Nowoczesne aplikacje wykorzystujące baterie wielokrotnego ładowania mają zazwyczaj wbudowane czujniki i obwody systemu zarządzania baterią (BMS). System BMS monitoruje napięcie, prąd i temperaturę systemu baterii wielokrotnego ładowania, niezależnie od tego, czy jest to pojedyncze ogniwo, moduł (grupa ogniw), czy zestaw baterii (grupa modułów). Monitorowanie napięcia i natężenia prądu płynącego z baterii zwykle nie wystarcza do określenia stanu baterii.
Monitorowanie temperatury akumulatora może ostrzegać o potencjalnych usterkach i szybko izolować lokalizacje usterek. System BMS monitoruje akumulatory, aby utrzymać temperaturę pracy w optymalnym zakresie. Zbyt gorąca bateria ulegnie degradacji lub awarii. Z kolei zbyt zimny akumulator będzie działał wolniej ze względu na wolniejsze wewnętrzne reakcje elektrochemiczne, co ograniczy jego możliwości.
Niniejsza biała księga przedstawia typowe problemy związane z temperaturą akumulatorów i pokazuje, w jaki sposób przyrządy testowe mogą pomóc w tworzeniu lepszych aplikacji zasilanych bateryjnie.
Typowe wyzwania związane z monitorowaniem temperatury akumulatora
Brak równowagi termicznej, gorące punkty akumulatora, niska wydajność i pojemność to obszary, na które należy zwracać uwagę podczas monitorowania temperatury akumulatora.
Kiedy użytkowanie powoduje brak równowagi termicznej
Aplikacje na dużą skalę zazwyczaj wykorzystują zestawy akumulatorów z modułami połączonymi szeregowo i równolegle. Czujniki termiczne umieszczone strategicznie w całym zestawie akumulatorów wykrywają zmiany temperatury. Nierównowaga termiczna dużego zestawu baterii zwykle zaczyna się od nierównomierności ogniw baterii wpływających na ich napięcie ładowania i rozładowania. Z biegiem czasu nierównomierność ta przyspiesza, a niektóre ogniwa są przeładowywane lub nadmiernie rozładowywane, co powoduje nieproporcjonalne przegrzewanie się akumulatorów.
Nierównowagę termiczną można zminimalizować za pomocą systemu BMS do równoważenia ogniw, wyrównywania napięć i stanu naładowania (SOC) między ogniwami przy pełnym naładowaniu. Producenci akumulatorów mogą również wybierać partie ogniw o bardzo zbliżonym napięciu obwodu otwartego, aby tworzyć zestawy akumulatorów i minimalizować wahania SOC.
Projekt aplikacji produktu może również powodować nierównowagę termiczną. Na przykład, system chłodzenia akumulatorów nie jest wystarczająco skuteczny w niektórych trudnych warunkach zewnętrznych.
Gorące punkty akumulatora
Monitorowanie temperatury akumulatora pomaga wykrywać gorące punkty. W zależności od tego, jak krytyczne jest zastosowanie akumulatora, czasami wystarczy kilka czujników rozmieszczonych strategicznie w całym zestawie akumulatorów. Jednak w zastosowaniach wymagających krytycznej wydajności, takich jak pojazdy elektryczne, można umieścić czujnik temperatury na każdym module akumulatora.
Hotspoty mają tendencję do występowania na słabych ogniwach akumulatora. Słabe ogniwa akumulatora są podatne na przeciążenia i ulegają stopniowej degradacji. W rezultacie nagrzewają się one podczas pracy bardziej niż normalne, dobre ogniwa, ponieważ nie są w stanie nadążyć za wydajnością dobrych ogniw.
Gorące punkty mogą również ostrzegać o potencjalnym uszkodzeniu ogniw lub modułów baterii. Fizyczne uderzenie w zestaw akumulatorów może przebić lub zdeformować wewnętrzną strukturę ogniwa akumulatora, taką jak elektrody lub separator polimerowy. Jeśli tak się stanie i nie nastąpi żadna interwencja, uszkodzenie ogniwa akumulatora może ulec degradacji i potencjalnie spowodować niekontrolowany wzrost temperatury. Może to doprowadzić do pożaru i wybuchu, dlatego ważne jest, aby wykrywać hotspoty, lokalizować uszkodzone ogniwa i szybko je wymieniać.
Inne przyczyny hotspotów obejmują słabe połączenia zacisków, wady komponentów rozpraszających ciepło i zwarcia kabli zewnętrznych.
Niska wydajność i pojemność użytkowa akumulatora
Monitorowanie temperatury akumulatora stanowi proaktywny proces w zamkniętej pętli, który pozwala utrzymać optymalne zakresy temperatur ładowania i rozładowywania akumulatorów.
Niskie temperatury powodują spowolnienie działania akumulatora ze względu na wolniejsze reakcje elektrochemiczne. W rezultacie wydajność akumulatora znacznie spada, a akumulator może nawet przestać działać.
Większe obawy pojawiają się, gdy system akumulatorów działa w temperaturach przekraczających specyfikacje producenta. Żywotność baterii ulegnie pogorszeniu, a słabsze baterie mogą bardziej odbiegać od tych o dobrej wydajności. W tym momencie zaczyna pojawiać się nierównowaga termiczna i hotspoty.
Niezależne urządzenia testujące monitorują temperaturę baterii
Dostępnych jest wiele komercyjnych systemów zarządzania akumulatorami do wszelkiego rodzaju zastosowań, od urządzeń Internetu rzeczy (IoT) po wysokonapięciowe aplikacje motoryzacyjne. Podstawowe funkcje obejmują ochronę nadprądową, ochronę przed przepięciem, ochronę przed przeładowaniem, ochronę przed przegrzaniem, ochronę przed zbyt niskim napięciem, równoważenie ogniw, SOC i stan zdrowia.