توضیح ولتاژ سلول کیسه NMC: ولتاژ اسمی، ولتاژ قطع و تنظیمات BMS

سلول‌های کیسه‌ای NMC چگالی انرژی بالا را با فرمت سبک وزن و فضای کارآمد ترکیب می‌کنند و آن‌ها را برای وسایل نقلیه الکتریکی، هواپیماهای بدون سرنشین، روبات‌ها، تجهیزات صنعتی، سیستم‌های دریایی و بسته‌های باتری سفارشی مناسب می‌سازند.

با این حال، NMC شیمی کاتد را توصیف می کند، در حالی که 'pouch' قالب سلول را توصیف می کند. هیچ یک از این دو عبارت به تنهایی محدودیت های ولتاژ صحیح را تعیین نمی کند. ولتاژ اسمی، حداکثر ولتاژ شارژ، ولتاژ قطع دشارژ، محدودیت‌های جریان و محدودیت‌های دما باید همیشه از برگه اطلاعات تایید شده برای سلول انتخاب شده تأیید شود.

برای بسیاری از سلول‌های NMC/گرافیت معمولی، ولتاژ نامی تقریباً 3.6 ولت تا 3.7 ولت است، هدف ولتاژ شارژ معمولاً 4.20 ولت است و ولتاژ پایان تخلیه مشخص شده اغلب بین 2.5 ولت و 3.0 ولت است. این مقادیر معمولی هستند - تنظیمات جهانی برای هر سلول کیسه NMC نیست.

خوراکی های کلیدی

• یک سلول کیسه ای معمولی NMC دارای ولتاژ نامی تقریباً 3.6 ولت تا 3.7 ولت است.

• بسیاری از سلول های استاندارد NMC/گرافیت از پروفایل شارژ 4.20 ولت CC/CV استفاده می کنند، اما محدودیت دقیق باید از صفحه داده سلولی باشد.

• قطع تخلیه مشخص شده معمولاً بین 2.5 ولت و 3.0 ولت بسته به طراحی سلول و شرایط آزمایش است.

• آستانه‌های حفاظتی BMS، محدودیت‌های حفاظتی اضطراری هستند، نه اهداف عملیاتی عادی.

• ولتاژ سلول تحت بار به دلیل مقاومت داخلی و اتصال، کمتر از ولتاژ مدار باز است.

• ولتاژ به تنهایی برای تخمین دقیق وضعیت شارژ در حین کار کافی نیست.

• کاهش ولتاژ شارژ بالا یا باریک کردن پنجره SOC عامل ممکن است عمر سرویس را بهبود بخشد، اما نتیجه مربوط به سلول و کاربرد خاص است.

پارامترهای ولتاژ سلول کیسه ای معمولی NMC

مقادیر زیر برای برنامه ریزی اولیه سیستم مفید است، اما نباید جایگزین برگه اطلاعات سازنده شود.

پارامتر	محدوده مرجع معمولی	استفاده مهندسی
ولتاژ اسمی	3.6 - 3.7 ولت	ولتاژ بسته و محاسبات اولیه انرژی
هدف ولتاژ شارژ	معمولا 4.20 ولت	تنظیم CC/CV شارژر
ولتاژ پایان تخلیه	معمولاً 2.5-3.0 ولت	تست ظرفیت و محدودیت عملیاتی کمتر
هشدار سلول بالا	خاص برنامه	کاهش جریان شارژ یا هشدار کاربر
حفاظت از ولتاژ بیش از حد سلول	برگه داده و مبتنی بر تحمل	قطع شارژ اضطراری
هشدار سلول کم	خاص برنامه	اخطار کاهش برق یا کم بودن باتری
حفاظت در برابر ولتاژ سلول	دیتاشیت و بر اساس بار	قطع شدن تخلیه اضطراری

برخی از سلول های NMC از محدودیت های ولتاژ خارج از این مقادیر معمولی استفاده می کنند. طرح های سلول های ولتاژ بالا، سلول های قدرت و سلول های انرژی ممکن است نیازهای متفاوتی داشته باشند، حتی اگر ظرفیت اسمی یکسانی داشته باشند.

ولتاژ اسمی به چه معناست؟

ولتاژ نامی نماینده میانگین ولتاژ کاری است که برای شناسایی سلول، محاسبات بسته و برآورد انرژی استفاده می شود. این ولتاژی نیست که سلول در طول چرخه تخلیه کامل حفظ می کند.

یک سلول NMC معمولی کاملاً شارژ شده ممکن است نزدیک به 4.20 ولت شروع شود و سپس با حذف انرژی به تدریج کاهش یابد. ولتاژ اندازه گیری شده تحت تاثیر قرار می گیرد:

• دولت مسئولیت

• جریان شارژ یا تخلیه

• دمای سلول

• مقاومت سلولی

• سن سلولی و وضعیت سلامت

• زمان استراحت پس از شارژ یا تخلیه

برای محاسبه اولیه انرژی:

انرژی سلول (Wh) ≈ ولتاژ اسمی (V) × ظرفیت (Ah)

به عنوان مثال، یک سلول 76Ah با ولتاژ 3.7 ولت دارای انرژی اسمی تخمین زده شده است:

3.7 ولت × 76 آمپر ساعت = 281.2 وات ساعت

این یک محاسبه اسمی است. انرژی قابل استفاده واقعی به منحنی ولتاژ کامل، جریان، دما و حدود ولتاژ بالا و پایین سیستم بستگی دارد.

محاسبه ولتاژ پک

سلول های متصل به صورت سری ولتاژ را افزایش می دهند. سلول های متصل به صورت موازی ظرفیت و قابلیت جریان را افزایش می دهند.

اگر یک دیتاشیت سلولی مشخص کند:

• ولتاژ اسمی: 3.7 ولت

• محدودیت ولتاژ شارژ: 4.20 ولت

• ولتاژ پایان تخلیه: 2.75 ولت

یک بسته 14S دارای:

• ولتاژ اسمی بسته: 14 × 3.7 ولت = 51.8 ولت

• حداکثر ولتاژ شارژ: 14 × 4.20 ولت = 58.8 ولت

• ولتاژ پایان تخلیه مبتنی بر برگه داده: 14 × 2.75 ولت = 38.5 ولت

تجهیزات نهایی باید در سراسر محدوده ولتاژ بسته کامل به درستی کار کنند - نه تنها در ولتاژ اسمی اعلام شده.

کنترل‌کننده‌های موتور، اینورترها، مبدل‌های DC/DC، کنتاکتورها، فیوزها، خازن‌ها و مدارهای پیش‌شارژ همگی باید در برابر حداکثر ولتاژ پک بررسی شوند. حد عملیاتی پایین نیز باید برای کاهش ولتاژ در طول تقاضای پیک جریان در نظر گرفته شود.

حداکثر ولتاژ شارژ و شارژ CC/CV

بسیاری از سلول های کیسه ای معمولی NMC از پروفیل شارژ 4.20 ولت با جریان ثابت/ولتاژ ثابت استفاده می کنند.

در مرحله جریان ثابت، شارژر جریان شارژ مجاز را در حالی که ولتاژ سلول افزایش می‌یابد، تامین می‌کند. هنگامی که بسته به هدف ولتاژ شارژر می رسد، شارژ وارد مرحله ولتاژ ثابت می شود.

