การปรับสมดุลแบตเตอรี่: จะยืดอายุแบตเตอรี่ได้อย่างไร?

เหตุใดแบตเตอรี่จึงต้องมีการปรับสมดุล

ในเทคโนโลยีแบตเตอรี่สมัยใหม่ เรามักพบคำว่า 'การปรับสมดุลแบตเตอรี่' แต่หมายความว่าอย่างไร สาเหตุที่แท้จริงอยู่ที่กระบวนการผลิตและวัสดุที่ใช้ในแบตเตอรี่ ซึ่งนำไปสู่ความแตกต่างระหว่างแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่ ความแตกต่างเหล่านี้ยังได้รับอิทธิพลจากสภาพแวดล้อมที่ใช้งานแบตเตอรี่ เช่น อุณหภูมิและความชื้น ความแปรผันเหล่านี้มักแสดงออกมาเป็นความแตกต่างของแรงดันไฟแบตเตอรี่ นอกจากนี้ แบตเตอรี่จะคายประจุเองตามธรรมชาติเนื่องจากการหลุดของวัสดุออกฤทธิ์ออกจากอิเล็กโทรดและความต่างศักย์ระหว่างแผ่น อัตราการคายประจุเองอาจแตกต่างกันไปตามแบตเตอรี่เนื่องจากความแตกต่างในกระบวนการผลิต

ลองอธิบายสิ่งนี้ด้วยตัวอย่าง: สมมติว่าในชุดแบตเตอรี่ เซลล์หนึ่งมีสถานะการชาร์จ (SOC) สูงกว่าเซลล์อื่นๆ ในระหว่างกระบวนการชาร์จ เซลล์นี้จะชาร์จจนเต็มก่อน ทำให้เซลล์ที่เหลือที่ยังชาร์จไม่เต็มหยุดชาร์จก่อนเวลาอันควร ในทางกลับกัน หากเซลล์หนึ่งมี SOC ต่ำกว่า เซลล์จะถึงแรงดันไฟฟ้าตัดการคายประจุก่อนในระหว่างการคายประจุ เพื่อป้องกันไม่ให้เซลล์อื่นๆ ปล่อยพลังงานที่เก็บไว้ออกมาจนหมด

นี่แสดงให้เห็นว่าไม่สามารถละเลยความแตกต่างระหว่างเซลล์แบตเตอรี่ได้ จากความเข้าใจนี้ จำเป็นต้องมีการปรับสมดุลแบตเตอรี่ เทคโนโลยีการปรับสมดุลแบตเตอรี่มีจุดมุ่งหมายเพื่อลดหรือกำจัดความแตกต่างระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ผ่านการแทรกแซงทางเทคนิคเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่และยืดอายุการใช้งาน การปรับสมดุลของแบตเตอรี่ไม่เพียงช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของชุดแบตเตอรี่เท่านั้น แต่ยังช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่อีกด้วย ดังนั้นการทำความเข้าใจสาระสำคัญและความสำคัญของการปรับสมดุลแบตเตอรี่จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งในการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงาน

ความหมายและความสำคัญของการปรับสมดุลแบตเตอรี่

คำนิยาม: การปรับสมดุลแบตเตอรี่หมายถึงการใช้เทคนิคและวิธีการเฉพาะเพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่จะรักษาแรงดันไฟฟ้า ความจุ และสภาวะการทำงานที่สม่ำเสมอ กระบวนการนี้มีจุดมุ่งหมายเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพแบตเตอรี่และเพิ่มอายุการใช้งานให้สูงสุดผ่านการแทรกแซงทางเทคนิค

