સેલ બેલેન્સિંગ શું છે?

સેલ બેલેન્સિંગ બેટરી પેકમાં વ્યક્તિગત કોષોમાં વોલ્ટેજ અને ચાર્જની સ્થિતિને સમાન બનાવે છે. આ પ્રક્રિયા કેટલાક કોષોને વધુ ચાર્જ થવાથી અટકાવે છે જ્યારે અન્ય ઓછા ચાર્જ થયેલા રહે છે, જે અન્યથા પેકની કુલ ઉપયોગી ક્ષમતાને મર્યાદિત કરે છે અને અધોગતિને વેગ આપે છે.

આ ટેકનિક મુખ્યત્વે લિથિયમ આયન બેટરી પેક રૂપરેખાંકન પર લાગુ થાય છે જ્યાં કોષો શ્રેણીમાં જોડાય છે. જ્યારે ચાર્જિંગ અથવા ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન એક કોષ તેની વોલ્ટેજ મર્યાદા સુધી પહોંચે છે, ત્યારે સમગ્ર પૅકનું સંચાલન બંધ કરવું જોઈએ-ભલે અન્ય કોષોની ક્ષમતા બાકી હોય.

ઉત્પાદનની વિવિધતાઓ થોડી અલગ ક્ષમતાઓ, અવરોધો અને સ્વ-સ્રાવ દરો સાથે કોષો બનાવે છે. સમાન ઉત્પાદન બેચના કોષો પણ આ તફાવતો દર્શાવે છે. પુનરાવર્તિત ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર પર, આ નાના ફેરફારો નોંધપાત્ર અસંતુલનમાં પરિણમે છે.

અસંતુલિત પેક દરેક ચક્ર પર નેમપ્લેટની ક્ષમતા કરતાં 10% ઓછું વિતરિત કરી શકે છે, દરેક કોષ પર ડિગ્રેડેશન વધારતી વખતે વપરાશકર્તાઓએ ચૂકવેલ ઊર્જાને લોક કરી શકે છે. ગણિત સીધું છે: 100 શ્રેણીના કોષો સાથે 1000 kWh સિસ્ટમમાં, જો એક કોષ 90% ચાર્જની સ્થિતિમાં બેસે છે જ્યારે અન્ય 100% સુધી પહોંચે છે, તો સમગ્ર પેક 999 kWh સંગ્રહિત હોવા છતાં માત્ર 900 kWh સુધી પહોંચી શકે છે.

તાપમાનના ઢાળ સમસ્યાને વધુ ખરાબ કરે છે. મોટર્સ અથવા ઇલેક્ટ્રોનિક્સની નજીકના કોષો ઊંચા તાપમાનનો અનુભવ કરે છે, જે તેમની આંતરિક રસાયણશાસ્ત્રને ઠંડા કોષો કરતાં અલગ રીતે બદલે છે. આ પર્યાવરણીય પરિબળ પ્રારંભિક સંતુલન પછી પણ ચાલુ અસંતુલન બનાવે છે.

અસંતુલિત કોષો બેટરી પેકના જીવનકાળને 30% સુધી ઘટાડી શકે છે, ખાસ કરીને LiFePO4 અથવા NMC જેવા રસાયણશાસ્ત્રમાં. સૌથી નબળો કોષ નક્કી કરે છે કે ક્યારે ચાર્જિંગ બંધ થવું જોઈએ અને જ્યારે ડિસ્ચાર્જિંગ તેની મર્યાદા સુધી પહોંચે છે-એક ઘટનાને ઈજનેરો "સૌથી નબળી કડી" અસર કહે છે.

ત્રણ પ્રાથમિક પદ્ધતિઓ a માં કોષોને સંતુલનમાંથી બહાર કાઢે છેલિથિયમ આયન બેટરી પેક:

ચાર્જ તફાવતોની સ્થિતિજ્યારે કોષો એસેમ્બલી દરમિયાન અસમાન ચાર્જ સ્તર સાથે શરૂ થાય છે અથવા અલગ સ્વ-સ્રાવ દર વિકસાવે છે ત્યારે બહાર આવે છે. તેના પડોશીઓ કરતાં 0.1% ઝડપથી ડિસ્ચાર્જ થતો કોષ, પુનરાવર્તિત ચક્ર પછી 4.4% નીચો જશે, જેમ કે બેટરી રસાયણશાસ્ત્ર સંશોધનમાં દસ્તાવેજીકૃત છે.

ક્ષમતા મેળ ખાતી નથીથાય છે કારણ કે કોઈ બે કોષો સમાન ઉર્જા સંગ્રહ કરવાની ક્ષમતા ધરાવતા નથી. ઉત્પાદન પ્રક્રિયાઓ ચુસ્ત સ્પષ્ટીકરણોમાં પણ 2-5% ક્ષમતાના તફાવત સાથે કોષો બનાવે છે. જેમ જેમ કોષો અલગ-અલગ દરે વૃદ્ધ થાય છે, તેમ આ વિચલન વધે છે.

અવબાધ ભિન્નતાકોષો વર્તમાન પ્રવાહને અલગ રીતે પ્રતિસાદ આપવાનું કારણ બને છે. કેટલાક કોષોમાં ઉચ્ચ આંતરિક પ્રતિકારનો અર્થ એ છે કે તેઓ ચાર્જિંગ દરમિયાન વહેલા વોલ્ટેજની મર્યાદા સુધી પહોંચી જાય છે અને ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન ઝડપથી કટઓફ વોલ્ટેજ પર જાય છે.

