Balansowanie aktywne w praktyce

W celu zobrazowania praktycznych zalet wykorzystania balansowania aktywnego, dostępnego w naszym układzie BMS KON-TEC, przeprowadziliśmy długofalowe testy porównawcze. Ich głównym założeniem było sprawdzenie, jak różne metody balansowania ogniw wpływają na zmiany pojemności zestawów akumulatorowych podczas wielokrotnych cykli ładowania i rozładowania.

W badaniu porównaliśmy autorski system BMS KON-TEC wyposażony w balansowanie aktywne z dostępnymi komercyjnie układami BMS wykorzystującymi balansowanie pasywne. Testy przeprowadzono na ogniwach litowo-jonowych typu NMC, które znajdują zastosowanie w różnych systemach magazynowania energii i bateriach trakcyjnych.

Na czym polega balansowanie ogniw w systemie BMS?

Balansowanie ogniw jest jednym z istotnych procesów wspierających prawidłową pracę baterii zbudowanych z wielu ogniw połączonych szeregowo. Jego zadaniem jest ograniczanie różnic pomiędzy stanami naładowania poszczególnych ogniw.

Nawet ogniwa o zbliżonych parametrach mogą z czasem wykazywać różnice w pojemności, rezystancji wewnętrznej i poziomie naładowania. Nierównomierna praca ogniw może sprawić, że jedno z nich wcześniej osiągnie dopuszczalną granicę napięcia, ograniczając możliwość dalszego ładowania lub rozładowania całego zestawu.

Odpowiednio dobrany system balansowania pomaga zmniejszać te różnice i umożliwia bardziej równomierne wykorzystanie dostępnej pojemności baterii.

Balansowanie pasywne – jak działa?

Balansowanie pasywne polega na rozpraszaniu części energii z ogniw o wyższym stanie naładowania, najczęściej w postaci ciepła wydzielanego na elementach rezystancyjnych.

Jest to rozwiązanie stosowane w wielu komercyjnych układach BMS ze względu na stosunkowo prostą konstrukcję. Jego ograniczeniem jest jednak to, że energia wykorzystywana podczas wyrównywania poziomu naładowania nie jest przekazywana do innych ogniw, lecz zostaje rozproszona.

Balansowanie aktywne – czym różni się od pasywnego?

Balansowanie aktywne umożliwia przenoszenie energii pomiędzy ogniwami lub ich grupami, zależnie od konstrukcji układu. Dzięki temu wyrównywanie stanów naładowania może odbywać się przy mniejszych stratach energii niż w przypadku rozwiązań pasywnych.

Tego rodzaju rozwiązanie zostało zastosowane w autorskim systemie BMS KON-TEC. Jego praktyczne działanie postanowiliśmy sprawdzić w testach porównawczych, analizując zmiany pojemności zestawów ogniw podczas wielokrotnego ładowania i rozładowania.

Test porównawczy BMS KON-TEC z balansowaniem aktywnym i pasywnym

Do przeprowadzenia testów przygotowaliśmy cztery zestawy ogniw litowo-jonowych NMC.

Dwa zestawy ogniw zostały podłączone do naszych autorskich układów BMS z balansowaniem aktywnym. Kolejne dwa zestawy współpracowały z dostępnymi komercyjnie systemami BMS wykorzystującymi balansowanie pasywne.

Celem długofalowego badania było porównanie zmian pojemności zestawów ogniw współpracujących z obiema technologiami balansowania.

Przebieg testów i liczba cykli ładowania

Każdy z czterech zestawów został poddany 400 cyklom ładowania i rozładowania. Łącznie wykonaliśmy 1600 cykli, co pozwoliło przeprowadzić porównanie zmian pojemności w badanym okresie.

W testach wykorzystano ogniwa NMC, dla których przyjęto orientacyjną żywotność wynoszącą około 800 cykli. Oznacza to, że przeprowadzone badanie objęło znaczącą część zakładanego okresu eksploatacji tych konkretnych ogniw.

Należy pamiętać, że rzeczywista żywotność ogniw NMC zależy od ich modelu, jakości wykonania, temperatury pracy, głębokości rozładowania i warunków ładowania. Podana liczba cykli odnosi się do założeń wykorzystanych w opisywanym teście i nie stanowi uniwersalnej wartości dla wszystkich ogniw NMC.

Wyniki testu – porównanie spadku pojemności ogniw

Poniżej prezentujemy wykres przedstawiający zmiany pojemności zestawów ogniw w kolejnych cyklach ładowania i rozładowania.

Pierwsza krzywa pokazuje średnią z pomiarów dwóch zestawów współpracujących z autorskim systemem BMS KON-TEC z balansowaniem aktywnym. Druga przedstawia średnią z pomiarów dwóch zestawów podłączonych do komercyjnych układów BMS z balansowaniem pasywnym.

Dla lepszej czytelności na wykresie uwzględniono również linie trendu, które ułatwiają obserwowanie kierunku zmian pojemności w czasie.

Jak interpretować przedstawione wyniki?

Podczas analizy wykresu warto zwrócić uwagę na tempo spadku pojemności obu grup zestawów oraz różnice pomiędzy liniami trendu.

Porównanie pozwala ocenić, czy w badanych warunkach sposób balansowania współwystępował z różnicami w zachowaniu pojemności ogniw podczas kolejnych cykli.

Trzeba jednak pamiętać, że na zmiany pojemności wpływa nie tylko metoda balansowania, lecz także charakterystyka samych ogniw, temperatura, prądy ładowania i rozładowania oraz pozostałe warunki testowe.

Z tego względu wyniki należy interpretować w odniesieniu do zastosowanych zestawów NMC i konkretnej konfiguracji badanych systemów BMS.

Dlaczego odpowiedni system balansowania jest ważny dla magazynu energii?

W magazynach energii i większych zestawach akumulatorowych nawet niewielkie różnice pomiędzy ogniwami mogą z czasem wpływać na ilość energii dostępnej dla użytkownika.

Jeżeli jedno z ogniw wcześniej osiąga granicę dopuszczalnego napięcia, system BMS może być zmuszony do ograniczenia lub zakończenia ładowania albo rozładowania całej baterii, mimo że pozostałe ogniwa mają jeszcze niewykorzystaną pojemność.

Balansowanie aktywne może wspierać bardziej równomierną pracę zestawu poprzez przekazywanie energii pomiędzy ogniwami. W zależności od konstrukcji baterii i warunków użytkowania może to przynosić korzyści w zakresie wykorzystania dostępnej energii.

Nie oznacza to jednak, że balansowanie aktywne zawsze zapewni większą żywotność niż pasywne. Efekt zależy od parametrów ogniw, konstrukcji BMS i sposobu eksploatacji całego zestawu.

Autorski BMS KON-TEC z balansowaniem aktywnym

Przeprowadzone testy stanowią element prac związanych z rozwojem i oceną działania naszego autorskiego systemu zarządzania baterią BMS.

Zastosowanie balansowania aktywnego pozwala nam wykorzystywać rozwiązanie oparte na przekazywaniu energii pomiędzy ogniwami, zamiast wyłącznie na jej rozpraszaniu podczas procesu wyrównywania stanów naładowania.

Porównanie wykonane na czterech zestawach ogniw NMC, obejmujące łącznie 1600 cykli ładowania i rozładowania, pozwala przeanalizować zachowanie obu technologii balansowania w warunkach przeprowadzonego badania.

Zachęcamy do zapoznania się z wykresem wyników oraz poznania rozwiązań KON-TEC w zakresie systemów zarządzania bateriami i magazynowania energii.