Jak łączyć ogniwa Li ion o różnych parametrach ?

Wprowadzenie

Krótkim wprowadzeniem, akumulatory w naszych urządzeniach często są zbudowane z wielu ogniw, tak aby mogły sprostać wymaganemu napięciu pracy zasilanego urządzenia lub aby wydłużyć jego pracę. W tym celu łączymy je szeregowo oraz równolegle.

W tym poradniku chciałbym nakreślić w jaki sposób wykonać te połączenia, tak aby maksymalnie wykorzystać parametry wszystkich wykorzystanych ogniw oraz wydłużyć ich żywotność.

Najwygodniej operując na przykładnie małego akumulatora 4S5P (4 Series , 5 Parallel)(4 Szeregowo , 5 Równolegle) [ 4 x 3.7V = 14.8V ]

W idealnym świecie mając do czynienia z idealnymi akumulatorami, każde z ogniw miałoby tę samą pojemność (Ah / Wh). Skupmy się na Ah i przyjmijmy, że wszystkie ogniwa mają 3.5Ah oraz ich pojemność nie zmienia się wraz z cyklowaniem (przypadek idealny).

W tym wypadku wystarczy aby jednorazowo ogniwa zostały sprowadzone do tego samego napięcia przed zgrzaniem.

Przyjmijmy, że zostały naładowane do 4.2V. W takiej sytuacji po połączeniu każda sekcja powinna mieć również 4.2V.

Załóżmy również, że ich SoC (poziom naładowania ang. State of Charge) jest wtedy równy 100%.

Przykładając obciążenie rozładowujemy je do 2.5V (SoC = 0%).

Tak zachowuje się idealny akumulator oraz do takiego stanu rzeczy chcemy dążyć.

Niestety w realnym świecie akumulatory różnią się między sobą i należy stosować metody opisane niżej aby jak najbardziej zbliżyć się do stanu idealnego.

Metody łączenia ogniw

Przyjmijmy, że ogniwa zostały ponumerowane {1,2,3,4 … 19,20}.
Załóżmy, że ogniwa o numerach 1-4, 5-8, 9-12, 13-16, 17-20 stanowią 5 partii o pojemnościach 3460mAh(1-4), 3425mAh(5-8), 3440mAh(9-12), 3475mAh(13-16), 3450mAh(17-20).

Partie mogą symbolizować rózne daty produkcji/partie, ale też różne modele ogniw czy nawet różnice między pojemnościami w ogniwach pryzmatycznych z cylindrycznymi.

Rozważmy 3 metody połączeń tych ogniw :

Zastanówmy się teraz nad pojemnościami poszczególnych sekcji 1-4S.

Losowo 1S : 3425 + 3460 + 3460 +3440 + 3425 = 17 210 mAh

Losowo 2S : 3425 + 3460 + 3425 + 3460 +3450 = 17 220 mAh

Losowo 3S : 3475 + 3475 +3450 +3475 +3440 = 17 315 mAh

Losowo 4S : 3440 + 3440 +3450 + 3475 + 3450 = 17 255 mAh

 

Szeregowo 1S: 4 x 3460 + 3450 = 17 290 mAh

Szeregowo 2S: 4 x 3425 +3450 = 17 150 mAh

Szeregowo 3S: 4 x 3440 + 3450 = 17 210 mAh

Szeregowo 4S: 4 x 3475 + 3450  = 17 350 mAh

 

Równolegle 1S : 3460 + 3425 + 3440 + 3475 + 3450 = 17 250 mAh

Równolegle 2S : 3460 + 3425 + 3440 + 3475 + 3450 = 17 250 mAh

Równolegle 3S : 3460 + 3425 + 3440 + 3475 + 3450 = 17 250 mAh

Równolegle 4S : 3460 + 3425 + 3440 + 3475 + 3450 = 17 250 mAh

Załóżmy dla uproszczenia, że ogniwa zostały złożone przy napięciu 2.5V, więc SoC = 0%.

Aby uprościć zagadnienie, sprowadźmy je do porzekadła :

“Łańcuch jest tak mocny, jak jego najsłabsze ogniwo(…)”

Posiadając ogniwa połączone szeregowo chcemy aby przy ładowaniu nie zostały one przeładowane. To znaczy tym samym, że nie chcemy aby osiągneły napięcie wyższe niż 4.2V.

W trakcie ładowania wszystkie ogniwa ładują się równomiernie tym samym prądem, zatem stan naładowania wyznaczać będzie ogniwo o najmniejszej pojemności.