જો મહત્તમ ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ માત્ર 10% થી વધી જાય, તો ડિગ્રેડેશન રેટ 30% વધે છે. વોલ્ટેજ અને ડિગ્રેડેશન વચ્ચેનો આ ઘાતાંકીય સંબંધ દીર્ધાયુષ્ય માટે ચોક્કસ સંતુલનને મહત્વપૂર્ણ બનાવે છે.

Cell Balancing

નિષ્ક્રિય સંતુલન પ્રતિરોધકો દ્વારા ઉષ્મા તરીકે વિસર્જન કરીને ઉચ્ચ-ચાર્જ કરેલ કોષોમાંથી વધારાની ઊર્જાને દૂર કરે છે. સિસ્ટમ દરેક કોષના વોલ્ટેજનું નિરીક્ષણ કરે છે અને લક્ષ્ય સ્તરથી ઉપરના કોષોમાંથી ચાર્જને બ્લીડ કરવા માટે બાયપાસ રેઝિસ્ટરને સક્રિય કરે છે.

હાર્ડવેર સીધું છે: દરેક કોષ સ્વીચ દ્વારા શંટ રેઝિસ્ટર સાથે જોડાય છે, સામાન્ય રીતે MOSFET. જ્યારે બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ થ્રેશોલ્ડ કરતાં વધુ સેલ વોલ્ટેજ શોધી કાઢે છે, ત્યારે તે કોષની સ્વીચ બંધ કરે છે, જ્યાં સુધી વોલ્ટેજ સમાન ન થાય ત્યાં સુધી રેઝિસ્ટર દ્વારા વર્તમાનને રૂટીંગ કરે છે.

ઓપરેટિંગ પરિમાણો: લાક્ષણિક નિષ્ક્રિય પ્રણાલીઓ 50-200 mA વચ્ચેના બાયપાસ પ્રવાહોનો ઉપયોગ કરે છે. બેલેન્સિંગ રેઝિસ્ટર મૂલ્ય નિર્ધારિત કરે છે કે લિથિયમ-આયન એપ્લિકેશન્સ માટે સામાન્ય મૂલ્યો 20-100 ઓહ્મ સુધીની રેન્જમાં- વધારાનો ચાર્જ કેટલી ઝડપથી વિસર્જન કરે છે.

જ્યારે પેકમાં બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત હોય ત્યારે પદ્ધતિ ચાર્જિંગ દરમિયાન શ્રેષ્ઠ કામ કરે છે. લિથિયમ-આયન બેટરીમાં ખૂબ જ ઓછા સ્વ-સ્રાવ સાથે, જ્યાં ચક્ર દીઠ સંચિત અસંતુલન સામાન્ય રીતે 0.1% કરતાં ઓછું હોય છે, પેકને સતત સંતુલિત રાખવા માટે આંતરિક FETsનો બાયપાસ કરંટ પૂરતો છે.

ફાયદા: ઓછી કિંમત, સરળ સર્કિટરી અને ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતા નિષ્ક્રિય સંતુલનને ગ્રાહક ઇલેક્ટ્રોનિક્સ અને નાના બેટરી પેક માટે પ્રમાણભૂત પસંદગી બનાવે છે. ઘટકો મોટા ડિઝાઇન ફેરફારો વિના હાલની બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સમાં સરળતાથી એકીકૃત થાય છે.

મર્યાદાઓ: ઉર્જાનો કચરો એ પ્રાથમિક ખામી છે - 100% વધારાનો ચાર્જ ક્ષીણ કોષોમાં સ્થાનાંતરિત થવાને બદલે ગરમીમાં રૂપાંતરિત થાય છે. આ એકંદર સિસ્ટમ કાર્યક્ષમતા ઘટાડે છે અને એપ્લિકેશનો માટે નિષ્ક્રિય સંતુલનને મર્યાદિત કરે છે જ્યાં સમય મર્યાદિત નથી. ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન, નિષ્ક્રિય સંતુલન રનટાઈમ ટૂંકાવે છે કારણ કે તે ઊર્જાને પુનઃવિતરિત કરવાને બદલે માત્ર દૂર કરે છે.

સક્રિય સંતુલન પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સનો ઉપયોગ કરીને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ કોષોથી નીચલા-વોલ્ટેજ કોષોમાં ચાર્જ ટ્રાન્સફર કરે છે. ઉષ્મા તરીકે ઉર્જાનો બગાડ કરવાને બદલે, સિસ્ટમ તેને જ્યાં જરૂર હોય ત્યાં ખસેડે છે.

ત્રણ મુખ્ય ટોપોલોજી ચાર્જ ટ્રાન્સફરનું સંચાલન કરે છે:

કેપેસિટીવ શટલીંગકામચલાઉ ઊર્જા સંગ્રહ તરીકે કેપેસિટરનો ઉપયોગ કરે છે. સિસ્ટમ કેપેસિટરને ઉચ્ચ-વોલ્ટેજ સેલ સાથે જોડે છે, તેને ચાર્જ કરે છે, પછી તેને ડિસ્ચાર્જ માટે ઓછા-વોલ્ટેજ સેલમાં સ્વિચ કરે છે. કોષો સમાન ન થાય ત્યાં સુધી આ વારંવાર થાય છે. આ પદ્ધતિ નજીકના કોષો માટે સારી રીતે કામ કરે છે પરંતુ પેકમાં લાંબા અંતર પર બિનકાર્યક્ષમ બની જાય છે.

