องกับโครงสร้างที่ซับซ้อนและต้นทุนที่สูงกว่า รวมถึงความท้าทายในการรวมระบบเหล่านี้เข้ากับวงจรรวมเฉพาะทาง
บทสรุป
แนวคิดของระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) พัฒนาขึ้นครั้งแรกในต่างประเทศ โดยการออกแบบวงจรรวม (IC) ในยุคแรกเน้นไปที่การตรวจจับแรงดันและอุณหภูมิ ต่อมาได้มีการนำแนวคิดเรื่องการปรับสมดุลมาใช้ โดยเริ่มแรกใช้เทคนิคการคายประจุแบบต้านทานที่รวมเข้ากับวงจรรวม ปัจจุบันวิธีการนี้แพร่หลาย โดยบริษัทต่างๆ เช่น TI, MAXIM และ LINEAR ผลิตชิปดังกล่าว บางบริษัทได้รวมวงจรขับสวิตช์ไว้ในชิปด้วย
จากหลักการและแผนภาพการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ หากเปรียบเทียบชุดแบตเตอรี่กับถังไม้ เซลล์ต่างๆ ก็เปรียบเสมือนไม้กระดาน เซลล์ที่มีพลังงานสูงกว่าคือไม้กระดานยาว และเซลล์ที่มีพลังงานต่ำกว่าคือไม้กระดานสั้น การปรับสมดุลแบบพาสซีฟนั้นทำได้เพียงแค่ "ย่อ" ไม้กระดานยาวๆ เหล่านั้น ส่งผลให้สูญเสียพลังงานและไม่มีประสิทธิภาพ วิธีนี้มีข้อจำกัดหลายประการ รวมถึงการกระจายความร้อนอย่างมากและผลการปรับสมดุลที่ช้าในชุดแบตเตอรี่ความจุสูง
ในทางตรงกันข้าม การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะ "เติมเต็มส่วนที่ขาดหายไป" โดยการถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ที่มีพลังงานสูงไปยังเซลล์ที่มีพลังงานต่ำ ส่งผลให้มีประสิทธิภาพสูงขึ้นและบรรลุสมดุลได้เร็วขึ้น อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ก่อให้เกิดความซับซ้อนและปัญหาด้านต้นทุน รวมถึงความท้าทายในการออกแบบเมทริกซ์สวิตช์และการควบคุมไดรฟ์
เมื่อพิจารณาถึงข้อดีข้อเสียแล้ว การปรับสมดุลแบบพาสซีฟอาจเหมาะสมสำหรับเซลล์ที่มีความสม่ำเสมอดี ในขณะที่การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะเหมาะสมกว่าสำหรับเซลล์ที่มีความแตกต่างกันมาก
วันที่เผยแพร่: 27 สิงหาคม 2567