Losowo 1S : 17 210 / 17 210 mAh (100% SoC)

Losowo 2S : 17 210 / 17 220 mAh (<100% SoC)

Losowo 3S : 17 210 / 17 315 mAh (<100% SoC)

Losowo 4S : 17 210 / 17 255 mAh (<100% SoC)

Delta Max = 17 315 – 17 210 = 105 mAh

 

Szeregowo 1S: 17 150 / 17 290 mAh (<100% SoC)

Szeregowo 2S: 17 150 / 17 150 mAh  (100% SoC)

Szeregowo 3S: 17 150 / 17 210 mAh (<100% SoC)

Szeregowo 4S: 17 150 / 17 350 mAh (<100% SoC)

Delta Max = 17 350 – 17 150 = 200 mAh

 

Równolegle 1S : 17 250 / 17 250 mAh (100% SoC)

Równolegle 2S : 17 250 / 17 250 mAh (100% SoC)

Równolegle 3S : 17 250 / 17 250 mAh (100% SoC)

Równolegle 4S : 17 250 / 17 250 mAh (100% SoC)

Delta Max = 17 250 – 17 250 = 0 mAh

Jak widać najlepszym ze sposobów okazało się podzielenie ogniw na partie a następnie utworzenie połączeń szeregowych o tej samej pojemności.

Obecnie nie jest to takie łatwe, aby uzyskać dobrą dokładność pomiarów pojemności ogniwa należy stosować sprzęt pomiarowy o wysokiej klasie i rozdzielczości pomiaru. Niestety dużo popularnych urządzeń na rynku oferuje pomiar pojemności ogniwa, który jest jedynie orientacyjną wielkością. Pomiar pojemności ogniwa przyrządami takimi jak IMAX B6, Litokala czy OPUS i tym podobne można porównać do mierzenia grubości włosa za pomocą suwmiarki. Za każdym razem otrzymamy inny wynik 🙂 ale to temat na inny artykuł.

Dlaczego jest to tak ważne ?

Jak wiadomo, akumulatory których używamy wyposażone są w elektronikę (BMS), która ma za zadanie dopilnować m.in. aby akumulator nie został nadmiernie rozładowany/naładowany. Niektóre wyposażone są w zabezpieczenie przeciwzwarciowe, a jeszcze inne w balanser czujniki temperatury oraz mnóstwo innych funkcji, mających na celu monitorowanie aby nasz akumulator pracował prawidłowo.

Balansowanie ogniw polega na tym aby za każdym razem ogniwa z każdej sekcji ładowały się do 100% SoC.

Super ! Czyli wszystko co napisane jest w tym artykule staje się nieważne po podłączeniu BMS ?  – Nie do końca.

Balansowanie ogniw choć daje tę możliwość, niesie za sobą konsekwencje. Mianowicie ogniwo, które jest balansowane zużywa się w trakcie ładowania.

A będąc bardziej dokładnym musi rozładować się na tyle aby pokryć różnicę wynikającą z niedopasowania sekcji (Delta Max).

Przyjrzyjmy się raz  jeszcze naszym pakietom 4S5P :

Losowo : Delta Max = 17 315 – 17 210 = 105 mAh

Szeregowo : Delta Max = 17 350 – 17 150 = 200 mAh

Równolegle : Delta Max = 17 250 – 17 250 = 0 mAh

Zastanówmy się najpierw nad czasem balansowania tych ogniw. Wiemy, że w małych BMSach balansowanie odbywa się prądem 50-180mA .

Zakładając taki scenariusz samo balansowanie w najlepszym przypadku potrwa odpowiednio

 

Dla prądu balansowania 50mA:

Losowo : 105 mAh / 50mA = 2h 6 min

Szeregowo : 200 mAh / 50mA = 4h 0 min

Równolegle :  0 mAh / 50mA = 0 h 0 min

 

Dla prądu balansowania 180mA:

Losowo : 105 mAh / 180mA = 35 min

Szeregowo : 200 mAh / 180mA = 1h 6 min

Równolegle :  0 mAh / 180mA = 0 h 0 min

 

Aby wybalansować takie ogniwa należy poświęcić Delta Max / Ilość ogniw w połączeniu równoległym na najgorszą sekcję co daje

Losowo : 105 mAh / 5 = 21 mAh -> 21/~3450 = 0.006 cyklu więcej na każde ładowanie

Szeregowo :  200 mAh / 5 = 40 mAh  -> 40/~3450 =  0.011 cyklu więcej na każde ładowanie

Równolegle : 0 mAh

Problem tym bardziej narasta im bardziej zużyty jest pakiet. Sekcje zaczynają mieć inną liczbę cykli.

Wraz z inną liczbą cykli zaczynają się pojawiać coraz większe różnice między sekcjami.

Sekcje coraz dłużej się balansują nabijając coraz więcej cykli w trakcie ładowania.

W tym artykule pomineliśmy wszystkie kwestie związane ze złym doborem RW ogniw w połączeniach równoległych oraz wpływie nierównej rezystancji połączeń pomiędzy sekcjami.

Te tematy zostawimy na następny artykuł.

Jeśli ten artykuł Ci się spodobał udostępnij go znajomym.