પ્રેરક સંતુલનકોષો વચ્ચે ઊર્જા સ્થાનાંતરિત કરવા માટે ઇન્ડક્ટર અથવા ટ્રાન્સફોર્મર્સનો ઉપયોગ કરે છે. DC-DC કન્વર્ટર ચાર્જને એક કોષમાંથી બીજા કોષમાં ખસેડવા માટે જરૂરી વોલ્ટેજ કન્વર્ઝનને હેન્ડલ કરે છે. તાજેતરના સંશોધનો દર્શાવે છે કે ચાર્જિંગ દરમિયાન પરંપરાગત પદ્ધતિઓ માટે 9.2 કલાકની સરખામણીમાં હાઇબ્રિડ ડ્યુટી સાયકલ બેલેન્સિંગ પદ્ધતિએ 6.0 કલાકમાં સમાનતા પ્રાપ્ત કરી છે.

બાયડાયરેક્શનલ DC{{0}DC કન્વર્ટરપેકમાંના કોઈપણ કોષો વચ્ચે અથવા વ્યક્તિગત કોષો અને સમગ્ર પેક વચ્ચે કોઈપણ દિશામાં ઉર્જા સ્થાનાંતરિત કરવાની મંજૂરી આપતા, સૌથી વધુ લવચીક અભિગમ પ્રદાન કરે છે. આ ટોપોલોજી મોટા વર્તમાન પ્રવાહને સંભાળે છે-આધુનિક સિસ્ટમો કન્વર્ટર ડિઝાઇનના આધારે 2.5-10A બેલેન્સિંગ કરંટને સપોર્ટ કરે છે.

પાવર આધારિત બેલેન્સિંગ એલ્ગોરિધમ્સ-ની સ્થિતિએ સંતુલન વિનાના પેકની તુલનામાં ઉપયોગ કરી શકાય તેવી ક્ષમતામાં 16% સુધારો કર્યો છે. નવો SoP અભિગમ માત્ર વોલ્ટેજ અથવા ચાર્જની સ્થિતિને બદલે વાસ્તવિક પાવર ક્ષમતાના આધારે સંતુલિત કરે છે, જે વિવિધ ક્ષમતાઓ ધરાવતી જૂની બેટરીઓ માટે ખાસ કરીને અસરકારક સાબિત થાય છે.

પ્રદર્શન મેટ્રિક્સ: સક્રિય સિસ્ટમો સામાન્ય રીતે 85-95% ઊર્જા ટ્રાન્સફર કાર્યક્ષમતા પ્રાપ્ત કરે છે. જટિલતામાં વધુ ઘટકોનો સમાવેશ થાય છે

સક્રિય સંતુલનનો ઉપયોગ ક્યારે કરવો: ઇલેક્ટ્રિક વાહનો, ગ્રીડ સ્ટોરેજ સિસ્ટમ અને ઔદ્યોગિક સાધનોમાં મોટા બેટરી પેક ઊંચા ખર્ચને યોગ્ય ઠેરવે છે. સુધારેલ કાર્યક્ષમતા અને ઝડપી સંતુલન સમય રોકાણ પર વધુ સારું વળતર પ્રદાન કરે છે જ્યારે પેક ક્ષમતા 10 kWh કરતાં વધી જાય અથવા જ્યારે ઝડપી ટર્નઅરાઉન્ડ કામગીરીમાં મહત્વપૂર્ણ હોય.

બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ કેટલાંક પરિમાણોના આધારે કોષોને ક્યારે અને કેવી રીતે આક્રમક રીતે સંતુલિત કરવા તે નક્કી કરે છે:

વોલ્ટેજ-આધારિત સંતુલનજ્યારે સેલ વોલ્ટેજ તફાવતો થ્રેશોલ્ડ કરતાં વધી જાય ત્યારે ટ્રિગર થાય છે, સામાન્ય રીતે લિથિયમ-આયન રસાયણશાસ્ત્ર માટે 10-50 mV. BMS સૌથી નીચા સેલ વોલ્ટેજને ઓળખે છે, પછી તે ન્યૂનતમની નિર્ધારિત શ્રેણીમાં તમામ કોષોને સંતુલિત કરે છે. આ સરળ અભિગમ વિશ્વસનીય રીતે કાર્ય કરે છે પરંતુ કોષો વચ્ચે ક્ષમતા તફાવત માટે જવાબદાર નથી.

ચાર્જ સંતુલનની સ્થિતિદરેક કોષના ચાર્જ સ્તરને તેની મહત્તમ ક્ષમતાની તુલનામાં નક્કી કરવા માટે SOC અંદાજ ગાણિતીક નિયમોનો ઉપયોગ કરે છે. આ પદ્ધતિ વોલ્ટેજ આધારિત અભિગમો કરતાં વધુ સચોટ સાબિત થાય છે{{1} કારણ કે તે ક્ષમતાની વિવિધતા માટે જવાબદાર છે. BMS સમાન વોલ્ટેજને બદલે સમાન SOC ટકાવારી તરફ સંતુલિત કરે છે.

શક્તિ સંતુલનની સ્થિતિનવીનતમ અભિગમ રજૂ કરે છે, ખાસ કરીને બેટરીની ઉંમર તરીકે સંબંધિત. આ પદ્ધતિ જુદી જુદી ક્ષમતાઓ ધરાવતી જૂની બેટરીઓને અનુકૂળ છે કારણ કે તે માત્ર SOC ટકાવારી અથવા વોલ્ટેજ મૂલ્યો પર આધાર રાખવાને બદલે વાસ્તવિક ચાર્જના આધારે સંતુલિત કરે છે.

