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Durante a aplicação em larga escala de LiFePO4 Em baterias, o problema da inconsistência de tensão tornou-se um desafio fundamental que restringe seu desempenho, segurança e vida útil. Com o rápido desenvolvimento de novos sistemas de armazenamento de energia e veículos elétricos, as baterias de Li-FePO4 são amplamente utilizadas devido à sua alta segurança, longa vida útil e vantagens de custo, mas o problema da inconsistência de tensão entre baterias individuais após o agrupamento está se tornando cada vez mais proeminente. Essa inconsistência se manifesta principalmente em parâmetros discretos, como tensão de célula única, resistência interna e capacidade, especialmente quando conectadas em série ou paralelo para formar um grupo. A diferença será gradualmente amplificada com o ciclo de carga e descarga e mudanças ambientais, o que, em última análise, leva a um declínio no desempenho geral da bateria e até mesmo desencadeia fuga térmica e outros riscos potenciais à segurança.
Análise de problemas e causas
Diferenças no processo de fabricação e nas propriedades dos materiais:
Existem diferenças entre a taxa de reação do material do eletrodo positivo e do material do eletrodo negativo das baterias de fosfato de ferro-lítio, com o eletrodo positivo reagindo a uma taxa mais rápida do que o eletrodo negativo, resultando no acúmulo da diferença de potencial entre os eletrodos positivo e negativo durante o processo de carga e descarga. Além disso, pequenas diferenças na espessura do eletrodo e na distribuição do eletrólito de baterias individuais durante o processo de fabricação agravam ainda mais a inconsistência da resistência interna e da capacidade. Por exemplo, a distribuição desigual da concentração do eletrólito afeta a taxa de migração de íons, resultando em diferenças locais de tensão.
Efeitos do envelhecimento e do ambiente de uso:
Após o uso cíclico prolongado, a evaporação do eletrólito e a cristalização do material catódico dentro da bateria aceleram o envelhecimento, aumentam a resistência interna e aceleram a taxa de queda de tensão. Ao mesmo tempo, temperaturas altas ou baixas agravam a irregularidade da reação eletroquímica, amplificando ainda mais a diferença de tensão.
Condições de operação e problemas de conexão externa:
Durante o processo de carga e descarga da bateria, a distribuição desigual de corrente pode levar à sobrecarga ou descarga excessiva de alguns monômeros. Além disso, podem ocorrer soldas falsas e resistência de conexão inconsistente. Fatores externos também podem desencadear aumentos locais de temperatura e flutuações de tensão; por exemplo, a resistência anormal das juntas de soldagem virtuais pode levar a uma amplificação significativa da diferença de tensão entre os módulos paralelos.
Efeito da inconsistência de tensão
Degradação de desempenho:
Diferenças excessivas de voltagem reduzem a capacidade útil da bateria. Por exemplo, ao final do processo de carga e descarga, células de alta voltagem podem acionar o mecanismo de proteção, forçando toda a bateria a interromper a operação prematuramente, resultando em uma redução no consumo de energia.
Ciclo de vida reduzido:
A inconsistência acelera a sobrecarga ou a descarga excessiva de alguns monômeros, fazendo com que envelheçam muito mais rápido do que outros monômeros, encurtando assim a vida útil geral. Experimentos mostram que a vida útil de baterias com problemas de soldagem pode ser reduzida em mais de 30%.
Riscos de segurança:
Diferenças de voltagem podem causar superaquecimento localizado, levando à fuga térmica em casos extremos. Estudos demonstraram que o risco à segurança da bateria aumenta significativamente quando a diferença de voltagem de uma única célula excede 0.1 V.
Para sistemas de armazenamento de energia, o princípio do barril é que a pior célula afeta o carregamento e o descarregamento de todo o cluster, afetando seu desempenho geral.
Efeito barril devido à diferença de capacidade
Geralmente, o teste de capacidade dividida será feito quando a célula da bateria sai da fábrica, mas há exceções para tudo, quando há uma mistura da capacidade de fábrica ou problemas que ocorrem no estágio final da própria célula da bateria.