در مرحله ولتاژ ثابت، شارژر ولتاژ هدف را نگه می دارد در حالی که جریان شارژ به تدریج کاهش می یابد. هنگامی که جریان به مقدار مشخص شده توسط سازنده سلول برسد یا شرایط پایان تایید شده دیگری برآورده شود، شارژ باید پایان یابد.

مشخصات شارژ دقیق باید مشخص کند:

• حداکثر جریان شارژ

• حداکثر ولتاژ سلول و پک

• هدف ولتاژ ثابت

• جریان پایان شارژ

• حداکثر زمان شارژ

• محدوده دمای مجاز شارژ

• شرایط شارژ یا بازیابی

BMS نباید به عنوان کنترل کننده شارژ معمولی استفاده شود. شارژر باید ولتاژ و جریان را به درستی تنظیم کند، در حالی که BMS در صورت از کار افتادن شارژر یا کنترل سیستم، محافظت مستقلی را ارائه می دهد.

آیا 4.20 ولت یک محدودیت مطلق برای هر سلول NMC است؟

خیر

هدف شارژ 4.20 ولت برای بسیاری از سلول های NMC/گرافیت رایج است، اما جهانی نیست. فرمول‌بندی‌های مختلف الکترود و طرح‌های سلول ممکن است از حداکثر ولتاژ شارژ متفاوت استفاده کنند.

آستانه اضافه ولتاژ BMS باید از مشخصات سلول تایید شده انتخاب شده و با موارد زیر هماهنگ شود:

• تحمل ولتاژ شارژر

• دقت اندازه گیری ولتاژ BMS

• خطای سیم کشی و سنجش

• تاخیر در تشخیص

• عدم تعادل سلولی

• دما

• حاشیه ایمنی مورد نیاز

انتشار یک مقدار جهانی - مانند تنظیم هر NMC BMS روی 4.25 ولت - توصیه نمی شود. مقداری که برای یک سلول قابل قبول است ممکن است از ولتاژ مجاز سلول دیگر بیشتر شود.

ولتاژ قطع تخلیه

ولتاژ پایان تخلیه ولتاژ کمتری است که توسط سازنده هنگام اندازه گیری ظرفیت نامی تحت شرایط تست تعریف شده استفاده می شود.

برای سلول های NMC، این مقدار معمولاً بین 2.5 ولت و 3.0 ولت است، اما تعداد دقیق ممکن است با طراحی سلول متفاوت باشد. نباید به طور خودکار به هدف عملیاتی عادی روزانه تبدیل شود.

عملکرد نزدیک به حداقل صفحه داده ممکن است ظرفیت اندازه‌گیری شده‌تری را فراهم کند، اما می‌تواند منجر به موارد زیر نیز شود:

• افت ولتاژ بیشتر تحت بار

• خاموش شدن ولتاژ پایین قبلی در دماهای سرد

• کاهش قدرت نزدیک به پایان تخلیه

• افزایش حساسیت به عدم تعادل سلولی

• خطر تخلیه بیش از حد ضعیف ترین سلول سری

• کاهش احتمالی عمر مفید

تخلیه بیش از حد مداوم یا شدید می تواند به الکترودها و فاز اینترفاز جامد-الکترولیت آسیب برساند. در یک بسته متصل به سری، ادامه جریان پس از تخلیه یک سلول ضعیف می‌تواند آن سلول را به سمت معکوس سوق دهد. در شرایط تخلیه بیش از حد شدید، انحلال جمع کننده جریان مس و مکانیسم های اتصال کوتاه داخلی ممکن است رخ دهد.

بنابراین BMS باید بار را قبل از اینکه یک سلول فراتر از حد مجاز مجاز خود باقی بماند، قطع کند.

کاهش ولتاژ تحت بار

ولتاژ سلول اندازه گیری شده تحت بار کمتر از ولتاژ مدار باز شل سلول است. این تفاوت معمولاً افت ولتاژ نامیده می شود.

یک تخمین ساده شده عبارت است از:

کاهش ولتاژ ≈ جریان × مقاومت

اگر یک سلول دارای مقاومت DC 2mΩ و جریان 100A باشد:

ΔV = 100A × 0.002Ω = 0.20V

با این حال، مقاومت پک واقعی نیز شامل موارد زیر است:

• برگه های سلولی

• باسبار

• اتصالات جوشی یا پیچی

• فیوزها و کنتاکتورها

• کابل ها و کانکتورها

• توزیع جریان گروهی موازی

مقاومت نیز با دما، حالت شارژ و افزایش سن تغییر می کند. بنابراین یک سلول سرد یا قدیمی ممکن است افت ولتاژ بیشتری را نسبت به سلول جدید آزمایش شده در دمای اتاق تجربه کند.

BMS باید بین یک افتادگی گذرا کوتاه و یک سلول واقعاً تخلیه شده تمایز قائل شود. به همین دلیل است که حفاظت از ولتاژ پایین معمولاً شامل تأخیر تشخیص معتبر و پسماند بازیابی است.

هیچ تاخیر ایمن جهانی وجود ندارد. باید با استفاده از سلول واقعی، مشخصات بار، حداقل دمای عملیاتی و مقاومت بسته در بدترین حالت تأیید شود.

ولتاژ مدار باز و حالت شارژ

ولتاژ مدار باز ولتاژ سلولی است که پس از قطع جریان شارژ یا دشارژ اندازه گیری می شود و سلول زمان کافی برای استراحت داشته است.

بلافاصله پس از شارژ، ولتاژ ممکن است بالاتر از مقدار کاملاً شل شده خود باقی بماند. پس از تخلیه سنگین، ولتاژ ممکن است پس از برداشتن بار به سمت بالا بازگردد. زمان استراحت مورد نیاز به سلول، دما و دقت مورد نیاز روش تخمین بستگی دارد.

بنابراین یک جدول OCV-SoC باید برای سلول خاص تولید یا عرضه شود. یک جدول عمومی نمی تواند به طور دقیق هر فرمول NMC را نشان دهد.

در حین کار، یک BMS قوی معمولاً موارد زیر را ترکیب می کند:

• کولن در حال شمارش

• اندازه گیری ولتاژ سلول

• جبران دما

• اصلاح OCV در طول دوره های استراحت مناسب

• برآورد ظرفیت و وضعیت سلامت

• مقاومت یا اصلاح مبتنی بر مدل

شمارش کولن مفید است، اما خطاهای آفست سنسور جریان و تخمین ظرفیت در طول زمان انباشته می شوند. اصلاح دوره ای برای جلوگیری از جابجایی SoC مورد نیاز است.

روش پیکربندی BMS توصیه شده

جدول زیر منطق پیکربندی را توضیح می دهد. عمداً مقادیر ولتاژ جهانی را ارائه نمی دهد.