સમયની બાબતો: ચાર્જિંગ દરમિયાન સંતુલન એ નિષ્ક્રિય સિસ્ટમો માટે સૌથી વધુ અર્થપૂર્ણ બને છે કારણ કે બાહ્ય પાવર સ્ત્રોત ઉપલબ્ધ છે. સક્રિય સિસ્ટમ્સ ચાર્જિંગ, ડિસ્ચાર્જિંગ અથવા આરામના સમયગાળા દરમિયાન સંતુલિત થઈ શકે છે. કેટલીક અદ્યતન BMS ડિઝાઇન સતત સંતુલનનો અમલ કરે છે, જ્યારે પણ પેક ચાલે ત્યારે સેલ ચાર્જને સમાયોજિત કરે છે.

રૂપરેખાંકન થ્રેશોલ્ડ: સંતુલિત વોલ્ટેજ સામાન્ય રીતે લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ કોષો માટે લગભગ 3.5V સેટ કરે છે, જે આશરે 5-10% ચાર્જની સ્થિતિ દર્શાવે છે. કોષો વચ્ચેનો મહત્તમ વોલ્ટેજ તફાવત સામાન્ય રીતે 10 એમવીને લક્ષ્યાંકિત કરે છે, જો કે કેટલીક એપ્લિકેશનો ચુસ્ત સહિષ્ણુતા માટે રિફાઇન કરતા પહેલા ઝડપી બલ્ક બેલેન્સિંગ માટે 20 એમવીનો ઉપયોગ કરે છે.

ઈલેક્ટ્રિક વાહનો ઉચ્ચ પાવર લેવલ, વિશાળ તાપમાન રેન્જ અને વારંવાર ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્રને કારણે સેલ બેલેન્સિંગની સૌથી વધુ માંગ કરે છે.

સામાન્ય EV બેટરી પેકમાં શ્રેણીમાં 96-400 કોષો હોય છે, જે ઘણીવાર 24 સમાંતર-જોડાયેલા કોષોના મોડ્યુલમાં ગોઠવવામાં આવે છે. દરેક મોડ્યુલની અંદરના સમાંતર કોષો કુદરતી રીતે સંતુલિત થાય છે, પરંતુ શ્રેણી સાથે જોડાયેલા મોડ્યુલોને સક્રિય સંચાલનની જરૂર હોય છે.

સક્રિય સેલ બેલેન્સિંગ માર્કેટ 2024માં $1.41 બિલિયન સુધી પહોંચ્યું હતું અને 2033 સુધીમાં વાર્ષિક 18.2% વૃદ્ધિનો પ્રોજેક્ટ કરે છે. આ વિસ્તરણ વૈશ્વિક સ્તરે ઇલેક્ટ્રિક વાહન ઉત્પાદન સ્કેલિંગ સાથે સીધો સંબંધ ધરાવે છે, ખાસ કરીને એશિયામાં જ્યાં ચીન, જાપાન અને દક્ષિણ કોરિયા ઉત્પાદન અને દત્તક બંનેમાં આગળ છે.

પ્રદર્શન જરૂરિયાતો: EV બેલેન્સિંગ સિસ્ટમ્સે 100+ કોષોને હેન્ડલ કરવું જોઈએ, -20 ડિગ્રીથી 60 ડિગ્રી સુધીના તાપમાનની રેન્જમાં કાર્ય કરવું જોઈએ, અને પ્રવેગક અને પુનર્જીવિત બ્રેકિંગ દરમિયાન ઝડપી પાવર માંગને સેકંડમાં પ્રતિસાદ આપવો જોઈએ.

અદ્યતન બેલેન્સિંગ ટોપોલોજીની પ્રાયોગિક માન્યતાએ ડિસ્ચાર્જ ઓપરેશન દરમિયાન ચાર-સેલ શ્રેણી પેક માટે આશરે 400 સેકન્ડમાં SOC કન્વર્જન્સ પ્રાપ્ત કર્યું. આને 96+ કોષો સાથે પ્રોડક્શન EV પેકમાં સ્કેલ કરવા માટે અત્યાધુનિક નિયંત્રણ અલ્ગોરિધમ્સ અને ઉચ્ચ-કાર્યક્ષમતા પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સની જરૂર છે.

ઓટોમોટિવ ઉદ્યોગ મુખ્યત્વે સક્રિય સિસ્ટમના શ્રેષ્ઠ પ્રદર્શન છતાં નિષ્ક્રિય સંતુલનનો ઉપયોગ કરે છે. મોટાભાગના ડ્રાઇવિંગ પેટર્ન માટે પર્યાપ્ત નિષ્ક્રિય સંતુલન સાથે ગ્રાહક વાહનોમાં ખર્ચ સંવેદનશીલતા, સરળ અભિગમને આર્થિક રીતે આકર્ષક બનાવે છે. જો કે, ઉચ્ચ-પ્રદર્શન ઇવી અને વાણિજ્યિક વાહનો તેની કાર્યક્ષમતાના લાભ માટે વધુને વધુ સક્રિય સંતુલન અપનાવે છે.

Cell Balancing

યોગ્ય કોષ સંતુલન બહુવિધ પદ્ધતિઓ દ્વારા બેટરી જીવનને વિસ્તૃત કરે છે:

વ્યક્તિગત કોષો પર તણાવ ઓછો થાય છે: જ્યારે તમામ કોષો સમાન SOC ની નજીક કાર્ય કરે છે, ત્યારે કોઈ એક કોષ પુનરાવર્તિત ઓવરચાર્જ અથવા ડીપ ડિસ્ચાર્જની ઘટનાઓનો અનુભવ કરતું નથી. આ એકસમાન સારવાર સમગ્ર પૅકની ક્ષમતાને ધીમી કરે છે.