ความสำคัญ: ประการแรก การปรับสมดุลแบตเตอรี่สามารถปรับปรุงประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดได้อย่างมาก ด้วยการปรับสมดุล จึงสามารถหลีกเลี่ยงการเสื่อมประสิทธิภาพที่เกิดจากการเสื่อมสภาพของเซลล์แต่ละเซลล์ได้ ประการที่สอง การปรับสมดุลช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่โดยการลดแรงดันไฟฟ้าและความจุที่แตกต่างกันระหว่างเซลล์ และลดความต้านทานภายใน ซึ่งช่วยยืดอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ สุดท้ายนี้ จากมุมมองด้านความปลอดภัย การใช้การปรับสมดุลแบตเตอรี่สามารถป้องกันการชาร์จไฟเกินหรือการคายประจุมากเกินไปของเซลล์แต่ละเซลล์ ซึ่งช่วยลดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยที่อาจเกิดขึ้น เช่น การระบายความร้อน

วิธีการปรับสมดุลแบตเตอรี่

การออกแบบแบตเตอรี่: เพื่อจัดการกับความไม่สอดคล้องกันของประสิทธิภาพระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ ผู้ผลิตแบตเตอรี่รายใหญ่จึงคิดค้นและเพิ่มประสิทธิภาพในด้านต่างๆ อย่างต่อเนื่อง เช่น การออกแบบแบตเตอรี่ การประกอบ การเลือกใช้วัสดุ การควบคุมกระบวนการผลิต และการบำรุงรักษา ความพยายามเหล่านี้รวมถึงการปรับปรุงการออกแบบเซลล์ การเพิ่มประสิทธิภาพการออกแบบบรรจุภัณฑ์ การปรับปรุงการควบคุมกระบวนการ การเลือกวัตถุดิบอย่างเคร่งครัด การเสริมสร้างการตรวจสอบการผลิต และการปรับปรุงสภาพการจัดเก็บ

BMS (ระบบตรวจสอบแบตเตอรี่) ฟังก์ชั่นการปรับสมดุล: ด้วยการปรับการกระจายพลังงานระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ BMS จะช่วยลดความไม่สอดคล้องกันและเพิ่มความจุและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ มีสองวิธีหลักในการบรรลุความสมดุลใน BMS: การปรับสมดุลแบบพาสซีฟและการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟ

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟหรือที่เรียกว่าการปรับสมดุลการกระจายพลังงาน ทำงานโดยการปล่อยพลังงานส่วนเกินออกจากเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าหรือความจุในรูปของความร้อน ซึ่งจะช่วยลดแรงดันไฟฟ้าและความจุเพื่อให้ตรงกับเซลล์อื่น กระบวนการนี้อาศัยตัวต้านทานแบบขนานที่เชื่อมต่อกับแต่ละเซลล์เป็นหลักเพื่อแบ่งพลังงานส่วนเกิน

เมื่อเซลล์มีประจุสูงกว่าเซลล์อื่นๆ พลังงานส่วนเกินจะกระจายไปผ่านตัวต้านทานแบบขนาน ทำให้เกิดความสมดุลกับเซลล์อื่นๆ เนื่องจากความเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ การปรับสมดุลแบบพาสซีฟจึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบแบตเตอรี่ต่างๆ อย่างไรก็ตาม มีข้อเสียเปรียบคือการสูญเสียพลังงานอย่างมาก เนื่องจากพลังงานจะกระจายไปในรูปความร้อนแทนที่จะนำไปใช้อย่างมีประสิทธิภาพ วิศวกรมักจะจำกัดกระแสสมดุลให้อยู่ในระดับต่ำ (ประมาณ 100mA) เพื่อให้โครงสร้างง่ายขึ้น กระบวนการปรับสมดุลจะใช้ชุดสายไฟเดียวกันกับกระบวนการรวบรวม และทั้งสองทำงานสลับกัน แม้ว่าการออกแบบนี้จะช่วยลดความซับซ้อนและต้นทุนของระบบ แต่ยังส่งผลให้ประสิทธิภาพในการสมดุลลดลง และใช้เวลานานขึ้นในการบรรลุผลลัพธ์ที่เห็นได้ชัดเจน การปรับสมดุลแบบพาสซีฟมีสองประเภทหลัก: ตัวต้านทานสับเปลี่ยนคงที่ และตัวต้านทานสับเปลี่ยนแบบสลับ แบบแรกจะเชื่อมต่อวงจรสับเปลี่ยนคงที่เพื่อป้องกันการชาร์จไฟเกิน ในขณะที่แบบหลังจะควบคุมสวิตช์เพื่อกระจายพลังงานส่วนเกินอย่างแม่นยำ

