یک باتری چند سلولی نامتعادل از ضعیف ترین سلول برای تعیین ظرفیت کل سیستم استفاده می کند. این یک روش ناکارآمد برای تعیین ظرفیت است زیرا هر سلول به طور متفاوتی مستهلک می شوند. اطمینان از اینکه همه سلول‌ها ظرفیت یکسانی دارند، حتی با انتخاب دقیق، ممکن نیست. راه حل های مختلفی برای رفع این مشکل وجود دارد.
باتری‌های لیتیوم یونی، مانند سایر باتری‌ها، در حین شارژ و دشارژ به دلیل تغییرات شیمیایی در معرض فرآیند ساییدگی هستند. در باتری لیتیوم یون، آند از یک فویل مسی پوشیده شده با کربن یا یک ترکیب گرافیت تشکیل شده است. کاتد از یک ترکیب لیتیوم تشکیل شده است. الکترولیت بین الکترودها، نمک لیتیوم محلول است. بسته به مایع یا جامد بودن الکترولیت، از باتری های لیتیوم یونی یا لیتیوم پلیمری صحبت می شود.
سلول ها عمدتاً در مواد کاتد متفاوت هستند که می تواند شامل کبالت، منگنز، نیکل- کبالت، نیکل- کبالت- منگنز (NKM)، فسفات آهن یا تیتانیومات باشد. مواد کاتدی مختلف باعث چگالی انرژی، چگالی توان، ولتاژ اسمی و سیکل‌های شارژ ممکن می‌شوند.
شارژ نرم
روش به اصطلاح شارژ نرم( شارژ IU ) که برای چنین سلول هایی استفاده می شود، با جریان ثابت و ولتاژ ثابت (Constant Current = CC، Constant Voltage = CV ) کار می کند. در این روش:
مانند طول عمر، زمان شارژ نیز به عوامل مختلفی نظیر ظرفیت شارژ و دما بستگی دارد. زمان های کوتاه شارژ و دشارژ بر روی مواد الکترود اثر منفی می گذارد، به طوری که طول عمر و تعداد چرخه ها کوتاه می شود. شارژ و دشارژ نرم، طول عمر یک سلول لیتیوم یونی را به شدت افزایش می دهد!
آبکاری لیتیوم
شارژ سلول‌های لیتیوم یونی در جریان‌های بالا یا دماهای پایین، می‌تواند به تخریب آبکاری لیتیوم، منجر شود. یون‌های لیتیوم ترجیحاً به جای اینکه بین لایه‌های گرافیت قرار بگیرند، روی سطح آند رسوب می‌کنند. این اثر باعث کاهش قابل توجه عملکرد، دوام و ایمنی می شود. در موارد حاد، آبکاری لیتیومی حتی می‌تواند منجر به اتصال کوتاه یا آتش سوزی شود، زیرا لیتیوم فلزی به سرعت قابل اشتعال است. بسته به کیفیت و طراحی باتری، 500 تا بیش از 1000 چرخه شارژ رایج است. زمانی که باتری کمتر از 80 درصد ظرفیت اولیه آن باقی مانده باشد، فرسوده تلقی می شود.
مشکل
به اصطلاح خوشه‌ها یا بسته‌های باتری معمولاً از چندین سلول یا بلوک سلولی تشکیل شده‌اند که به صورت سری برای افزایش ولتاژ اسمی به هم متصل شده‌اند. به دلیل افزایش سن، نوساناتی در ظرفیت، مقاومت داخلی و سایر پارامترهای این سلول ها به وجود می آید. ضعیف ترین سلول، تعیین می کند که چه مقدار شارژ و تخلیه شود.
در استفاده عملی از باتری های چند سلولی متصل به صورت سری، این موضوع منجر به این واقعیت می شود که سلول ها به صورت متفاوت شارژ و دشارژ می شوند. دشارژ عمیق یا شارژ بیش از حد بحرانی در شبکه ، زمانی رخ می‌دهد که سلول‌های تکی بیش از حد شارژ می‌شوند و از ولتاژ شارژ نهایی فراتر می‌روند. بسته به نوع باتری، ممکن است صدمات جبران ناپذیری به تک تک سلول ها وارد شود و در نتیجه کل بسته باتری ظرفیت خود را از دست می دهد.
سیستم های مدیریت باتری ( BMS)
سیستم های مدیریت باتری ، مسئول کنترل و نظارت بر فرآیند شارژ و دشارژ بسته‌های باتری با کارایی بالا در برنامه‌های برق مستقل( E-Power) مانند وسایل نقلیه الکتریکی و هیبریدی، روباتیک یا موارد مشابه است. وظیفه اصلی آن این است که اطمینان حاصل کند که هر سلول منفرد ، هم در حین بارگیری و هم در تخلیه، از حد تعریف شده وضعیت شارژ (SoC) برای برنامه، تجاوز نمی کند یا کمتر از آن نمی باشد.