તાપમાન વ્યવસ્થાપન: સંતુલિત કોષો વધુ સમાન ગરમીનું વિતરણ કરે છે. અસંતુલિત પેક ગરમ સ્થળો વિકસાવે છે જ્યાં ઓવરચાર્જ્ડ કોષો વધુ ઉર્જા ફેલાવે છે, થર્મલ ગ્રેડિએન્ટ્સ બનાવે છે જે અસરગ્રસ્ત વિસ્તારોમાં વૃદ્ધત્વને વેગ આપે છે.

વોલ્ટેજનું પાલન: કોષોને શ્રેષ્ઠ વોલ્ટેજ રેન્જમાં રાખવાથી ઓવરચાર્જ દરમિયાન એનોડ પર લિથિયમ મેટલ પ્લેટિંગની રચના અટકાવે છે અને ઓવરચાર્જ દરમિયાન તાંબાના વિસર્જનને ટાળે છે-. બંને પરિસ્થિતિઓ કાયમ માટે કોષની ક્ષમતા ઘટાડે છે.

સારી રીતે મેળ ખાતા કોષો અને યોગ્ય સંતુલન સાથેના બેટરી પેક, કોષ સંતુલન અને દીર્ધાયુષ્ય વચ્ચે મજબૂત સહસંબંધ દર્શાવે છે, ક્ષમતા 12% ની મેળ ખાતી નથી જેના કારણે 18 ચક્રોમાં સૌથી વધુ પ્રભાવમાં ઘટાડો થાય છે.

સુરક્ષા અસરો પ્રભાવથી આગળ વધે છે:

ઓવરચાર્જ્ડ લિથિયમ કોષો થર્મલ રનઅવે-એક સાંકળ પ્રતિક્રિયાનું જોખમ લે છે જ્યાં તાપમાન વધવાથી રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે જે વધુ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે. હકારાત્મક પ્રતિસાદ લૂપ આગ અથવા વિસ્ફોટ તરફ દોરી શકે છે. કોષ સંતુલન વ્યક્તિગત કોષોને ખતરનાક ઓવરવોલ્ટેજ સ્થિતિમાં પહોંચતા અટકાવે છે, ભલે પેકમાંના અન્ય કોષો સુરક્ષિત સ્તરે રહે.

ગંભીર અસંતુલનનાં શારીરિક ચેતવણીનાં ચિહ્નોમાં કોષમાં સોજો, ચાર્જિંગ દરમિયાન ગરમી ઉત્પન્ન થવી અને ઉપયોગ દરમિયાન ઝડપી વોલ્ટેજ ડ્રોપનો સમાવેશ થાય છે. આ લક્ષણો સૂચવે છે કે સુરક્ષાની ઘટનાઓને રોકવા માટે પેકને તાત્કાલિક સેવા અથવા બદલવાની જરૂર છે.

વિવિધ ઉપયોગના કેસો વિવિધ સંતુલન અભિગમની માંગ કરે છે:

કન્ઝ્યુમર ઇલેક્ટ્રોનિક્સ(ફોન, લેપટોપ, પાવર ટૂલ્સ): સીરિઝમાં 6-8 કોષો સાથે 24V હેઠળના પેક માટે નિષ્ક્રિય સંતુલન પૂરતું છે. ઓછી કિંમત એપ્લીકેશનની કિંમતની સંવેદનશીલતા સાથે મેળ ખાય છે, અને ચાર્જિંગ પીરિયડ્સ નિષ્ક્રિય સિસ્ટમો માટે કોષોની સમાનતા માટે પૂરતો સમય પૂરો પાડે છે.

ઇલેક્ટ્રિક વાહનો: સક્રિય સંતુલન સેંકડો શ્રેણી કોષો સાથે 400V થી ઉપરના પેક માટે કિંમત-અસરકારક બને છે. ઝડપી સંતુલન અને ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા વધારાની ઇલેક્ટ્રોનિક્સ જટિલતાને ન્યાયી ઠેરવે છે.

ગ્રીડ ઊર્જા સંગ્રહ: મેગાવોટ-કલાકની ઉર્જાનો સંગ્રહ કરતી વિશાળ બેટરી સિસ્ટમને અત્યાધુનિક સક્રિય સંતુલનની જરૂર પડે છે. બેટરી સેલ બેલેન્સિંગ સિસ્ટમ માર્કેટ 2024માં $1.82 બિલિયન સુધી પહોંચ્યું હતું અને 2033 સુધીમાં 18.7% વૃદ્ધિની યોજના ધરાવે છે, જે મોટાભાગે યુટિલિટી-સ્કેલ સ્ટોરેજ ડિપ્લોયમેન્ટ દ્વારા સંચાલિત છે.

એરોસ્પેસ અને તબીબી ઉપકરણો: આ એપ્લિકેશનો સૌથી વધુ વિશ્વસનીયતાની માંગ કરે છે અને કિંમતને ધ્યાનમાં લીધા વિના ઘણીવાર સક્રિય સંતુલનનો ઉલ્લેખ કરે છે. એરક્રાફ્ટ અથવા જીવન-સહાયક સાધનોમાં બેટરીની નિષ્ફળતાના પરિણામો પ્રીમિયમ સોલ્યુશન્સને યોગ્ય ઠેરવે છે.