پارامتر BMS	اساس توصیه شده
هشدار سلول بالا	برای اینکه شارژر یا کنترلر جریان را کاهش دهد، آن را زیر نقطه اتصال محافظ قرار دهید
حفاظت از ولتاژ بیش از حد سلول	هماهنگی با حداکثر ولتاژ مجاز سلول و تمام تحمل‌های اندازه‌گیری و شارژر
آزادسازی اضافه ولتاژ	زیر آستانه سفر با پسماند مناسب تنظیم کنید
هشدار سلول کم	به اندازه کافی بالا تنظیم کنید تا قبل از قطع شدن، هشدار مفید یا کاهش برق ارائه دهید
حفاظت در برابر ولتاژ سلول	قبل از نقض مداوم حد پایین تایید شده از سلول محافظت کنید
تاخیر کم ولتاژ	اعتبار در برابر کاهش ولتاژ گذرا و مدت زمان اوج بار برنامه
رهاسازی ولتاژ کم	رفتار بازیابی و شارژ ایمن را تعریف کنید
متعادل کردن ولتاژ شروع	از بین رفتار ولتاژ بالای SOC سلول و استراتژی شارژ انتخاب کنید
دیفرانسیل تعادل	بر اساس دقت اندازه گیری، تطبیق سلول و عملکرد بسته مورد نیاز
محدودیت دمای شارژ	برگه داده سلولی و نقشه کاهش هزینه جریان شارژ معتبر را دنبال کنید
محدودیت دمای تخلیه	صفحه داده سلولی و طراحی حرارتی سیستم را دنبال کنید

پیکربندی حفاظتی همچنین باید ثبت خطا، شرایط بازیابی، ارتباط شارژر، رفتار کنتاکتور و اینکه آیا یک خطا به بازنشانی خودکار یا دستی نیاز دارد را مشخص کند.

تعادل سلولی

در یک بسته باتری متصل به سری، سلول یا گروه موازی با کمترین ظرفیت قابل استفاده، انرژی کل بسته را محدود می کند.

تعادل غیرفعال مقدار کمی انرژی را از طریق مقاومت ها از سلول های ولتاژ بالاتر حذف می کند. تعادل فعال انرژی را بین سلول ها یا گروه ها منتقل می کند و ممکن است در بسته های بزرگ یا سیستم هایی با عدم تعادل بیشتر مفید باشد.

انتخاب تعادل-جریان باید با ظرفیت سلول مرتبط باشد.

به عنوان مثال، یک درصد اختلاف ظرفیت در یک سلول 76Ah برابر است:

76Ah × 1% = 0.76Ah

با جریان متعادل کننده غیرفعال 100 میلی آمپر، زمان متعادل سازی ایده آل خواهد بود:

0.76Ah ÷ 0.10A = 7.6 ساعت

زمان واقعی طولانی‌تر خواهد بود، زیرا تعادل ممکن است فقط در بخشی از چرخه شارژ عمل کند و ممکن است توسط دما، چرخه کار یا زمان‌بندی اندازه‌گیری BMS محدود شود.

تعادل در نزدیکی قسمت بالایی محدوده SOC اغلب برای NMC مفید است زیرا تفاوت ولتاژ تفسیر آسان تر می شود. با این حال، یک قانون جهانی 'شروع تعادل بالای 4.0 ولت' نباید بدون بررسی منحنی OCV سلول و استراتژی شارژ بسته اعمال شود.

تطابق خوب سلول قبل از مونتاژ همچنان مهم است. یک مدار متعادل کننده کوچک نمی تواند به سرعت ظرفیت بزرگ یا عدم تطابق مقاومت را در یک بسته سلولی کیسه ای با ظرفیت بالا اصلاح کند.

حفاظت از دما

محدودیت های شارژ و دشارژ NMC به شدت به دما بستگی دارد.

شارژ یک سلول لیتیوم یونی آند گرافیتی معمولی در دمای پایین می تواند خطر آبکاری لیتیوم را به خصوص در جریان شارژ بالا افزایش دهد. بسیاری از سلول ها اجازه شارژ کمتر از 0 درجه سانتیگراد را نمی دهند، در حالی که برخی فقط جریان کاهش یافته را در محدوده دمای پایین مشخص شده مجاز می کنند.

BMS باید محدودیت‌های دمایی دقیق و نقشه اندازه‌گیری جریان ارائه شده توسط سازنده سلول را اجرا کند.

قرار دادن سنسور دما باید طراحی ماژول را منعکس کند. حسگرها ممکن است روی سطوح سلولی، زبانه‌ها، شینه‌ها یا نقاط داغ حرارتی شناخته شده مورد نیاز باشند. بهترین مکان بستگی به این دارد که نگرانی اصلی دمای هسته سلول، گرمایش زبانه، مقاومت اتصال یا عملکرد سیستم خنک کننده باشد.

طراحی حرارتی باید در موارد زیر تایید شود:

• حداکثر شارژ مداوم

• حداکثر تخلیه مداوم

• عملیات پیک جریان

• شارژ با دمای پایین

• عملکرد در دمای بالا

• خرابی سیستم خنک کننده

• تغییر دمای سلول به سلول

افزایش عمر سلولی کیسه NMC

کاهش زمان در SOC بسیار بالا و اجتناب از تخلیه عمیق غیر ضروری اغلب می تواند عمر باتری NMC را بهبود بخشد. کاهش ولتاژ شارژ بالایی نیز ممکن است تخریب را کاهش دهد، اما ظرفیت و چرخه عمر مبادله باید برای سلول انتخاب شده اندازه گیری شود.

این که قول بدهیم شارژ با یک ولتاژ خاص همیشه عمر چرخه دو یا سه برابری خواهد داشت، دقیق نیست.

پیری باتری نیز تحت تأثیر موارد زیر است:

• دمای سلول

• نرخ شارژ و دشارژ

• عمق تخلیه

• SOC متوسط

• SOC ذخیره سازی

• زمان صرف شده در حداکثر ولتاژ

• فشار مکانیکی

• تطبیق سلول

• یکنواختی خنک کننده

برای کاربردهایی که به حداکثر انرژی در هر چرخه نیاز ندارند، تیم مهندسی می‌تواند پنجره SOC باریک‌تری را ارزیابی کند. تنظیم نهایی باید بر اساس تست چرخه و گارانتی و اهداف زمان اجرا مشتری باشد.

ملاحظات مکانیکی کیسه سلول

سلول های کیسه ای بیش از تنظیمات صحیح الکتریکی نیاز دارند. محفظه چند لایه آنها پشتیبانی ساختاری یکسانی را به عنوان یک محفظه فلزی استوانه ای سفت یا منشوری ارائه نمی دهد.

یک طراحی کامل ماژول باید در نظر گرفته شود:

• فشرده سازی یا مهار مشخص شده توسط سازنده

• گسترش سلول در طول زندگی

• عایق در اطراف زبانه ها و لبه ها

• محافظت در برابر سوراخ شدن و سایش

• انعطاف پذیری شینه و کرنش زبانه

• تماس خنک کننده و یکنواختی دما

• کمک هزینه برای تحمل تولید

• تشخیص تورم غیر طبیعی

تورم می تواند با افزایش سن، درجه حرارت بالا، شارژ بیش از حد یا سایر شرایط غیر طبیعی همراه باشد. فشرده سازی نباید برای مخفی کردن یک سلول آسیب دیده الکتریکی یا شیمیایی استفاده شود.

مثال: پیکربندی یک بسته با سلول Farasis P76D

اگر پروژه‌ای از Farasis P76D یا سلول کیسه‌ای با فرمت بزرگ 76Ah NMC استفاده می‌کند، فرآیند مهندسی باید با برگه داده‌های تایید شده فعلی سازنده برای بازنگری سلول و دسته تولید دقیق آغاز شود.

