Da die Welt immer abhängiger von der Technologie wird, die mit Lithium-Ionen-Batterien betrieben wird, steigt die Nachfrage nach effizienteren und leistungsstärkeren Batteriepaketen. Designlösungen für seriell parallele Lithium-Ionen-Batteriepack-Module ziehen die Aufmerksamkeit von Ingenieuren und Entwicklern von Lithium-Batteriepacks auf sich Batteriepack-Designindustrie für verschiedene Anwendungen.
Warum bevorzugen immer mehr Produktmanager die Entwicklung paralleler, serieller und seriell paralleler Batteriepakete?
Im Jahr 2024 entscheiden sich mehr Menschen aus zwei Hauptgründen für parallele, serielle und seriell parallele Lithium-Ionen-Akku-Designs:
1) Batterien mit mehr als 100 Wattstunden (Wh) können nicht an Bord von Flugzeugen mitgeführt werden, daher sind parallele, serielle und seriell parallele Batteriepakete optimaler.
2) Parallele, serielle und seriell-parallele Batteriepack-Designs bieten einen bequemen Austausch, Portabilität und flexible Konfiguration für spezielle Anwendungen wie große Outdoor-Geräte.
Was sind parallele, serielle und seriell parallele Lithium-Ionen-Akkus?
1. Lithium-Ionen-Akkus der Serie
Bei einem seriellen Akkupack-Design hingegen werden die Akkupacks Ende an Ende verbunden, um die Spannung der Akkupacks zu erhöhen. Der Hauptvorteil des seriellen wiederaufladbaren Batteriepacks besteht darin, dass er eine höhere Spannung hat, während der Nachteil darin besteht, dass er im Vergleich zu parallelen Batteriepacks eine geringere Kapazität und einen geringeren Entladestrom hat.
Das gepunktete Kästchen in der Abbildung oben stellt das BMS dar, wobei der Widerstand R1 die Impedanz des MOS darstellt. Wenn der MOS eingeschaltet ist, befindet sich der MOS in einem Zustand niedriger Impedanz, vorausgesetzt, dass R1 = 0.001 Ω; Wenn der MOS nicht eingeschaltet ist, befindet sich der MOS in einem hochohmigen Zustand, vorausgesetzt, dass R1 = 1000 MΩ.
Nehmen Sie als Beispiel 4 Lithiumbatterien in Reihe. Das schematische Diagramm nach der Reihenschaltung wird wie folgt vereinfacht.
Es wird davon ausgegangen, dass die Spannung jeder Batterie 4 V beträgt. Wenn sich das BMS aller 4 Batterien im Leitungszustand befindet.
That is, R1=R2=R3=R4=0.001Ω;
Die Spannung an jedem Widerstand beträgt U1, U2, U3 bzw. U4;
Then, U1=U2=U3=U4=4V.
Wenn das BMS der ersten der 4 Zellen alle in einem nichtleitenden Zustand ist,
Das heißt, R1=1000MΩ; R2=R3=R4=0.001Ω;
Die Spannung an jedem Widerstand beträgt U1, U2, U3 bzw. U4;
Then, U1≈16V; U2=U3=U4≈0V.
Nach der obigen Analyse kann die folgende Schlussfolgerung gezogen werden:
Nachdem mehrere LiPo-Akkus in Reihe geschaltet wurden und das BMS eines der LiPo-Akkus einen Schutz auslöst und der MOS in einen hochohmigen Zustand wechselt, halten die MOS-Anschlüsse fast der gesamten Spannung des gesamten Stromkreises stand. Wenn in diesem Fall die Gesamtspannung die Grenze des MOS überschreitet, brennt der MOS durch.
Daher dürfen nur Batterien in Reihe geschaltet werden, die für die Reihenschaltung ausgelegt sind, und die Anzahl der Strings darf den Auslegungswert nicht überschreiten.
2. Parallele Lithium-Ionen-Akkus
Ein paralleles Batteriepack-Design verbindet einzelne Batteriezellen parallel, um die Kapazität des Batteriepacks zu erhöhen. Die parallele Batterieschaltung wird häufig bei Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Stromabgabe erfordern. Zu den Vorteilen der Parallelschaltung von Batterien gehört die Möglichkeit, Kapazität und Entladeströme zu erhöhen. Dieses Design erfordert jedoch die Entwicklung umfangreicher Technologien für das Batteriemanagementsystem (BMS).
Nehmen wir als Beispiel vier parallel geschaltete Lithiumbatterien. Das vereinfachte schematische Diagramm sieht wie folgt aus. Die Spannung jeder Batterie beträgt U4, U1, U2, U3. Der Innenwiderstand jeder Batterie beträgt R4, R1, R2, R3.
Angenommen R1 = R2 = R3 = R4 = 0.03 Ω
Im Idealfall ist U1=U2=U3=U4, die Schaltung funktioniert normal;
Wenn U1>U2=U3=U4, lädt Batterie 1 die Batterien 2, 3 und 4.
Der Ladestrom kann vereinfacht dargestellt werden als:
Ladestrom für Akkus 2, 3, 4.
I2 = I3 = I4 = (U1 – U2) / (0.03 + 0.03/3) / 3
Unter der Annahme, dass U1 = 12 V, U2 = U3 = U4 = 9 V, ergibt das Einsetzen der obigen Formel:
I2=I3=I4=25A
Nach der obigen Berechnung lässt sich folgendes schlussfolgern:
1. Wenn der Druckunterschied bei parallel geschalteten Lithiumbatterien gering genug ist, ist dies möglich.
2. Wenn die Lithiumbatterie mit einem relativ großen Druckunterschied parallel geschaltet wird, wird ein großer Momentanstrom erzeugt, der die Batterie beschädigen kann.