این واحدهای کنترل ضروری هستند، زیرا برای دستیابی به ظرفیت بیشتری از کل باتری، باید چندین سلول باتری را تجمیع کرد. متعادل کننده ها (بالانسرها) نقش مهمی را در چنین سیستم های مدیریت باتری ایفا می کنند.
در ادامه انواع تعادل سازی (بالانس) در باتری ها را مشاهده می کنیم:
تعادل فعال در حال حاضر برای خروجی های بزرگتر (e-power) در حوزه هایی مانند وسیله نقلیه الکتریکی (EV)، وسیله نقلیه الکتریکی باتری (BEV)، وسیله نقلیه الکتریکی هیبریدی (HEV) و خودروی برقی هیبریدی متصل PHEV)) استفاده می شود.
سوئیچینگ بیشتر در سیستم کنترل به طور طبیعی منجر به هزینه های اولیه بالاتر می شود، اما در عوض، این سیستم کنترل برای مدیریت باتری بسیار مفید است. با استفاده از یک کنترل شارژ رده بالا به همراه نرم‌افزاری هوشمند و تطبیقی، توزیع مجدد شارژ سلول‌های قوی به ضعیف - حتی در مدارهای سری مختلف - می‌تواند عمر مفید یک بسته باتری با کارایی بالا را به میزان قابل توجهی افزایش دهد.
حفاظت
در کاربردهای E-Power مانند وسایل نقلیه الکتریکی، بسته‌های باتری معمولاً سهم عمده ای از هزینه نهایی وسیله را تشکیل می دهند. مشتری حداکثر ظرفیت عملکرد، سریع ترین فرآیند شارژ ممکن، عمر طولانی و قابلیت اطمینان بالا را مدنظر دارد. الزاماتی که به سادگی با هم سازگار نیستند.
باتری‌های پایه لیتیومی نسبت به باتری‌های سرب اسیدی قوی، چگالی توان بیشتری دارند. با این حال به کم بودن یا زیاد بودن ولتاژ، بسیار حساس هستند. این امر مستلزم نظارت و محافظت برای جلوگیری از خرابی زودرس، گرمای بیش از حد یا حتی اتصال کوتاه سلول های جداگانه است. چنین پشتیبان‌هایی، باید سال‌ها بدون نقص کار کنند. آنها باید در برابر سرمای زمستان و گرمای تابستان و همچنین شوک ها و ارتعاشات مقاومت داشته باشند. همچنین باید اجازه دهند حداکثر جریان شارژ و تخلیه با حداقل تلفات عبور کند. روشن و خاموش کردن سریع و مقاومت چرخه ای نیز ضروری است.
فیوزهای سفارشی
بزرگترین دشمن باتری ها، دمای بیش از حد، اتصال کوتاه و جریان بیش از حد پالسی است. بسته به طراحی و هدف باتری با کارایی بالا، تمرکز باید روی محافظت در برابر جریان بیش از حد و/یا بیشتر بر روی دما باشد. با این حال، در بیشتر موارد، چندین مشکل احتمالی به طور همزمان در کنار هم قرار می گیرند. در عمل، این بدان معنی است که راه حل های سفارشی برای حفاظت مورد نیاز است. فیوزهای ترکیبی ضد پالس برای محافظت در برابر جریان و دمای بیش از حد، به کار گرفته می شوند. این کار با استفاده از فناوری تراشه برای اطمینان از مقاومت مکانیکی، انجام می شود.
"حداکثر چگالی توان با حداکثر ایمنی و طول عمر"، این رویکرد نه تنها برای تک تک سلول ها، بلکه برای کل واحد انرژی اعمال می شود.
جنبه اقتصادی
اگرچه همیشه می توان از آخرین تکنولوژی باتری استفاده کرد و همیشه بالاترین ظرفیت عملکرد ممکن را ارائه داد، با این حال، این انتخاب با هزینه های بالا همراه است . به همین دلیل، صنعت تمایل دارد بر اساس فناوری‌های بکارگرفته شده که میلیون‌ها بار خود را در برنامه‌های استاندارد (مانند نوت‌بوک) ثابت کرده‌اند، ارتقا دهد. در مرحله بعدی، فرآیندهای تولید بهینه می‌شوند، محدودیت‌های جریان ورودی و خروجی تعیین می‌شوند و مکانیسم‌های مقیاس‌بندی تا حد امکان توسعه می‌یابند. فرآیند شارژ و دشارژ هوشمند در آینده از اهمیت زیادی برخوردار خواهد بود. متعادل سازی بهینه، حداکثر عملکرد را با حداکثر طول عمر ترکیب می کند.