حداقل تایید کنید:

• ولتاژ و ظرفیت اسمی

• حداکثر ولتاژ شارژ

• حدود تخلیه توصیه شده و مطلق

• جریان شارژ استاندارد و حداکثر

• جریان تخلیه مداوم و پالس

• مقاومت داخلی DC

• محدودیت های دما

• ابعاد سلول و میزان تورم

• الزامات فشرده سازی

• شرایط تست چرخه عمر

اگر مشخصات تایید شده ولتاژ اسمی 3.7 ولت، ولتاژ شارژ حداکثر 4.20 ولت و ولتاژ پایان تخلیه 2.75 ولت را ذکر کرده باشد، این مقادیر می توانند برای محاسبات پک استفاده شوند. سپس آستانه های BMS باید با حاشیه های مناسب توسعه داده شوند و از طریق آزمایش در سطح بسته تأیید شوند.

تنظیمات عمومی NMC هرگز نباید مستقیماً در سیستم عامل تولید بدون این تأییدیه کپی شوند.

چک لیست راه اندازی بسته باتری

قبل از آزاد کردن بسته باتری کیسه‌ای NMC، موارد زیر را بررسی کنید:

1. برگه داده سلول فعلی و ویرایش مشخصات را تأیید کنید.

2. ولتاژ اسمی، حداکثر و حداقل بسته را از تعداد دقیق سری محاسبه کنید.

3. سازگاری با اینورتر، کنترل کننده موتور، شارژر و مبدل DC/DC را تأیید کنید.

4. ولتاژ شارژر، جریان و شرایط پایان برنامه.

5. هشدارهای BMS، آستانه های حفاظتی، تاخیرها، پسماند و منطق بازیابی را پیکربندی کنید.

6. تلورانس های اندازه گیری BMS و شارژر را در تجزیه و تحلیل حفاظتی لحاظ کنید.

7. افت ولتاژ را در حداکثر جریان، SOC پایین و حداقل دمای عملیاتی تأیید کنید.

8. محل قرارگیری سنسور دما و قطع حرارتی را بررسی کنید.

9. تأیید کنید که جریان متعادل کننده برای ظرفیت سلول و عدم تطابق مورد انتظار مناسب است.

10. تخمین SoC را در شرایط دما و پیری کالیبره کنید.

11. حفاظت از سیم باز، جریان اضافه، اتصال کوتاه، اضافه ولتاژ و کم ولتاژ را تست کنید.

12. مهار مکانیکی، عایق، پشتیبانی زبانه و خنک کننده را تأیید کنید.

13. قابلیت ردیابی سلول و داده های تست در سطح بسته را ثبت کنید.

سوالات متداول

ولتاژ اسمی سلول کیسه ای NMC چقدر است؟

اکثر سلول‌های کیسه‌ای NMC معمولی تقریباً 3.6 ولت یا 3.7 ولت اسمی رتبه‌بندی می‌شوند. مقدار دقیق به روش تست سازنده و طراحی سلول بستگی دارد.

ولتاژ شارژ کامل یک سلول NMC چقدر است؟

بسیاری از سلول های استاندارد NMC/گرافیت از 4.20 ولت به عنوان هدف شارژ استفاده می کنند. برخی از طرح های سلولی از مقدار متفاوتی استفاده می کنند، بنابراین برگه داده تایید شده باید بررسی شود.

ولتاژ قطع تخلیه NMC صحیح چیست؟

بسته به سلول، ولتاژ پایان تخلیه مشخص شده معمولاً بین 2.5 تا 3.0 ولت است. قطع عادی سیستم ممکن است برای بهبود در دسترس بودن توان، عملکرد دمای سرد یا عمر مفید بالاتر تنظیم شود.

آیا هر NMC BMS می تواند از تنظیم اضافه ولتاژ 4.25 ولت استفاده کند؟

خیر. آستانه اضافه ولتاژ باید با حداکثر ولتاژ مجاز سلول انتخابی، تحمل شارژر، دقت BMS و زمان پاسخ حفاظتی هماهنگ شود.

چرا ولتاژ سلول در حین شتاب یا اوج بار دیگر کاهش می یابد؟

جریانی که از مقاومت سلول و پک می گذرد باعث افت ولتاژ آنی می شود. دمای سرد، SOC پایین، پیری و مقاومت اتصال می تواند این افتادگی را افزایش دهد.

آیا ولتاژ به تنهایی می تواند وضعیت دقیق شارژ را نشان دهد؟

در حین کار فعال نیست. تخمین دقیق SoC معمولاً شمارش کولن، ولتاژ، دما، مدل‌های سلولی و اصلاح دوره‌ای OCV را ترکیب می‌کند.

آیا BMS جایگزین شارژر می شود؟

خیر. شارژر باید مشخصات CC/CV و پایان شارژ صحیح را ارائه دهد. BMS سلول ها را کنترل می کند و محافظت مستقلی در برابر شرایط غیر طبیعی ایجاد می کند.

نتیجه گیری

مدیریت ولتاژ کیسه سلول NMC باید با برگه داده تایید شده سلول انتخابی آغاز شود - نه مجموعه ای جهانی از مقادیر اینترنت.

مقادیری مانند ولتاژ نامی 3.6 تا 3.7 ولت، ولتاژ شارژ 4.20 ولت و ولتاژ پایان تخلیه 2.5 ولت تا 3.0 ولت نقاط مرجع مفیدی هستند، اما به طور خودکار تنظیمات صحیح را برای هر سلول کیسه ای NMC تعریف نمی کنند.

یک بسته باتری قابل اعتماد مشخصات سلول، کنترل شارژر، حفاظت BMS، مدیریت دما، تست کاهش ولتاژ، تعادل سلولی و پشتیبانی مکانیکی سلول کیسه ای را هماهنگ می کند.

Misen سلول‌های کیسه‌ای NMC را تامین می‌کند و از انتخاب سلول، بررسی مشخصات، تطبیق BMS و توسعه ماژول باتری سفارشی پشتیبانی می‌کند. ولتاژ پک مورد نیاز، ظرفیت، جریان پیوسته و پیک، دمای عملیاتی و ابعاد نصب موجود را برای ما ارسال کنید تا فرآیند انتخاب سلول آغاز شود.

چگالی انرژی بالا و انعطاف پذیری عامل شکل سلول کیسه ای NMC آن را به انتخابی برتر برای وسایل نقلیه الکتریکی و کاربردهای با زهکشی بالا تبدیل می کند. این مزایا مستلزم دقت بی‌نظیر در مدیریت ولتاژ است. تفسیر نادرست مشخصات ولتاژ منجر به عواقب شدید در سطح مغازه و در میدان می شود. نادیده گرفتن کاهش ولتاژ تحت بار سنگین باعث خاموش شدن کاذب سیستم می شود. درک نادرست ولتاژ استراحت باعث خوانش نادرست ظرفیت می شود. پیکربندی نادرست آستانه های قطع منجر به تسریع تخریب سلول، تورم مکانیکی، یا فرار حرارتی فاجعه بار می شود.

برای انتقال از انتخاب سلول به مونتاژ بسته ایمن، تیم های مهندسی باید ولتاژهای اسمی، پیک و قطع را با پارامترهای سیستم مدیریت باتری (BMS) دقیق تراز کنند. این راهنما آستانه های ولتاژ بحرانی، رفتارهای دینامیکی و پیکربندی های BMS مورد نیاز برای استقرار قابل اعتماد را تجزیه می کند. شما یاد خواهید گرفت که چگونه محدودیت های حفاظتی دقیقی تنظیم کنید، رفتارهای بار دینامیکی را به طور دقیق تفسیر کنید، و پروفایل های شارژ را پیکربندی کنید که حداکثر ظرفیت را با قابلیت اطمینان طولانی مدت متعادل کند.