બે ફિલસૂફી માર્ગદર્શન આપે છે કે કેવી રીતે ઇજનેરો સંતુલિત લક્ષ્યો નક્કી કરે છે:

ટોચનું સંતુલનજ્યારે સંપૂર્ણ ચાર્જ કરવામાં આવે ત્યારે કોષોને સમાન બનાવે છે, બધા કોષો એકસાથે 100% SOC સુધી પહોંચે તેની ખાતરી કરે છે. આ અભિગમ દરેક ડિસ્ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન ઉપલબ્ધ ક્ષમતાને મહત્તમ કરે છે. ઇ-બાઇક અને સોલાર સ્ટોરેજ સિસ્ટમ્સ ઘણીવાર ટોચના સંતુલનનો ઉપયોગ કરે છે કારણ કે વપરાશકર્તાઓ ડીપ ડિસ્ચાર્જ સામે રક્ષણ કરતાં સંપૂર્ણ ક્ષમતાની ઉપલબ્ધતાને પસંદ કરે છે.

બોટમ બેલેન્સિંગચાર્જની ઓછી સ્થિતિમાં કોષોને સમાન બનાવે છે, બધા કોષો એકસાથે ખાલી થાય તેની ખાતરી કરે છે. આ વ્યૂહરચના વધુ-ડિસ્ચાર્જ નુકસાન સામે બહેતર સુરક્ષા પ્રદાન કરે છે અને ડીપ ડિસ્ચાર્જને બદલે વારંવાર છીછરા ચક્ર સાથે એપ્લિકેશન માટે સારી રીતે કાર્ય કરે છે.

પસંદગી ઉપયોગની પદ્ધતિઓ અને પ્રાથમિકતાઓ પર આધારિત છે. ક્ષમતા પર ભાર મૂકતી એપ્લિકેશન્સ (જેમ કે શ્રેણીની ચિંતા સાથે ઇલેક્ટ્રિક વાહનો) ટોચના સંતુલનની તરફેણ કરે છે. દીર્ધાયુષ્ય અને સલામતીને પ્રાધાન્ય આપતી એપ્લિકેશનો (જેમ કે બેકઅપ પાવર સિસ્ટમ્સ) ઘણીવાર નીચેનું સંતુલન પસંદ કરે છે.

કેટલીક અદ્યતન સિસ્ટમો ક્ષમતા અને આયુષ્ય બંનેને શ્રેષ્ઠ બનાવવા માટે સંપૂર્ણ અને ખાલી બંને સ્થિતિમાં સંતુલિત કરીને, હાઇબ્રિડ અભિગમો અમલમાં મૂકે છે.

2024-2025માં પ્રકાશિત થયેલા સંશોધનો અનેક ઉભરતી દિશાઓ દર્શાવે છે:

મશીન લર્નિંગ એકીકરણ: તાજેતરના અભ્યાસો સાત અલગ-અલગ અનુમાન અલ્ગોરિધમ્સનું મૂલ્યાંકન કરવા માટે R-ચોરસ અને સરેરાશ ભૂલ મેટ્રિક્સનો ઉપયોગ કરીને, બાકીના ઉપયોગી જીવનની આગાહી કરવા માટે મશીન લર્નિંગ મોડલ્સ સાથે સક્રિય સંતુલનને જોડે છે. આ એકીકરણ અનુમાનિત સેલ એજિંગ પેટર્નના આધારે સક્રિય સંતુલન ગોઠવણોને મંજૂરી આપે છે.

ઘટેલી ઘટક ડિઝાઇન: OPAL-RT 5700 સિસ્ટમ્સ પર રીઅલ-ટાઇમ હાર્ડવેર-ઇન-લૂપ સિમ્યુલેશન દ્વારા ઘટાડેલી સ્વીચ કાઉન્ટનો ઉપયોગ કરીને નોવેલ ઇન્ડક્ટર-આધારિત બેલેન્સિંગ સર્કિટ અસરકારકતા દર્શાવે છે. આ સરળ ટોપોલોજીઓ કામગીરી જાળવી રાખતી વખતે ઓછી કિંમત આપે છે.

AI-આધારિત બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ્સ: ભવિષ્યનો વિકાસ વાયરલેસ મોનિટરિંગ માટે રીઅલ-ટાઇમ ડેટાનો ઉપયોગ કરીને સિસ્ટમો પર ધ્યાન કેન્દ્રિત કરે છે, જે બેટરી આરોગ્ય, SOC અને ખામી શોધમાં સચોટ આંતરદૃષ્ટિ પ્રદાન કરે છે. કાર્યક્ષમ ઉર્જાનો ઉપયોગ સુનિશ્ચિત કરીને ડાઉનટાઇમ ઘટાડવાનો ધ્યેય છે.

પાવર અલ્ગોરિધમનો--રાજ્ય: વોલ્ટેજ અને SOC-આધારિત અભિગમોથી આગળ વધીને, નવા અલ્ગોરિધમ્સ દરેક સેલની પાવર ડિલિવરી ક્ષમતાને ધ્યાનમાં લે છે. આ ખાસ કરીને મૂલ્યવાન સાબિત થાય છે કારણ કે બેટરીની ઉંમર અને કોષની લાક્ષણિકતાઓ તેમના મૂળ વિશિષ્ટતાઓથી અલગ થઈ જાય છે.