การปรับสมดุลที่ใช้งานอยู่

ในทางกลับกัน การปรับสมดุลเชิงรุกเป็นวิธีการจัดการพลังงานที่มีประสิทธิภาพมากกว่า แทนที่จะกระจายพลังงานส่วนเกิน เซลล์จะถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ที่มีความจุสูงกว่าไปยังเซลล์ที่มีความจุต่ำกว่า โดยใช้วงจรที่ออกแบบมาเป็นพิเศษที่รวมส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวเหนี่ยวนำ ตัวเก็บประจุ และหม้อแปลงไฟฟ้า ซึ่งไม่เพียงแต่ทำให้แรงดันไฟฟ้าระหว่างเซลล์สมดุลเท่านั้น แต่ยังเพิ่มอัตราการใช้พลังงานโดยรวมอีกด้วย

ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการชาร์จ เมื่อเซลล์ถึงขีดจำกัดแรงดันไฟฟ้าสูงสุด BMS จะเปิดใช้งานกลไกการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ โดยจะระบุเซลล์ที่มีความจุค่อนข้างต่ำกว่า และถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงไปยังเซลล์ไฟฟ้าแรงต่ำเหล่านี้ผ่านวงจรบาลานเซอร์ที่ออกแบบมาอย่างพิถีพิถัน กระบวนการนี้ทั้งแม่นยำและมีประสิทธิภาพ ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของชุดแบตเตอรี่ได้อย่างมาก

การปรับสมดุลทั้งแบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟมีบทบาทสำคัญในการเพิ่มความจุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ ยืดอายุการใช้งาน และปรับปรุงประสิทธิภาพโดยรวมของระบบ

เมื่อเปรียบเทียบเทคโนโลยีการปรับสมดุลแบบพาสซีฟและแบบแอคทีฟ จะเห็นได้ชัดว่ามีความแตกต่างกันอย่างมากในปรัชญาการออกแบบและการดำเนินการ โดยทั่วไปแล้ว การปรับสมดุลแบบแอคทีฟเกี่ยวข้องกับอัลกอริธึมที่ซับซ้อนในการคำนวณปริมาณพลังงานที่แน่นอนที่จะถ่ายโอน ในขณะที่การปรับสมดุลแบบพาสซีฟอาศัยการควบคุมจังหวะการทำงานของสวิตช์อย่างแม่นยำมากกว่าเพื่อกระจายพลังงานส่วนเกิน

ตลอดกระบวนการปรับสมดุล ระบบจะตรวจสอบการเปลี่ยนแปลงในพารามิเตอร์ของแต่ละเซลล์อย่างต่อเนื่องเพื่อให้แน่ใจว่าการดำเนินการปรับสมดุลไม่เพียงแต่มีประสิทธิผล แต่ยังปลอดภัยอีกด้วย เมื่อความแตกต่างระหว่างเซลล์อยู่ในช่วงที่ยอมรับได้ที่กำหนดไว้ล่วงหน้า ระบบจะสิ้นสุดการดำเนินการปรับสมดุล

ด้วยการเลือกวิธีการปรับสมดุลที่เหมาะสมอย่างระมัดระวัง การควบคุมความเร็วและระดับของการปรับสมดุลอย่างเข้มงวด และการจัดการความร้อนที่เกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการปรับสมดุลอย่างมีประสิทธิภาพ จะทำให้ประสิทธิภาพและอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ดีขึ้นอย่างมาก