アクティブ バランシングとパッシブ バランシング: リチウム バッテリー システムのガイド

を選択するときは、リチウム電池管理システム、技術的な違いを理解するアクティブとパッシブのバランシングバッテリーのパフォーマンスを最適化するための基本です。

リチウム バッテリー パックは、厳密に一致したパラメータで製造されていますが、製造時や周囲温度の変動により、動作中に個々のセルに電圧の不一致が生じる可能性があります。バッテリーパックの全体容量は最も弱いセルによって制限されるため、このような不均衡により利用可能なエネルギーが減少し、パックの耐用年数が短くなる可能性があります。

この問題に対処するには、Copow LiFePO4 バッテリー2 つの異なるバランシング方法を採用する BMS が特徴です。パッシブバランシング高電圧セルからの過剰なエネルギーを抵抗器を介して熱として放散します。{0}アクティブバランシングエネルギー貯蔵コンポーネントを使用して、高電圧セルから低電圧セルにエネルギーを転送します。{0}{1}{1}

この記事エネルギー効率、熱管理、アプリケーションコストの観点から、これら 2 つのアプローチの違いを分析します。、バッテリー容量と使用シナリオに基づいて正しい選択をするのに役立ちます。

バッテリーセルのバランスとは何ですか?また、それがリチウムシステムにおいて重要である理由は何ですか?

リチウム電池パックは通常、直列に接続された複数の個別のセルで構成されています。(たとえば、Tesla バッテリー パックには数千のセルが含まれています)。これらのセルは工場から出荷された時点では同一に見えますが、製造プロセス、周囲温度、経年変化などのわずかな違いにより、充電時と放電時の動作が異なります。

バッテリーバランシングは、電子回路を使用して電圧や電圧を調整するプロセスです。個々のセルの充電状態バッテリーパック内でこれらの違いを排除し、パック全体で一貫したパフォーマンスを保証します。

なぜ重要なのでしょうか? （「バケツ効果」）

リチウム電池システムの性能は、最弱の細胞。バランスを調整しないと、次の問題が発生します。

• 充電が制限されている (充填不足):充電中に、1 つのセルが最初にその容量に達すると、過充電や爆発の可能性を防ぐために、システムはパック全体の充電を停止する必要があります。これにより、他のセルは部分的にしか充電されず (たとえば、80%)、使用可能な総容量が減少します。
• 限定的な放電（不完全な使用）：放電中に、1 つのセルが最初に電力を使い果たした場合、システムはそのセルを損傷から保護するために電力を遮断する必要があります。これは、他の細胞にまだエネルギーが残っている場合でも、強制的に停止することを意味します。
• 寿命の短縮:常に「過負荷」または「消耗」しているセルは、より早く劣化し、最終的にはバッテリー パック全体をダメにする悪循環を生み出します。{0}
• 安全上の問題:深刻な不均衡は個々のセルに過電圧または不足電圧を引き起こす可能性があり、これがトリガーとなる可能性があります。熱暴走（火災）.

一般的なバランス方法

アクティブ バランシングとパッシブ バランシング: 主な違いの説明

でリチウム電池管理システム, パッシブバランシングそしてアクティブバランシングは 2 つの異なる電圧調整戦略です。

両者の主な違いは、余剰エネルギーの処理方法にあります。パッシブ バランシングでは、抵抗器を介して高電圧セルのエネルギーを熱に変換し、電圧調整を実現します。一方、アクティブ バランシングでは、エネルギー貯蔵コンポーネントを使用して高電圧セルから低電圧セルにエネルギーを転送し、内部エネルギー循環を可能にします。-

1. 動作原理の比較

• パッシブバランシング (消散的):これは次のようなものです注ぐ満杯になったボトルからの余分な水。に接続されたスイッチング回路を使用します。抵抗器。より高い電圧のセルからの余剰エネルギーは、熱それらのレベルが残りのセルと一致するまで消散します。
• アクティブ バランシング (再分配):これは次のようなものです注ぐ満杯のボトルから空のボトルに余分な水を注ぎます。コンデンサ、インダクタ、または変圧器を「保管容器」として利用し、移行高電圧セルから低電圧セルに充電し、パック全体にエネルギーを再分配します。-

2. 主な違いの概要

3. アクティブ バランシングがどこでも使用されないのはなぜですか?