વૈશ્વિક સેલ બેલેન્સિંગ IC માર્કેટ 2024માં $1.32 બિલિયન સુધી પહોંચ્યું હતું, જેમાં 7.4% ચક્રવૃદ્ધિ વાર્ષિક વૃદ્ધિ દરે 2033 સુધીમાં $2.51 બિલિયન થવાનો અંદાજ છે. આ બજાર વિસ્તરણ તમામ એપ્લિકેશન સેગમેન્ટમાં સંતુલિત ઉકેલોમાં વધતા અભિજાત્યપણાને પ્રતિબિંબિત કરે છે.

બેટરી પેક ડિઝાઇન કરતા એન્જિનિયરોએ બહુવિધ પરિબળોને સંતુલિત કરવું આવશ્યક છે:

વર્તમાન વિ ઝડપ સંતુલિત: ઉચ્ચ સંતુલિત પ્રવાહો ઝડપથી કોષોને સમાન બનાવે છે પરંતુ વધુ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે અને વધુ મજબૂત ઘટકોની જરૂર પડે છે. લાક્ષણિક સ્પષ્ટીકરણો નાની નિષ્ક્રિય સિસ્ટમો માટે 50 mA થી મોટી સક્રિય સિસ્ટમો માટે 10A સુધીની છે.

ઘટકોની પસંદગી: નિષ્ક્રિય સંતુલન માટે MOSFET ને યોગ્ય વર્તમાન રેટિંગ્સ અને ઓછા{0}} પ્રતિકારની જરૂર છે. સક્રિય સંતુલન માટે કદ અને ખર્ચની મર્યાદાઓનું સંચાલન કરતી વખતે લક્ષ્ય કાર્યક્ષમતા સ્તર હાંસલ કરવા માટે સાવચેત ઇન્ડક્ટર અને કેપેસિટર પસંદગીની જરૂર છે.

થર્મલ મેનેજમેન્ટ: નિષ્ક્રિય સંતુલન પણ ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે જે નજીકના કોષોને અસર કર્યા વિના વિખેરાઈ જવી જોઈએ. સક્રિય પ્રણાલીઓ સેલ દીઠ ઓછી ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે પરંતુ તેને પાવર ઇલેક્ટ્રોનિક્સમાં કેન્દ્રિત કરે છે જેને સમર્પિત ઠંડકની જરૂર હોય છે.

BMS એકીકરણ: બેલેન્સિંગ હાર્ડવેરને નિયંત્રણ આદેશો પ્રાપ્ત કરતી વખતે એકંદર બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ, વોલ્ટેજ અને તાપમાન ડેટા શેર કરવા સાથે વાતચીત કરવી આવશ્યક છે. CAN બસ જેવા માનક પ્રોટોકોલ આ એકીકરણને સરળ બનાવે છે.

કેટલાક મેટ્રિક્સ સંતુલિત સિસ્ટમ પ્રદર્શનનું મૂલ્યાંકન કરે છે:

સંતુલિત સમય: લક્ષ્ય વોલ્ટેજ અથવા SOC શ્રેણીમાં તમામ કોષોને કેટલા સમય સુધી લાવવા. નિષ્ક્રિય પ્રણાલીઓને સામાન્ય રીતે કલાકોની જરૂર પડે છે, જ્યારે સક્રિય પ્રણાલીઓ અસંતુલનની તીવ્રતાના આધારે મિનિટથી બે કલાકમાં પરિણામ પ્રાપ્ત કરે છે.

ઊર્જા કાર્યક્ષમતા: પુનઃવિતરિત ઊર્જાની કેટલી ટકાવારી ઓછી-ચાર્જ કરેલ કોષો સુધી પહોંચે છે વિરુદ્ધ નુકસાન તરીકે વિખેરી નાખે છે. સક્રિય સિસ્ટમો 85-95% હાંસલ કરે છે, નિષ્ક્રિય સિસ્ટમો વ્યાખ્યા દ્વારા 0% સુધી પહોંચે છે કારણ કે તેઓ માત્ર વિખેરી નાખે છે.

ક્ષમતા રીટેન્શન: શું સંતુલન વ્યૂહરચના સેંકડો ચક્રોમાં પેક ક્ષમતા જાળવી રાખે છે? સારી રીતે-ડિઝાઇન કરેલી સિસ્ટમો ભલામણ કરેલ ઓપરેટિંગ પરિસ્થિતિઓમાં 500 ચક્રમાં 5% કરતા ઓછી ક્ષમતાની ખોટ દર્શાવે છે.

સંતુલન દરમિયાન તાપમાનમાં વધારો: વધુ પડતી ગરમી કાં તો અપૂરતી થર્મલ ડિઝાઇન અથવા વધુ પડતા આક્રમક સંતુલન પરિમાણોને સમાયોજનની જરૂર દર્શાવે છે.

પરીક્ષણ પ્રોટોકોલ્સમાં ઘણી વખત ઈરાદાપૂર્વક અસંતુલન ઉભું કરવાનો સમાવેશ થાય છે, પછી માપવામાં આવે છે કે વિવિધ તાપમાન અને લોડ પરિસ્થિતિઓમાં સિસ્ટમ કેટલી ઝડપથી અને અસરકારક રીતે તેમને સુધારે છે.

કેટલીક ક્ષતિઓ સંતુલન અસરકારકતાને ઘટાડે છે:

ખોટી થ્રેશોલ્ડ સેટિંગ્સ: મહત્તમ વોલ્ટેજ તફાવત ખૂબ નાનો સેટ કરવાથી રેસની સ્થિતિ સર્જાય છે જ્યાં BMS સતત પ્રગતિ કર્યા વિના કોષો વચ્ચે સ્વિચ કરે છે. મોટાભાગની સિસ્ટમ્સ સબ-5 mV ચોકસાઇનો પ્રયાસ કરવાને બદલે 10-20 mV થ્રેશોલ્ડ સાથે શ્રેષ્ઠ કાર્ય કરે છે.