Conforme mostrado na figura abaixo, quando a capacidade de uma das células do conjunto de baterias é anormal em relação às demais, observamos que, na operação real de carga e descarga, o corte prioritário da baixa capacidade da célula e, nesse momento, a capacidade total de todo o conjunto de baterias dependerá dessa célula anormal. Usamos Q para denotar a capacidade nominal da célula, Q1 para denotar a capacidade total e Q2 para denotar a capacidade da célula anormal. Idealmente, Q1 = Q, então a situação real será Q1 = Q2, e Q é > Q2.
O efeito barril devido à uniformidade da tensão
Em geral, diferenças de consistência de voltagem normalmente ocorrem durante o uso, como resultado da autodescarga da célula.
Em um conjunto de baterias com boa consistência de tensão, a tensão de uma única célula pode atingir a condição de corte de carga e a condição de corte de descarga quase simultaneamente. No entanto, no caso de um conjunto com baixa consistência de tensão, na fase de descarga, a célula com baixa capacidade residual atingirá a condição de corte de descarga primeiro, fazendo com que todo o conjunto atinja a condição de corte de descarga mais cedo. No processo de carregamento, a célula com alta capacidade residual atinge a condição de corte de carga primeiro, fazendo com que todo o conjunto atinja a condição de corte de carga mais cedo. Nesse momento, a capacidade do conjunto é determinada conjuntamente pelas células com alta e baixa capacidade residual, Q1 = Q - (Q alto - Q baixo).
Manifestações e efeitos causais de falhas de pressão diferencial
| Falha de pressão diferencial | Análise de causa | Afetar |
|---|---|---|
| discrepância de volume | Mistura de células | Capacidade impactada |
| Anormalidade na soldagem da linha de conexão da célula | Capacidade impactada | |
| Diferenças de consistência de tensão | Inconsistência no consumo de energia da BMU | Consumo de capacidade anormal |
| Anormalidade de amostragem da BMU | Consumo de capacidade anormal | |
| A diferença de pressão de substituição do módulo é grande | Capacidade impactada | |
| O S0C inicial é baixo | Capacidade impactada | |
| A autodescarga é grande | Capacidade impactada | |
| desinformação | Alarmes falsos no circuito de tensão | Captura de tensão anormal |
Quando as células soldadas em uma bateria apresentam, por exemplo, uma solda falsa, quando as células são conectadas em paralelo, a capacidade das células diminui devido à solda falsa, o que faz com que as células anormais não consigam carregar e descarregar completamente (tensão de polarização). Quando as células são conectadas em série, a soldagem falsa leva a uma alta tensão de polarização de carga e descarga, e a capacidade é reduzida. As falhas de pressão diferencial listadas acima são causadas principalmente pelo processo de produção e fabricação.
equilíbrio ativo
Quando há inconsistência de tensão na célula, a equalização ativa é o uso de métodos de migração de energia, migração ativa de energia de células de alta capacidade para células de baixa capacidade e, finalmente, maximização da capacidade. É claro que, se a equalização ativa do esquema não for estável, na verdade, pelo contrário, aumentará o risco da operação do sistema e aumentará a taxa de falhas.
equilíbrio passivo
A equalização passiva é uma forma de consumo de energia, principalmente através do interruptor para descarregar a alta tensão do núcleo, reduzindo assim a tensão do núcleo para manter a consistência da tensão. No entanto, isso só pode descarregar a alta tensão do núcleo, mas não há como lidar com a baixa tensão original. Isso não pode ser uma solução fundamental para o problema de inconsistência de tensão. Para atingir um determinado nível, é necessário reabastecer artificialmente o núcleo da bateria! Ou substituir o módulo diretamente. Mas a equalização passiva é relativamente mais estável do que a equalização ativa e a taxa de falhas é relativamente baixa.
Ao optar pela substituição do módulo, geralmente é melhor fazê-lo no início da operação, pois, após um tempo de operação muito longo, o módulo original também apresentará queda de capacidade. Nesse momento, pode haver inconsistência na tensão do módulo para a substituição do novo módulo. Ao substituir os módulos, priorizamos a bateria totalmente carregada e substituímos o módulo totalmente carregado para atingir a consistência da tensão do sistema.
