Расширение батареи LFP: научное объяснение разницы в напряжении

Расширение существующего массива накопителей энергии на основе литий-железо-фосфата (LFP) через несколько месяцев или лет после установки сопряжено со значительными инженерными проблемами. Хотя химия LFP широко хвалится за ее термическую стабильность и длительный срок службы, добавление новых аккумуляторных модулей в устаревшую систему создает эксплуатационные опасности. Основная проблема заключается в тонкой электрохимии элементов LFP, а именно в том, как чрезвычайно плоская кривая разряда взаимодействует с деградацией внутреннего сопротивления с течением времени.

Кривая напряжения LFP: почему оценка состояния заряда становится сложной

В отличие от никель-марганцево-кобальтовых (NMC) или свинцово-кислотных элементов, элементы LFP демонстрируют отчетливое поведение при фазовом переходе во время зарядки и разрядки. Исследования, опубликованные в Журнале источников питания, показывают, что напряжение холостого хода LFP (OCV) остается почти постоянным в диапазоне оценки состояния заряда от 20% до 80%. Минутная разница напряжения всего в 10–20 милливольт может представлять собой расхождение в остаточной емкости от 30% до 40%.

Характеристики напряжения LFP в зависимости от состояния заряда (SoC)
3,4 В +---------------------------------------------------+ (почти полный)
     | /--------|
3,3 В | ====================================/ | <- Плоское плато OCV
     | (Дрейф 10 мВ соответствует отклонению SoC ~30%) | (20–80 % SoC)
3,2 В |/ |
3,0 В +---------------------------------------------------+ (почти пустой)
     0% 50% 100%

При интеграции новых модулей со старыми блоками этот плоский профиль делает выравнивание напряжения практически невозможным. Система не может определить истинную относительную мощность только на основе напряжения, что приводит к серьезному дисбалансу при изменении нагрузки.

Несоответствие внутреннего сопротивления и циркулирующие токи при старении LFP

Поскольку элементы LFP подвергаются циклическому заряду-разряду, рост межфазного слоя твердого электролита (SEI) увеличивает несоответствие внутреннего сопротивления их батареи. Старый модуль имеет более высокий внутренний импеданс и меньшую фактическую емкость, чем новый аналог.

При параллельном подключении более низкий импеданс новой батареи приводит к тому, что она поглощает непропорциональную долю тока заряда и обеспечивает более высокий ток разряда. Кроме того, в периоды простоя параллельные перекрестные токи батареи перетекают из новой батареи с более высоким потенциалом в старую упаковку с более низким потенциалом. Этот непрерывный циркулирующий ток генерирует локализованное тепло, ускоряет снижение мощности и рискует отключить устройства защиты от перегрузки по току.

Ограничения BMS при модернизации батареи LFP: объяснение балансировки

Стандартная архитектура хранения энергии опирается на протокол балансировки системы управления батареями для поддержания однородности ячеек. Пассивная балансировка рассеивает избыточную энергию в виде тепла через резисторы, обычно ограниченные небольшими токами (от 50 до 200 мА).

+------------------------------------------------------------------+
| Динамика системы модернизации LFP |
| +-----------------------+ +---------------------+ |
| | Новый модуль LFP | | Состаренный модуль LFP | |
| | Низкий R_int/Высокая капитализация | | Высокий R_int / Низкая капитализация | |
| +-----------+-----------+ +----------+----------+ |
| +============ Крест ===============+ |
| Токи |
| Проблема: пассивная балансировка BMS (50–200 мА) не может обеспечить мост |
| емкость на уровне ампер и разница в импедансе между поколениями. |
+------------------------------------------------------------------+

Эти балансировочные схемы предназначены для коррекции незначительных производственных допусков в пределах одной производственной партии, а не различий в нескольких амперах между элементами разных поколений. Когда во время расширения системы хранения энергии возникают большие разрывы в емкости и импедансе, стандартная пассивная балансировка не может выровнять массив. Старый модуль достигает нижнего предела напряжения задолго до того, как новый модуль разряжается, что вынуждает BMS преждевременно отключить всю систему и делает добавленную мощность непригодной для использования.

Снижение рисков расширения аккумуляторов LFP при хранении энергии

Чтобы безопасно увеличить мощность LFP, не сталкиваясь с разрушительными проблемами разрыва напряжения, операторы должны внедрить специальные инженерные средства управления, а не простое прямое параллельное подключение:

• Изолированные преобразователи постоянного тока. Разместите специальные преобразователи постоянного тока между отдельными цепочками батарей, чтобы активно регулировать поток мощности и изолировать перепады напряжения.
• Микроинверторы/оптимизаторы на уровне модуля: используйте распределенную силовую электронику для независимого управления каждым блоком в соответствии с его конкретным профилем состояния.
• Разделение на уровне строк: избегайте смешивания старых и новых пакетов на общей шине постоянного тока; вместо этого установите полностью независимые подмассивы постоянного тока, соединенные вместе на центральной шине переменного тока.
• Интеграция предварительного кондиционирования: перед вводом в эксплуатацию полностью зарядите как старые, так и новые блоки до их верхнего предела, чтобы максимально точно выровнять начальные состояния напряжения.

Понимание электрохимии, лежащей в основе разложения фосфата лития-железа, позволяет инженерам разрабатывать устойчивые архитектуры, которые позволяют избежать физических рисков, связанных с смешением поколений батарей.

JM Новые энергетические технологии

JM New Energy Technology Co., Ltd. — профессиональное предприятие, специализирующееся на проектировании, исследованиях и разработках, производстве и продаже литий-натрий-ионных аккумуляторов, а также интеграции систем хранения энергии «умного дома», а также промышленных и коммерческих решений по хранению энергии.

Наши батареи имеют множество различных конструкций, включая настенную конструкцию , штабелированную конструкцию , конструкцию стоечного шкафа , напольную конструкцию . Возможна индивидуальная настройка в соответствии с требованиями заказчика, а также емкость батарей от 1 кВт до 5 МВтч для опций.