アクティブ バランシングの方が高速でエネルギーを節約できるのであれば、なぜほとんどの BMS ユニットは依然としてパッシブ バランシングを使用しているのでしょうか?

• 費用対効果-:パッシブバランスは非常に安価です。セルの一貫性が高いほとんどの新しいバッテリー パックでは、日常のメンテナンスにはパッシブ バランシングの微小な電流で十分です。
• 信頼性：ここでは、「パーツが増えれば問題も増える」というルールが適用されます。アクティブバランス回路は複雑であるため、単純で耐久性のある抵抗器に比べて故障率が高くなる可能性があります。
• サイズ/設置面積:アクティブ バランシング モジュールは多くの場合かさばるため、スマートフォン、ラップトップ、または軽量のバッテリー パックには適していません。

4. アクティブバランスが「ゲームチェンジャー」になるのはいつですか?

アクティブ バランシングには、次の 2 つの特定のシナリオにおいて明らかな利点があります。

• 大容量セル:280Ah の大容量セルの場合、100mA パッシブバランスでは 1% の偏差を修正するのに数週間かかる場合があります。アクティブバランサーなら数時間で完了します。
• 劣化した/再生されたバッテリー:細胞が老化すると、その能力は異なります。アクティブバランスが機能する可能性があります退院中、「強い」セルから「弱い」セルに電力を伝達し、古いパックの実際の走行距離や走行時間を大幅に延長します。

実際のアプリケーションにおけるバッテリーバランスの実践的なエンジニアリングの課題

エンジニアリングの実践では、バッテリーのバランス調整の実装は、基本的な充電および放電ロジックよりもはるかに複雑です。エンジニアは、周囲温度の変動、動的な電流サージ、{1}}電子部品の寿命.

システムの安定性を確保するには、回路効率と熱放散の間のトレードオフを最適化しながら、バランス戦略をさまざまなワークロードに適応させる必要があります。{0}この複雑さは、バランス ロジックが個々の電圧値を管理するだけでなく、バ​​ッテリーの経年変化曲線とハードウェアの長期信頼性も考慮する必要があることを意味します。-

1. 正確なバランス調整のタイミング (SoC 検出問題)

どのセルの充電が「高」であるかを判断することは、動的な動作条件下では非常に困難です。

• 静的干渉と動的干渉:バッテリーは充電および放電中に内部抵抗 (IR) により電圧降下を経験します。車両が加速中または坂道を登っているときに電圧を測定する場合（高電流放電）、内部抵抗がわずかに高いセルでは、実際の充電量が低くなくても、突然の電圧降下が発生する可能性があります。
• 電圧プラトーチャレンジ: リン酸鉄リチウム電池非常に平坦な電圧曲線を持っています。おおよその間20％と80％充電状態では、電圧はほとんど変化しません-場合によっては数ミリボルトしか変化しません。このような状況下では、標準BMSセンサーの精度 (通常 ±10 mV) は、セルが本当にアンバランスであるかどうかを判断するのに苦労します。
• エンジニアリング戦略:ほとんどの実際のシステムでは、バランスは、電圧曲線が急激に上昇し始める充電サイクルの終わりにのみ実行されます。

2. 熱管理と放熱の課題

熱管理はパッシブバランシングシステムにとって大きな懸念事項です。

• 局所的な過熱:パッシブバランスは、抵抗器を介して過剰なエネルギーを熱として放散します。複数のセルのバランスを同時にとると、BMS ボード上の抵抗アレイがかなりの熱を発生する可能性があります。不適切な熱設計により BMS の温度が上昇し、過熱保護が作動したり、近くのセルの劣化が加速したりして、逆不均衡が生じる可能性があります。-
• エネルギー密度と空間:ドローンなどの重量に敏感なデバイスでは、大きなヒートシンクを設置する余地がほとんどないため、最大許容バランス電流が制限されます。{0}

3. 電磁干渉 (EMI/EMC 問題)

EMI は、アクティブ平衡システムで特に顕著です。

• 高周波スイッチング ノイズ:アクティブ バランシングには、DC{0}}DC 変換または高周波コンデンサのスイッチング（通常は数百 kHz から MHz）が含まれます。-これにより重大な電磁干渉が発生し、BMS サンプリング チップの精度に影響を及ぼし、電圧読み取り値の変動を引き起こし、誤ったバランス決定につながる可能性があります。
• 設計の複雑さ:エンジニアは、測定信号からノイズを分離するために、高度な PCB レイアウト、シールド、およびフィルタリング回路に依存する必要があります。