3. Serienparallele Lithium-Ionen-Akkus
Ein seriell-paralleles Batteriepack-Design kombiniert die Eigenschaften von parallelen und seriellen Batteriepacks. Dieser Batterietyp ermöglicht eine höhere Spannung und Kapazität sowie eine höhere Entladestromabgabe. Der Hauptnachteil der Parallel-Serien-Batterieschaltung sind die erhöhten Kosten.
Modulare vs. zentrale Batteriemanagementsysteme (BMS): Was ist besser für Ihr Batteriepack-Design?
Bei der Entwicklung eines Batteriemanagementsystems (BMS) müssen Ingenieure sicherstellen, dass die Batteriezellen ein gutes Gleichgewicht zwischen Zyklen und Betriebstemperatur aufrechterhalten. Die Batteriezellen müssen während der Entlade- und Ladezyklen den gleichen Ladezustand (SOC) beibehalten. Bei CM Batteriesnutzt unser CTO Berechnungen und Simulationen, um Systeme zu entwerfen, die die Sicherheit des Batteriepacks gewährleisten und die Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Batterie verlängern.
CM Batteries bietet folgende BMS-Designoptionen:
Wie in Abbildung 1 dargestellt, ist das modulare BMS in viele identische Untermodule unterteilt. Jedes Paket verfügt über Kabel, die verschiedene Teile des Panels verbinden, um jeden einzelnen Bereich der Batterie zu überwachen. Ein BMS-Modul dient als „Master“, der für die Planung des gesamten Pakets und die Kommunikation mit der Außenwelt verantwortlich ist. Das „Slave“-BMS kommuniziert über den Kommunikationsbus mit dem „Master“-BMS, beide erfüllen jedoch letztendlich die gleiche Funktion.
Vorteile:
- Miniaturisierung des zentralen BMS: Bietet mehrere Kaskaden und die meisten Vorteile eines zentralen BMS, einschließlich einfacher Wartung, geringerer Kosten usw.
- Kleinere Einzelmodulgröße: Das Submodul zum einzelnen Batteriekabel ist relativ kurz und kann näher an der Batterie positioniert werden, um versteckte Probleme und Fehler durch zu lange Kabel zu vermeiden.
- Einfache Erweiterung: Für eine Erweiterung können weitere Untermodule hinzugefügt werden.
Nachteile:
- Erfordert mehr Kabel als ein zentrales BMS: Ein modulares BMS muss nicht nur mit dem Batteriepaket verbunden werden, sondern jedes Modul muss auch zwischen den Kabeln angeschlossen werden.
- Höhere Kosten: Obwohl die Funktion jedes Moduls gleich ist, werden nicht alle Funktionen genutzt, was zu Verschwendung führt, insbesondere wenn man bedenkt, dass das Slave-Modul nur einen geringen Nutzen hat.
Da wir der Meinung sind, dass dieses Design nicht besonders effizient ist, CM Batteries bietet eine verbesserte Version dieses BMS-Designs, wie in Abbildung 2 dargestellt.
Bei diesem Design trennen wir die Slave-Module entsprechend den unterschiedlichen Funktionen von Master und Slave und entfernen die Funktionen, die von den Slave-Modulen nicht genutzt werden, sodass wir die Kosten erheblich senken können.
Das Haupt-BMS ist für vergleichsweise mehr Funktionen verantwortlich, wie Berechnung, Vorhersage, Entscheidungsfindung, Kommunikation usw. Das Slave-Modul ist nur für die Messung verantwortlich. Dieses Design übernimmt die meisten Vorteile der modularen Struktur und reduziert gleichzeitig die Erweiterungskosten.
Es ist auch eine verteilte BMS-Designlösung verfügbar, die sich durch eine hohe Verbindungszuverlässigkeit, keine übermäßig langen Kabel und eine enge Integration von Batterie- und Messschaltkreisen auszeichnet, um Störungen und Fehler zu reduzieren. Dieses Modell ist sicherer. Aufgrund der hohen Kosten und des äußerst komplizierten Prozesses ist es jedoch für viele Kunden nicht das Design der Wahl.
Parallele, serielle und seriell-parallele Batteriepack-Designoptionen werden bei Batteriepack-Lösungen immer beliebter, insbesondere für Outdoor-Geräteanwendungen. Aufgrund der Beschränkungen hinsichtlich der maximalen Stromkapazität der Batterien an Bord von Flügen und der Bequemlichkeit und Flexibilität, die diese Designs bieten, wird erwartet, dass sich im Laufe des Jahres 2024 immer mehr Menschen für parallele, serielle und seriell-parallele Batteriepacklösungen entscheiden. Jedes Modell hat seine Vor- und Nachteile, und ein sorgfältiges Design des Batteriemanagementsystems (BMS) ist entscheidend, um den sicheren Betrieb, die Zuverlässigkeit und die längere Lebensdauer jeder Batterie zu gewährleisten. Modulare BMS-Designlösungen können unterschiedliche Anforderungen erfüllen und Kosten senken die Ingenieure bei CM Batteries sind hier, um Ihnen dabei zu helfen.