خوراکی های کلیدی

• مرزهای ولتاژ دقیق: شیمی استاندارد NMC به طور ایمن در یک پنجره صلب 2.5 ولت (حداقل مطلق) تا 4.2 ولت (حداکثر مطلق) عمل می کند. تجاوز از این محدودیت ها باعث تخریب غیرقابل برگشت شیمیایی می شود.

• ملاحظات بار دینامیکی: کاهش ولتاژ در هنگام دریچه گاز باز گسترده (WOT) یا کشش جریان بالا باید در حفاظت در برابر ولتاژ BMS لحاظ شود تا ضمن حفظ ایمنی سلول، از خاموش شدن مزاحم جلوگیری شود.

• ولتاژ استراحت در مقابل ولتاژ فعال: ولتاژ ترمینال بلافاصله پس از شارژ شدن (شارژ سطحی) به طور مصنوعی بالا خواهد بود و به یک دوره ته نشینی نیاز دارد تا ولتاژ مدار باز واقعی (OCV) را منعکس کند.

• BMS غیرقابل مذاکره است: یک BMS با پیکربندی مناسب با استفاده از پروفیل های جریان ثابت/ولتاژ ثابت (CC/CV) و حفاظت دقیق از بیش ولتاژ/کم ولتاژ (OVP/UVP) برای بهینه سازی چرخه عمر و انطباق ایمنی در تمام شیمی های لیتیوم اجباری است.

• معاوضه در عمر چرخه: محدود کردن حداکثر ولتاژ شارژ به 4.05-4.1 ولت به جای حداکثر 4.2 ولت می تواند به طور تصاعدی طول عمر چرخه سلول کیسه ای NMC را افزایش دهد و ظرفیت بالایی را برای قابلیت اطمینان طولانی مدت قربانی کند.

مبنا: درک پارامترهای ولتاژ سلول کیسه ای NMC

ولتاژ اسمی (3.6 - 3.7 ولت) و پیکربندی بسته ریاضی

ولتاژ نامی نشان دهنده میانگین ولتاژ کاری در طول یک چرخه تخلیه استاندارد است. برای شیمی استاندارد NMC (کبالت منگنز نیکل)، این مقدار معمولاً بین 3.6 ولت و 3.7 ولت قرار دارد. این رقم را با تخلیه یک سلول کاملاً شارژ شده با نرخ متوسط، معمولاً 0.2C تا 0.5C، و محاسبه ولتاژ میانه در کل منحنی دبی تعیین می کنیم. این متریک به عنوان خط پایه برای همه محاسبات انرژی روی نیمکت عمل می کند.

شما از ولتاژ اسمی برای محاسبه کل انرژی بسته بر حسب وات ساعت (Wh) استفاده می کنید. ضرب ولتاژ اسمی در ظرفیت آمپر ساعت سلول (Ah) انرژی کل را به دست می آورد. هنگام ساخت بسته های باتری، این ولتاژ اسمی را با اتصال سلول ها به صورت سری (S) و موازی (P) مقیاس می کنید. ریاضیات معماری نهایی سیستم و انتخاب اجزا را دیکته می کند.

بیایید ببینیم که چگونه این مقیاس به سطح بسته می رسد. پیکربندی 14S (14 سلول در سری) ولتاژ اسمی تقریباً 50.4 ولت (14 x 3.6 ولت) را ایجاد می کند. این بسته با شارژ کامل به 58.8 ولت (14 x 4.2 ولت) می رسد. پیکربندی 16S ولتاژ اسمی را به 57.6 ولت و حداکثر ولتاژ شارژ 67.2 ولت می رساند. شما باید کنترل‌کننده‌های موتور، اینورترها و مدارهای پیش‌شارژ را طراحی کنید تا کل این جابجایی ولتاژ را انجام دهید، نه فقط امتیاز اسمی. اگر کنتاکتورهای خود را فقط بر اساس رقم اسمی 50.4 ولت اندازه کنید، در خطر جوش دادن کنتاکت ها در زمانی که پک به طور کامل در 58.8 ولت شارژ می شود، جوش داده می شود.

حداکثر ولتاژ شارژ (4.2 ولت)، محدودیت های تحمل، و ولتاژ استراحت

حداکثر مطلق ولتاژ پایانه برای یک سلول استاندارد NMC 4.20 ولت است. تلورانس‌های تولیدی عموماً واریانس دقیق 0.05 ولت در هر سلول را مجاز می‌سازد. فشار دادن ولتاژ فراتر از این حد سخت باعث شکست شیمیایی فوری و غیرقابل برگشت در معماری سلول می شود. شما نمی توانید تنها به نمایشگر شارژر تکیه کنید. شما باید ولتاژ ترمینال را در زبانه های سلول با استفاده از یک مولتی متر کالیبره شده در مرحله متعادل سازی بسته اولیه بررسی کنید.

شارژ سطحی یک پدیده ولتاژ استراحت موقت ایجاد می کند. بلافاصله پس از اتمام یک چرخه شارژ، ولتاژ پایانه به طور مصنوعی بالا می‌آید. شیمی درونی برای رسیدن به تعادل نیاز به یک دوره ته نشینی، اغلب چند ساعته دارد. تنها پس از این مرحله استراحت، یک مولتی متر ولتاژ مدار باز واقعی (OCV) را منعکس می کند. کالیبره کردن BMS بر اساس ولتاژ فوری پس از شارژ منجر به تخمین نادرست وضعیت شارژ (SoC) و محرک های متعادل کننده زودرس می شود.

هزینه بیش از حد، خطرات اجرایی شدیدی را به همراه دارد. بیش از 4.2 ولت باعث آبکاری لیتیوم روی آند می شود. الکترولیت شروع به اکسید شدن می کند و گاز تولید می کند. از آنجایی که سلول های کیسه ای فاقد پوشش استوانه ای سفت و سخت هستند، این تولید گاز مستقیماً به تورم مکانیکی منجر می شود. سلول‌های متورم شده روی سلول‌های مجاور فشار وارد می‌کنند و یکپارچگی ساختاری کل ماژول را به خطر می‌اندازند و به طور بالقوه کیسه ورقه‌ای آلومینیومی را پاره می‌کنند.

مهندسان با یک بعد ارزیابی متمایز در رابطه با حداکثر محدودیت شارژ روبرو هستند. شارژ با ولتاژ کامل 4.2 ولت 100 درصد از ظرفیت نامی را استخراج می کند اما بر شیمی داخلی فشار وارد می کند. محدود کردن شارژ به 4.0 ولت یا 4.1 ولت تقریباً 80 تا 90 درصد ظرفیت را جذب می کند. این کاهش جزئی در محدوده به شدت تنش مکانیکی را کاهش می دهد و عمر چرخه کلی بسته را افزایش می دهد. برای کاربردهای ذخیره سازی ثابت، این مبادله تقریباً همیشه ارزش انجام دادن دارد.

ولتاژ قطع تخلیه (2.5 - 2.8 ولت)

ولتاژ قطع تخلیه، حد پایین مطلق عملکرد را مشخص می کند. در این آستانه، سلول کاملاً تخلیه شده در نظر گرفته می شود و به حالت شارژ 0٪ می رسد. برای شیمی NMC، سازندگان معمولاً این حد را بین 2.5 ولت و 2.8 ولت تحت بار تعریف می کنند. استخراج انرژی در زیر این نقطه زمان اجرا اضافی ناچیزی را فراهم می کند اما خطرات شیمیایی عظیمی را به همراه دارد.

