Каково применение балансировки ячеек в литиевых батареях?

Я занимаюсь разборкой аккумуляторных батарей и проектированием BMS уже почти 12 лет. Каждый раз, когда кто-то спрашивает меня: «Что именно делает балансировка?», я просто показываю им две фотографии: одна — 36-вольтовая электровелосипедная упаковка возрастом 2-года- без балансировки (половина ячеек на 1,8 В, остальные на 4,18 В), другая — та же партия с пассивным балансиром на 100 мА (все ячейки по-прежнему в пределах 12 мВ спустя три года). Вот и вся суть в одной картинке.

В настоящих стаях клетки никогда не рождаются равными. Возьмите 100 новых-новых аккумуляторов Samsung 50E из одного лотка: разброс емкости обычно составляет ±30 мАч, скорость саморазряда-может отличаться в 2–3 раза, а внутреннее сопротивление может варьироваться в пределах 3–5 мОм. После 200 циклов слабые отстают еще больше. Без балансировки емкость аккумулятора определяется самой слабой ячейкой при заряде и самой сильной ячейкой при разрядке. Вы теряете 20–40 % полезной мощности только в первый год.

Active Cell Balancing

Есть только два способа, которыми люди фактически балансируют в производстве:

Это то, что используют 95% аккумуляторов до 20 кВтч.
Настоящие фишки, которые вы увидите на платах:

ТИ BQ769x2 / BQ769x3 / BQ78z100

Аналоговые устройства LTC6804/LTC6811/LTC6813

Максим MAX14920 / MAX14921

НХП MC33771/MC33772

Типичный ток утечки: 80–150 мА (BQ76952 может выдавать ток 220 мА, если параллельно подключить два контакта).
Номинал резистора при массовом производстве: почти всегда 27 Ом или 33 Ом 2512 1 корпус Вт.
Настройки триггера, которые я на самом деле использую:
Начинайте кровотечение при напряжении на 15–25 мВ выше среднего значения по упаковке во время CV, остановите, когда дельта упадет ниже 6–8 мВ.
Если вы попытаетесь добиться 2 мВ, вы просто испортите плату навсегда.

Настоящая проблема – жара. Скутерный блок на 16 секунд с током утечки 100 мА может выдавать 7–8 Вт прямо на печатную плату BMS. Вот почему эти дешевые 20-долларовые доски для электронных велосипедов деформируются и трескаются после одного лета, проведенного на солнце.

Как только вы превысите ~30 кВтч, почти все перейдут в активный режим.

Реальные-примеры, которые я разобрал:

Tesla Model S/X (2012–2021 гг.): небольшие блоки постоянного тока-постоянного тока на HVJB, ~ 1 А на модуль.

BMW i3 (все годы): модуль индуктивного трансформатора, соотношение 24:1, около 2 А.

Пакеты BYD Blade: платы с летающими-конденсаторами на основе эталонного дизайна Infineon TLF35568

Китайские стационарные монстры хранения данных: изолированные модули постоянного-постоянного тока, пропускающие ток 15–20 А по всей цепочке 700 В.

На самом деле люди покупают готовые--полочные доски:

1–2 зеленые платы летающих конденсаторов AliExpress с 8–16 маленькими реле.

Heltec/Orion BMS Gen4/REC Q/Dilithium: 5–8 А при достойном охлаждении

Cell Balancing

Большинство OEM-производителей балансируют только в верхних 10–15 % SoC, потому что кривая напряжения слишком пологая ниже 3,45 В (NMC) или 3,40 В (LFP).
Tesla waits until >90 % SoC и балансировка выполняется только в течение последних 30–60 минут зарядки.
Мои журналы BMW i3 2017 года показывают, что индуктивный балансир просыпается только тогда, когда дельта> 30 мВ и ток батареи < 5 А.

У меня есть ящик, полный низкоскоростных электромобилей 2016–2018 годов выпуска из материкового Китая, которые сэкономили 0,80 доллара за счет удаления резисторов стравливания. Через 18 месяцев слабые клетки становятся отрицательными при каждом разряде, медь растворяется, дендриты растут, сепаратор плавится, возгорается. Я наблюдал, как аккумуляторы на 72 В, 20 Ач падали до 8–9 Ач, пригодных для использования, за 14 месяцев. Установите на них активный балансир за 12 долларов, и они вернутся к 18–19 Ач. Урок был усвоен на собственном горьком опыте.

Менее 15 кВтч → пассивный режим подойдет и останется навсегда (самокаты, электроинструменты, дроны)

400 V+ or >50 кВтч → активно, иначе вам придется менять модули каждый год

Каждый настоящий электромобиль, продаваемый сегодня, имеет балансировку. Единственная переменная заключается в том, будет ли это резистор сопротивлением 33 Ом или активная плата стоимостью 300 долларов.

Это клеточный баланс. Ничего волшебного. Просто не дать хорошим клеткам разрушиться одному ленивому брату, который решил стареть быстрее.

Cell Balancing