4. トレードオフ: コスト、サイズ、信頼性

• コンポーネント数:アクティブバランスには、多数のインダクタ、トランス、または MOSFET が必要です。 100セルの場合エネルギー貯蔵システム、各セルがアクティブなバランシングを必要とする場合、コンポーネント数が増加し、大幅に削減されます。平均故障間隔 (MTBF).
• 静止電流 (自己消費):バランシング回路自体も電力を消費します。不適切な設計では、長期保管中に正常な細胞が消耗し、「深放電」による損傷が発生する可能性があります。-

5. 細胞の一貫性の進化（動的老化）

• 容量と抵抗の二重不均衡:バッテリーが古くなると、一部のセルは容量が低下し、他のセルは内部抵抗が増加します。
• エンジニアリングの罠:バランスが電圧のみに基づいている場合、システムは充電中にセル A を均等化する可能性があります。ただし、放電中はセル A の容量が低いため、最も速く遅れる可能性があります。システムは、根本的な容量の違いに対処することなく、エネルギーを絶えず前後に移動させることになります。-この現象は、「バランス振動」。

Copow LiFePO4 バッテリーバランス調整の「ベストプラクティス」

Copow では、通常、次のような妥協的なアプローチを採用しています。

• 高精度のサンプリング:-正確な電圧測定には、1 mV{2}} レベル-以上のアナログ フロントエンド（AFE）チップを使用します。-
• ハイブリッド戦略:パッシブ バランシングは、低電流、長期メンテナンスのためのデフォルトのソリューションとして機能します。{0}老朽化したシステムや超-大容量-パックの場合は、アクティブ バランシングが補足として追加されます。
• アルゴリズムシミュレーション:拡張カルマン フィルター (EKF) またはニューラル ネットワーク アルゴリズムを電流積分 (クーロン カウンティング) と組み合わせて使用​​して、SoC電圧測定だけに依存するのではなく。

Copow リン酸鉄リチウム電池のアクティブ バランシング技術は、電池管理のどのような主要な課題を解決しますか?

コパウ アクティブバランシングテクノロジーLiFePO4電池 大容量バッテリー パックの長期運用中のセルの一貫性の問題に対する解決策を提供します。{0}{1}{1}

この技術は、内部エネルギー伝達メカニズムを通じてセル間の電圧偏差を低減します。頻繁な充放電サイクルやディープサイクルを伴うアプリケーションでは、個々のセルの早期カットオフを防止し、それによって容量損失を最小限に抑え、バッテリーパックの実際に使用可能なエネルギーを増加させ、耐用年数を延長します。

1.「最も弱いリンク」効果を完全に排除し、使用可能な容量を最大化

• チャレンジ：バッテリーパックでは、全体の容量は「最も弱い」セルによって制限されます。充電中、1 つのセルが最大容量に達すると、パック全体が停止する必要があります。放電中、1 つのセルが空になったら、パック全体を切断する必要があります。
• コパウの解決策:抵抗器を介してエネルギーを熱として放散する従来のパッシブ バランシングとは異なり、Copow のアクティブ バランシングは、エネルギーを「強い」セルから「弱い」セルに転送します。これは、放電中、十分に充電されたセルが弱いセルを継続的に「サポート」し、パック全体が最後のエネルギーをすべて抽出できることを意味します。-公式データによると、この BMS はセルの不均衡を約 40% 削減できることが示されています。

• 2. LiFePO4 電池の「電圧プラトー」課題への対処

• チャレンジ： LiFePO4電池は非常に平坦な電圧曲線 (SoC の 20% と 80% の間で電圧がほとんど変化しない) を持っているため、従来の BMS システムがセルの不均衡を検出するのは困難です。
• コパウの解決策:Copow の BMS は、より高精度のサンプリング チップと洗練された制御ロジックを統合しています。{0}アクティブ バランシングは、充電終了時だけでなく、アイドル状態および放電状態でも継続的に動作します (通常、電圧差が 0.1 V を超えるとトリガーされます)。この 24 時間 365 日の監視メカニズムにより、LFP セルの平坦な電圧特性による不均衡の検出の困難さが補われます。