منحنی تخلیه دارای یک 'زانو' مشخص در حدود 3.2 ولت است. در زیر این نقطه، ولتاژ از یک صخره پایین می آید. عملاً هیچ انرژی قابل استفاده ای بین 3.0 ولت و 2.5 ولت باقی نمی ماند. هل دادن سلول به این ناحیه تخلیه عمیق خطرناک و معکوس است.

تخلیه عمیق زیر 2.5 ولت باعث انحلال مس می شود. جمع کننده جریان مس روی آند شروع به شکستن و حل شدن در الکترولیت می کند. هنگامی که متعاقباً سلول را شارژ می کنید، این یون های مس حل شده رسوب می کنند. آنها دندریت های فلزی را تشکیل می دهند که جداکننده را سوراخ می کنند.

این باعث ایجاد اتصال کوتاه داخلی می شود. سلولی که در اثر تخلیه عمیق آسیب دیده است ممکن است قبل از اینکه ناگهان از کار بیفتد، ممکن است برای چندین دوره به طور طبیعی عمل کند. از دست دادن ظرفیت دائمی تضمین شده است. برای جلوگیری از این امر، طراحان سیستم باید قطع‌های ولتاژ پایین سخت‌افزاری را در سطوح سخت‌افزاری و نرم‌افزاری اعمال کنند و اطمینان حاصل کنند که BMS به‌طور فیزیکی بار را قبل از رسیدن سلول‌ها به این آستانه بحرانی قطع می‌کند.

رفتار ولتاژ دینامیک در سلول های کیسه ای NMC

کاهش ولتاژ تحت بار (WOT و سناریوهای تخلیه بالا)

مقاومت داخلی (IR) باعث ایجاد پدیده ای به نام افت ولتاژ در جریانات تخلیه جریان بالا می شود. هنگامی که یک اپراتور خودروی الکتریکی دریچه گاز باز (WOT) درخواست می کند، موتور آمپر عظیمی را از بسته باتری می کشد. طبق قانون اهم، این جریان بالا که در برابر مقاومت داخلی سلول ضرب می شود، منجر به افت ولتاژ فوری در پایانه ها می شود.

برای طراحی یک سیستم قوی باید افت قابل قبول را تعیین کنید. بیایید به یک محاسبه عملی نگاه کنیم. اگر یک سلول 2 میلی اهم (0.002 اهم) مقاومت داخلی داشته باشد و شما 100 آمپر بکشید، کاهش ولتاژ V = I * R = 100 * 0.002 = 0.2 ولت است. در طول یک رویداد WOT، افت موقت 0.2 ولت تا 0.4 ولت در هر سلول کاملاً معمولی است. مقدار دقیق به شدت به نرخ خاص C مورد نیاز و مقاومت داخلی DC (DCIR) سلول بستگی دارد. سلول‌های با کارایی بالا با زبانه‌های ضخیم‌تر و شیمی بهینه‌شده، افتادگی کمتری از خود نشان می‌دهند.

این یک چارچوب مشکل پیچیده برای برنامه نویسی BMS ایجاد می کند. سیستم باید بین یک سلول واقعی تخلیه شده و یک افت ولتاژ موقت تحت بار سنگین تمایز قائل شود. اگر BMS به یک قطع ولتاژ سخت و لحظه ای متکی باشد، یک رویداد WOT در 30٪ SoC ممکن است ولتاژ پایانه را به زیر 2.8 ولت بکشاند. این باعث خاموش شدن زودهنگام و خطرناک سیستم در حین رانندگی می شود. برای مدیریت این رفتار پویا، باید آستانه‌های حفاظتی با تأخیر زمانی را اجرا کنید.

منحنی حالت شارژ (SoC) در مقابل ولتاژ مدار باز (OCV).

شیمی NMC منحنی تخلیه غیر خطی مجزا را نشان می دهد. این منحنی گسترده و شیب‌دار با مشخصات تخلیه بسیار صاف باتری‌های LiFePO4 تضاد شدیدی دارد. ماهیت شیب دار منحنی NMC تخمین ظرفیت باقیمانده را بر اساس ولتاژ به تنهایی آسان تر می کند، اما فقط در شرایط استراحت سخت.

منحنی دارای یک منطقه فلات طولانی بین تقریباً 3.9 ولت و 3.4 ولت است. در این پنجره، ولتاژ به آرامی و به طور پیوسته با تخلیه سلول کاهش می یابد. در انتهای بالا (4.2 ولت تا 3.9 ولت) و انتهای پایین (3.4 ولت تا 2.8 ولت)، افت ولتاژ تند و سریع است. این رفتار غیر خطی ردیابی ظرفیت بلادرنگ را پیچیده می کند.

حالت تقریبی شارژ (SoC)	ولتاژ مدار باز در حال استراحت (OCV)	فاز منحنی تخلیه
100%	4.20 ولت	قطره شیب دار
80%	3.95 ولت	ورود به فلات
50%	3.70 ولت	فلات میانی (اسمی)
20%	3.45 ولت	در حال خروج از فلات
0%	2.80 - 3.00 ولت	افت شدید (قطع)

تنها تکیه بر ولتاژ برای تخمین SoC برای سلول های NMC فعال ناکافی است. از آنجایی که ولتاژ تحت بار کاهش می یابد و در حین استراحت مجدداً باز می گردد، یک جدول جستجوی ولتاژ ساده نوسانات شدید را در حین کار نشان می دهد. شما باید از شمارش کولن در BMS استفاده کنید. شمارش کولن جریان دقیق ورودی و خروجی بسته را اندازه گیری می کند و این داده ها را در طول زمان یکپارچه می کند تا یک درصد SoC بسیار دقیق و پایدار ارائه دهد.

ارزیابی گزینه های با کارایی بالا: مشخصات سلول کیسه ای Farasis P76D

رتبه بندی ظرفیت و ولتاژ

تجزیه و تحلیل مشخصات سلول کیسه ای Farasis P76D یک معیار واضح برای فناوری NMC با ظرفیت بالا ارائه می دهد. این سلول خاص ظرفیت قابل توجهی 76Ah را ارائه می دهد که آن را برای طراحی های ماژول های پر انرژی ایده آل می کند. پارامترهای ولتاژ با استانداردهای شیمی سطح بالای NMC مطابقت دارند.

ولتاژ اسمی روی 3.7 ولت قرار دارد که نشان دهنده یک منطقه فلات قوی در هنگام تخلیه است. حد مجاز شارژ توصیه شده به شدت روی 4.2 ولت محدود شده است، در حالی که قطع تخلیه استاندارد روی 2.75 ولت تنظیم شده است. این رتبه‌بندی‌ها معیارهای چگالی انرژی فوق‌العاده‌ای را به دست می‌دهند و به مهندسان این امکان را می‌دهند که حداکثر کیلووات ساعت را در ردپای فیزیکی محدود قرار دهند. زبانه های عریض روی این سلول ها به طور خاص برای کنترل جریان های تخلیه مداوم بالا و در عین حال به حداقل رساندن گرمایش موضعی طراحی شده اند.

مناسب بودن برنامه و مقیاس پذیری

ویژگی‌های حرارتی و قابلیت‌های تخلیه Farasis P76D کاملاً با معیارهای موفقیت در پیشرانه‌های EV و برنامه‌های ذخیره‌سازی انرژی نیاز دارند. ظرفیت بالا در هر سلول تعداد اتصالات موازی مورد نیاز در یک بسته را کاهش می دهد. این امر معماری شینه را ساده می کند، تعداد جوش های لیزری مورد نیاز را کاهش می دهد و نقاط بالقوه شکست را حذف می کند.

