Qual é a aplicação do balanceamento de células em baterias de lítio?

Venho desmontando baterias e projetando BMS há quase 12 anos. Cada vez que alguém me pergunta "o que exatamente o balanceamento faz?", eu apenas mostro duas fotos: uma é um pacote de e-bike de 36 V com 2-anos{5}}de 36 V sem balanceamento (metade das células em 1,8 V, o restante em 4,18 V), a outra é o mesmo lote com um balanceador passivo de 100 mA (todas as células ainda dentro de 12 mV após três anos). Esse é o ponto principal em uma imagem.

Em matilhas reais, as células nunca nascem iguais. Pegue 100 células-novas da Samsung 50E da mesma bandeja: a distribuição de capacidade é geralmente de ±30 mAh, a taxa de auto-descarga pode variar de 2 a 3 vezes e a resistência interna pode variar de 3 a 5 mΩ. Após 200 ciclos, os fracos ficam ainda mais para trás. Sem balanceamento, a capacidade do pacote é ditada pela célula mais fraca em carga e pela célula mais forte em descarga. Você perde de 20 a 40% da capacidade utilizável apenas no primeiro ano.

Active Cell Balancing

Existem apenas duas maneiras pelas quais as pessoas realmente se equilibram na produção:

Isto é o que 95% das embalagens com menos de 20 kWh utilizam.
Fichas reais que você verá nos tabuleiros:

TI BQ769x2 / BQ769x3 / BQ78z100

Dispositivos analógicos LTC6804 / LTC6811 / LTC6813

Máximo MAX14920 / MAX14921

NXPMC33771/MC33772

Corrente de purga típica: 80–150 mA (BQ76952 pode empurrar 220 mA se você colocar dois pinos em paralelo).
Valor do resistor na produção em massa: quase sempre pacote de 27 Ω ou 33 Ω 2512 1 W.
Configurações de gatilho que eu realmente uso:
Comece o sangramento em 15–25 mV acima da média da embalagem durante a CV, pare quando o delta cair abaixo de 6–8 mV.
Se você tentar perseguir 2 mV, você apenas cozinhará a placa para sempre.

O calor é o verdadeiro problema. Um pacote de scooter 16s com sangramento de 100 mA pode despejar 7–8 W diretamente no BMS PCB. É por isso que aquelas pranchas baratas de e-bike de 20{7}} dólares se deformam e racham depois de um verão sob o sol.

Depois de ultrapassar ~ 30 kWh, quase todo mundo muda para ativo.

Exemplos-do mundo real que desmontei:

Tesla Modelo S/X (2012–2021): pequenos tijolos DC-DC no HVJB, aproximadamente 1 A por módulo

BMW i3 (todos os anos): módulo transformador indutivo, relação 24 para 1, cerca de 2 A

Pacotes BYD Blade: placas de capacitores-voadoras baseadas no projeto de referência Infineon TLF35568

Monstros chineses de armazenamento estacionário: módulos DC{0}}DC isolados movendo de 15 a 20 A em toda a cadeia de 700 V

Placas-de{1}}prateleira que as pessoas realmente compram:

1–2 Uma placa de capacitor voador-verde do AliExpress (aquelas com 8 a 16 pequenos relés)

Heltec / Orion BMS Gen4 / REC Q / Dilithium: 5–8 A com resfriamento decente

Cell Balancing

A maioria dos OEMs só se equilibra entre os 10–15% superiores do SoC porque a curva de tensão é muito plana abaixo de 3,45 V (NMC) ou 3,40 V (LFP).
Tesla waits until >90% SoC e executa o balanceamento apenas nos últimos 30 a 60 minutos de carga.
Meus registros do BMW i3 de 2017 mostram que o balanceador indutivo só acorda quando delta > 30 mV e corrente de pacote < 5 A.

Tenho uma gaveta cheia de pacotes de veículos elétricos de baixa-velocidade de 2016–2018 da China continental que economizaram US$ 0,80 ao excluir os resistores de purga. Após 18 meses, as células fracas ficam negativas a cada descarga, o cobre se dissolve, os dendritos crescem, o separador derrete, dispara. Vi pacotes de 72 V 20 Ah caírem para 8–9 Ah utilizáveis em 14 meses. Coloque um balanceador ativo de $ 12 neles e eles voltarão para 18–19 Ah. Lição aprendida da maneira mais difícil.

Menos de 15 kWh → passivo está bom e permanecerá para sempre (scooters, ferramentas elétricas, drones)

400 V+ or >50 kWh → ativo ou você trocará módulos todos os anos

Cada EV vendido hoje tem balanceamento. A única variável é se é um resistor de 33 Ω ou uma placa ativa de US$ 300.

Isso é equilíbrio celular. Nada mágico. Apenas impedindo que as células boas fossem arrastadas pelo irmão preguiçoso que decidiu envelhecer mais rápido.

Cell Balancing