3. 高電流バランスと熱放散の間の矛盾を解決する-

• チャレンジ：大容量バッテリー（例: 200 Ah 以上）の場合、受動的バランス電流（通常はわずか 50～100 mA）では、マルチアンペアの不均衡を修正するには遅すぎます。-一方、抵抗-ベースの放散はかなりの熱を生成し、多くの場合、BMS 温度超過アラームがトリガーされます。-
• コパウの解決策:200 Ah を超える大容量モデルの場合、Copow には 1～2 A 対応のアクティブ バランシング モジュールが統合されています。このプロセスではエネルギーが散逸されるのではなく伝達されるため、発熱は最小限に抑えられます。激しい充放電条件下でも、システムはセルの差を迅速に均等化できます。

4. 長期使用時の耐用年数の延長-

• チャレンジ：バッテリーが古くなると、セルはさまざまな速度で劣化します。内部抵抗と容量の違いは時間の経過とともに拡大し、2 ～ 3 年後には大幅な性能低下を引き起こします。
• コパウの解決策:アクティブバランシングはエネルギーを継続的に再配分し、繰り返しの過充電または過放電によって引き起こされる個々のセルへの疲労損傷を軽減します。この「予防メンテナンス」は、セルの一貫性の低下を遅らせ、バッテリーパックの効果を維持するのに役立ちます。サイクル寿命3,000 ～ 5,000 サイクルの間で安定します。

あなたのアプリケーションにはどのバランス方法が適していますか?

の選択バランス方法コスト、スペース、パフォーマンス、アプリケーション シナリオによって異なります。

家庭用電化製品、電動自転車、または容量が 100 Ah 未満の小規模エネルギー貯蔵システムの場合、{0}パッシブバランシングより現実的な解決策です。シンプルな構造と低コストで適しており、熱損失は発生しますが、セルの一貫性が比較的良好な電池パックでは影響が最小限に抑えられます。

RV、高性能ゴルフ カート、-容量が 200 Ah を超えるオフグリッド太陽エネルギー貯蔵システムの補助バッテリーの場合、-アクティブバランシング明らかな利点を提供します。このアプローチは、1 A から 5 A への電流転送をサポートし、局所的な温度上昇を回避しながら、放電中に弱いセルを制御できるようにします。これは、航続可能距離を効果的に向上させ、バッテリー パックの寿命を延ばすため、ゴルフ カートが丘を登る場合や加速する場合など、大電流のシナリオでは特に重要です。{4}}

要約すると、パッシブ バランシングは軽量で低予算のアプリケーションに適していますが、アクティブ バランシングは、長い耐用年数を必要とする高強度、大容量のシステムに優先される必要があります。{{1}{1}}

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よくある質問

12V LiFePO4 BMS の標準的なパッシブバランス電流はどれくらいですか?

12V LiFePO4 BMS の典型的なパッシブバランス電流は通常非常に小さく、通常は次の範囲です。30mA～100mA（0.03A ～ 0.1A）。高電圧セルからの過剰なエネルギーを抵抗器を介して熱として放散することで機能し、充電の最終段階での微調整にのみ有効です。-

バッテリー システムでアクティブ バランシングが使用されるのはどのような場合ですか?

アクティブ バランシングは、エネルギー貯蔵システム、電気自動車、高電圧バッテリー パック、長期間の安定した動作を必要とする産業機器など、高性能と長寿命を必要とする複数のストリングを備えた大容量バッテリー システムに適しています。{{0}{1}{2}

これは、これらのアプリケーションでは、充放電サイクル数が増加するにつれて個々のバッテリー セル間の変動が時間の経過とともに蓄積され、パッシブ バランシングだけでこれらの変動を効果的に管理することが困難になるためです。{0}

12V LiFePO4 BMS の標準的なバランス電流はどれくらいですか?

12V (4 セル) LiFePO4 バッテリー用の BMS では、BMS の設計とコストに応じて、標準的なバランス電流の範囲は 30 ～ 100 ミリアンペアになります。

一部のハイエンドまたは工業グレードの BMS ユニットは 100～300 mA に達する場合がありますが、アクティブ バランシング スキームを採用したシステムではさらに高い電流（アンペアに達する）もあります。ただし、一般的な 12V バッテリのアプリケーションでは、ほとんどの製品は依然として主に数十ミリアンペアのバランス電流を使用しています。