با این حال، استفاده از سلول‌های کیسه‌ای با فرمت بزرگ، محدودیت‌های مکانیکی خاصی را ایجاد می‌کند. سلول های کیسه ای به طور طبیعی در طول چرخه های شارژ و تخلیه معمولی منبسط و منقبض می شوند. شما باید صفحات فشرده سازی مهندسی شده و پدهای فوم را در محفظه ماژول پیاده سازی کنید. فشرده سازی مکانیکی مناسب این انبساط طبیعی را مدیریت می کند، از لایه برداری لایه های داخلی جلوگیری می کند و تماس بهینه بین الکترودها و جداکننده را حفظ می کند. بدون فشرده سازی کافی، مقاومت داخلی به طور پیوسته با افزایش سن سلول بالا می رود.

پیکربندی BMS برای سلول های کیسه ای NMC

تنظیمات حفاظت از بیش از حد ولتاژ (OVP) و حفاظت از ولتاژ پایین (UVP)

تعیین نقاط تنظیم دقیق BMS یک رویکرد راه حل حیاتی برای شیمی NMC است. شما نمی توانید به تنظیمات پیش فرض کارخانه تکیه کنید. شما باید آستانه ها را برای برگه داده سلولی خاص تنظیم کنید. پیکربندی مناسب از یک رویکرد لایه‌بندی استفاده می‌کند و از سطوح هشدار و سطوح قطع اتصال سخت استفاده می‌کند.

1. آستانه هشدار OVP: روی ~4.15 ولت تنظیم کنید. BMS هشداری را ایجاد می کند و ممکن است تعادل را آغاز کند یا از طریق گذرگاه CAN درخواست کاهش جریان شارژ از شارژر کند.

2. آستانه قطع اتصال OVP: کاملاً روی 4.25 ولت تنظیم کنید. BMS کنتاکتور را باز می کند و جریان شارژ را به صورت فیزیکی قطع می کند تا از شارژ بیش از حد فاجعه بار جلوگیری کند.

3. آستانه هشدار UVP: روی ~3.0V تنظیم کنید. این سیستم به کاربر در مورد ظرفیت کم هشدار می دهد و ممکن است گشتاور موتور را برای محدود کردن کشش جریان محدود کند.

4. آستانه قطع UVP: بین 2.7 ولت و 2.8 ولت تنظیم کنید. BMS برای جلوگیری از انحلال مس مسیر تخلیه را به طور کامل می بندد.

باید تایمرهای تاخیر را برای این تنظیمات UVP پیکربندی کنید. تأخیر معمولی 2 تا 5 ثانیه از کاهش ولتاژ گذرا در طول رویدادهای WOT جلوگیری می کند که باعث قطع شدن مزاحم شود. اگر در حین شتاب گیری سخت، ولتاژ به کمتر از 2.7 ولت تنها برای 500 میلی ثانیه کاهش یابد، تایمر از خاموش شدن جلوگیری می کند. اگر ولتاژ برای 3 ثانیه کامل زیر 2.7 ولت باقی بماند، BMS یک سلول واقعی تخلیه شده را تشخیص داده و کنتاکتور را باز می کند.

استراتژی های تعادل سلولی

تعادل سلولی تضمین می کند که تمام سلول های یک رشته سری به طور همزمان به حداکثر شارژ خود می رسند. بدون تعادل، سلولی با کمترین ظرفیت، انرژی قابل استفاده کل بسته را دیکته می کند. شما باید بین استراتژی های متعادل کننده فعال و غیرفعال بر اساس اندازه بسته و کاربرد انتخاب کنید.

متعادل سازی غیرفعال با عبور جریان از طریق مقاومت های بای پس، ولتاژ اضافی را از سلول های دارای بالاترین شارژ خارج می کند و انرژی را به صورت گرما تلف می کند. برای سلول‌های کیسه‌ای NMC با کیفیت بالا، تعادل غیرفعال معمولاً کافی است. جریان متعادل کننده معمولاً کوچک است و از 50 میلی آمپر تا 200 میلی آمپر متغیر است. به خاطر داشته باشید که یک مقاومت 50 میلی آمپری برای متعادل کردن یک سلول 76 آمپر ساعتی که به شدت نامتعادل است، روزها طول می کشد، به همین دلیل است که بالانس اولیه روی نیمکت قبل از مونتاژ بسته نهایی بسیار مهم است.

BMS باید تعادل غیرفعال را فقط در نزدیکی بالای چرخه شارژ، معمولاً بالای 4.0 ولت در هر سلول، آغاز کند. تلاش برای متعادل کردن سلول ها در طول بخش مسطح منحنی تخلیه (حدود 3.6 ولت) بسیار خطرناک است. از آنجایی که تفاوت ولتاژ در ناحیه فلات حداقل است، BMS ممکن است تغییرات جزئی در مقاومت داخلی را به عنوان عدم تعادل ظرفیت تعبیر کند که منجر به اقدامات متعادل کننده نادرست و معکوس شود.

جبران دما و محدودیت های حرارتی

آستانه ولتاژ ثابت نیست. آنها باید به صورت دینامیکی بر اساس دمای محیط و سلول داخلی تنظیم شوند. یک BMS قوی از چندین ترمیستور استفاده می کند که مستقیماً روی زبانه های سلولی و بدنه کیسه قرار می گیرد تا داده های حرارتی را در زمان واقعی نظارت کند. قرار دادن ترمیستورها روی شین‌ها سریع‌ترین زمان پاسخ را برای تشخیص گرمایش با جریان بالا فراهم می‌کند.

شارژ سلول‌های NMC در دمای انجماد (0 درجه سانتی‌گراد) یا کمتر از آن، خطر اجرای جدی را به همراه دارد. در دماهای پایین، ادغام یون های لیتیوم در آند گرافیت به شدت کاهش می یابد. اگر جریان های شارژ استاندارد را در دمای انجماد اعمال کنید، یون های لیتیوم نمی توانند به اندازه کافی سریع به آند نفوذ کنند. آنها روی سطح جمع می شوند و باعث آبکاری دائمی لیتیوم می شوند.

برای جلوگیری از این امر، BMS باید محدودیت های حرارتی شدیدی را اعمال کند. زیر 5 درجه سانتیگراد، BMS باید جریان شارژ مجاز را به شدت کاهش دهد. در دمای 0 درجه سانتیگراد یا کمتر از آن، BMS باید جریان شارژ را کاملاً غیرفعال کند و در عین حال اجازه تخلیه با نرخ پایین را بدهد. قطع کردن دمای بالا به همان اندازه حیاتی است. اگر دمای سلول بیش از 60 درجه سانتیگراد باشد، شارژ و تخلیه باید غیرفعال شود تا از فرار حرارتی جلوگیری شود. سیستم های خنک کننده مایع فعال باید با BMS ادغام شوند تا بسته را در پنجره بهینه 20 تا 35 درجه سانتیگراد حفظ کنند.

نمایه های شارژ و بهینه سازی چرخه عمر

چرخه جریان ثابت / ولتاژ ثابت (CC/CV).

بسته‌های NMC سطح بالا به مشخصات شارژ دقیق جریان ثابت / ولتاژ ثابت (CC/CV) نیاز دارند. این فرآیند دو مرحله ای شارژ کامل و ایمن را بدون تجاوز از حداکثر آستانه ولتاژ تضمین می کند. شما باید سخت افزار شارژ خود را طوری برنامه ریزی کنید که دقیقاً این ترتیب را دنبال کند.

در مرحله انبوه (CC)، شارژر یک جریان ثابت و حداکثر مجاز را به بسته باتری می دهد. با جذب انرژی پک، ولتاژ به طور پیوسته افزایش می یابد. این مرحله تا زمانی ادامه می یابد که بالاترین سلول در بسته به ولتاژ جذب هدف، معمولاً 4.2 ولت برسد. فاز CC تقریباً 80٪ تا 90٪ از کل شارژ را ارائه می دهد. سلول‌هایی با مقاومت داخلی بالاتر، زودتر به این آستانه ولتاژ می‌رسند و شارژر را زودتر از موعد به فاز بعدی منتقل می‌کنند.

هنگامی که ولتاژ هدف وارد می شود، شارژر به مرحله جذب (CV) منتقل می شود. شارژر ولتاژ را کاملاً در 4.2 ولت ثابت نگه می دارد. هنگامی که سلول به اشباع کامل می رسد، مقاومت داخلی آن به عقب رانده می شود و باعث می شود جریان پذیرفته شده به طور طبیعی کاهش یابد. خاتمه شارژ بر اساس این کاهش جریان بسیار مهم است. چرخه شارژ باید زمانی به طور کامل خاتمه یابد که جریان به یک آستانه از پیش تعیین شده، معمولاً 0.05 درجه سانتیگراد کاهش یابد. نگه داشتن سلول در 4.2 ولت به طور نامحدود باعث شارژ بیش از حد میکرو و تخریب سریع می شود.

عوامل مؤثر بر ارزش کلی: ظرفیت در مقابل طول عمر

تنظیم ولتاژ شارژ هدف نیاز به یک چارچوب تصمیم گیری بر اساس اهداف کاربردی خاص شما دارد. شما باید مبادله بین حداکثر محدوده مطلق و توان کل انرژی طول عمر را ارزیابی کنید.

ولتاژ شارژ هدف	ظرفیت قابل استفاده در هر چرخه	عمر چرخه تخمینی	مورد استفاده اولیه
4.20 ولت	100%	500 - 800 چرخه	خودروهای الکتریکی عملکردی، پهپادها
4.10 ولت	90%	1200 - 1500 چرخه	خودروهای برقی مسافربری، دریایی
4.05 ولت	80%	بیش از 2000 چرخه	شبکه ذخیره سازی، بانک های خورشیدی

شارژ یک بسته NMC تا 4.2 ولت حداکثر برد فوری را فراهم می کند، اما ساختار کاتد را تحت فشار قرار می دهد و در نتیجه طول عمر کمتری دارد. کاهش ولتاژ هدف به 4.05 ولت، 20 درصد ظرفیت را قربانی می کند. با این حال، این کاهش تنش شیمیایی می تواند به راحتی طول عمر چرخه بسته را دو یا سه برابر کند. برای ذخیره‌سازی ثابت یا برنامه‌هایی که حداکثر برد روزانه حیاتی نیست، کاهش ولتاژ شارژ، توان کل انرژی در طول عمر بسیار عالی را به همراه دارد.

نتیجه گیری

استقرار ایمن و کارآمد شیمی NMC به پایبندی دقیق به پنجره عملیاتی 2.5-4.2 ولت بستگی دارد. قابلیت اطمینان واقعی سیستم نیاز به یک پیکربندی پویا BMS دارد که به طور فعال افت ولتاژ، نوسانات دما، و اهداف عمر چرخه خاص را محاسبه می کند. انتخاب سخت افزار و پارامترهای نرم افزار باید در هماهنگی کامل کار کنند.

مراحل عملی زیر را برای ایمن کردن طراحی سیستم باتری خود انجام دهید:

1. برگه های اطلاعات سازنده سلول خود را بررسی کنید تا مقاومت داخلی DC دقیق و حداکثر محدودیت های C-rate پیوسته برای ماژول های خاص خود را استخراج کنید.

2. الزامات عمر چرخه برنامه خود را برای ایجاد ولتاژ شارژ هدف ثابت تعیین کنید، بین 4.2 ولت برای حداکثر ظرفیت یا 4.05 ولت برای طول عمر طولانی تصمیم بگیرید.

3. BMS خود را با 3 ثانیه تأخیر در آستانه حفاظت در برابر ولتاژ برنامه ریزی کنید تا از خاموش شدن مزاحم در طول رویدادهای شتاب با جریان بالا جلوگیری کنید.

4. مشخصات شارژ CC/CV خود را در شرایط بار شبیه‌سازی‌شده نمونه‌سازی کنید تا بررسی کنید که پایان شارژ دقیقاً در جریان ۰.۰۵ درجه سانتی‌گراد مخروطی رخ می‌دهد.

5. برای پشتیبانی مهندسی تخصصی در مورد انتخاب سلول و معماری سیستم، با ما تماس بگیرید تا پارامترهای BMS خود را با سخت افزارهای سطح بالا تراز کنید.

سوالات متداول

س: حداکثر ولتاژ مطلق برای سلول کیسه ای NMC چقدر است؟

A: حداکثر مطلق ولتاژ پایانه 4.20 ولت در هر سلول است. فراتر از این حد باعث آسیب های شیمیایی برگشت ناپذیری از جمله آبکاری لیتیوم، اکسیداسیون الکترولیت، تولید گاز و تورم مکانیکی کیسه می شود.

س: چقدر می توانید باتری NMC را قبل از ایجاد آسیب به طور ایمن تخلیه کنید؟

A: حد پایین ایمن معمولاً 2.5 ولت تا 2.8 ولت تحت بار است. تخلیه کمتر از 2.5 ولت باعث می شود که کلکتور جریان مس روی آند حل شود و منجر به اتصال کوتاه داخلی و از دست دادن ظرفیت دائمی شود.

س: حداکثر کاهش ولتاژ در هر سلول در طول دریچه گاز باز (WOT) قابل قبول است؟

A: در طول یک رویداد بار سنگین مانند WOT، کاهش موقت ولتاژ 0.2 ولت تا 0.4 ولت در هر سلول طبیعی است. افت دقیق بستگی به مقاومت داخلی سلول و جذب جریان خاص دارد. تأخیرهای BMS باید از این افتادگی جلوگیری کند که باعث خاموش شدن شود.

س: چرا ولتاژ پایانه سلول بلافاصله پس از شارژ شدن بالاتر می رود؟

پاسخ: این به دلیل بار سطحی است. واکنش های شیمیایی در داخل سلول به زمان نیاز دارد تا پس از توقف جریان شارژ به تعادل برسد. ولتاژ به طور طبیعی طی چند ساعت به ولتاژ مدار باز واقعی خود (OCV) می رسد.

س: چگونه محدود کردن ولتاژ شارژ باعث بهبود عمر چرخه باتری می شود؟

A: شارژ تا 4.2 ولت حداکثر فشار را بر ساختار کاتد وارد می کند. با محدود کردن پیک شارژ به 4.05 ولت یا 4.1 ولت، این تنش شیمیایی و مکانیکی را کاهش می دهید. این مقدار کمی از ظرفیت قابل استفاده را قربانی می کند، اما می تواند تعداد کل چرخه های شارژ باتری را دو برابر کند.