નિષ્ક્રિય સિસ્ટમો સાથે ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન સંતુલન: આ લોડને શક્તિ આપી શકે તેવી ઊર્જાને વિખેરીને બેટરીની ક્ષમતાને બગાડે છે. નિષ્ક્રિય સંતુલન મુખ્યત્વે ચાર્જિંગ અથવા આરામના સમયગાળા દરમિયાન થવું જોઈએ.

તાપમાનની અસરોને અવગણવી: સેલ વોલ્ટેજ તાપમાન સાથે બદલાય છે, અને તાપમાન વળતર વિના વોલ્ટેજ માપન પર આધારિત સંતુલન ભૂલો તરફ દોરી જાય છે. ગુણવત્તાયુક્ત BMS ડિઝાઇનમાં તાપમાન સુધારણા પરિબળોનો સમાવેશ થાય છે.

સંતુલન પર વધુ-નિર્ભરતા: સંતુલન મદદ કરે છે પરંતુ નિષ્ફળ કોષો અથવા ક્ષમતામાં તીવ્ર ઘટાડો જેવી મૂળભૂત સમસ્યાઓને ઠીક કરતું નથી. જ્યારે કોષો ક્ષમતામાં 15-20% કરતાં વધુ અલગ પડે છે, ત્યારે એકલા સંતુલનથી પેક પ્રદર્શન પુનઃસ્થાપિત થતું નથી-સેલ રિપ્લેસમેન્ટ જરૂરી બની જાય છે.

અપૂરતી સંતુલન વિશિષ્ટતાઓ: ઉપભોક્તા ઉત્પાદનો કેટલીકવાર ખર્ચ ઘટાડવા માટે ક્ષમતાને સંતુલિત કરવામાં કંજૂસાઈ કરે છે, જે ક્ષમતામાં ઘટાડો અને પ્રારંભિક નિષ્ફળતા તરફ દોરી જાય છે. ઔદ્યોગિક અને ઓટોમોટિવ એપ્લિકેશનો સામાન્ય રીતે લાંબા આયુષ્યની ખાતરી કરવા માટે વધુ મજબૂત સંતુલનનો ઉલ્લેખ કરે છે.

જ્યારે લિથિયમ-આયન એપ્લિકેશન્સ સેલ બેલેન્સિંગ ચર્ચાઓ પર પ્રભુત્વ ધરાવે છે, ત્યારે વિવિધ રસાયણશાસ્ત્રની અલગ આવશ્યકતાઓ હોય છે:

લિથિયમ આયર્ન ફોસ્ફેટ (LiFePO4): મોટાભાગના ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન ફ્લેટ વોલ્ટેજ વળાંક વોલ્ટેજ-આધારિત સંતુલનને ઓછું અસરકારક બનાવે છે. SOC-આધારિત અલ્ગોરિધમ વધુ સારી રીતે કામ કરે છે, જોકે અન્ય લિથિયમ રસાયણશાસ્ત્રની તુલનામાં LiFePO4 ના ઉચ્ચ સ્વ-ડિસ્ચાર્જને વધુ વારંવાર સંતુલનની જરૂર પડે છે.

નિકલ મેંગેનીઝ કોબાલ્ટ (NMC): રેખીય ડિસ્ચાર્જ વળાંક અને સ્પષ્ટ વોલ્ટેજ{{0}SOC સંબંધ બંને વોલ્ટેજ-આધારિત અને SOC-આધારિત સંતુલનને અસરકારક બનાવે છે. સંતુલન દરમિયાન તાપમાનની સંવેદનશીલતાને સાવચેત થર્મલ મેનેજમેન્ટની જરૂર છે.

લીડ-એસીડ બેટરી: આ કઠોર બેટરી સંતુલન માટે સમાંતર-જોડાયેલ જળાશય કોષોને સહન કરે છે. રસાયણશાસ્ત્રની સ્થિતિસ્થાપકતા લિથિયમ-આયન બેટરીની પરવાનગી કરતાં સરળ, ક્રૂડર સંતુલન પદ્ધતિઓને મંજૂરી આપે છે.

દરેક રસાયણશાસ્ત્રની વોલ્ટેજ લાક્ષણિકતાઓ, તાપમાનની સંવેદનશીલતા અને સલામતી માર્જિન શ્રેષ્ઠ સંતુલન પરિમાણો અને પદ્ધતિઓ સૂચવે છે.

Cell Balancing

બૅટરી ટેક્નૉલૉજી જેમ જેમ આગળ વધે છે તેમ તેમ આ ક્ષેત્ર સતત વિકસિત થાય છે:

સોલિડ-સ્ટેટ બેટરી: જ્યારે સોલિડ-સ્ટેટ લિથિયમ બેટરીઓ વ્યાપારીકરણ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે તેમની વિવિધ વિદ્યુત લાક્ષણિકતાઓને નવા સંતુલન અભિગમની જરૂર પડી શકે છે. પ્રવાહી ઇલેક્ટ્રોલાઇટનો અભાવ નિષ્ફળતાના મોડ્સ અને વૃદ્ધત્વના દાખલાઓને બદલે છે.

વાયરલેસ સંતુલન: સંશોધન પ્રત્યક્ષ વિદ્યુત જોડાણો વિના કોષો વચ્ચે કેપેસિટીવ અથવા ઇન્ડક્ટિવ પાવર ટ્રાન્સફરની શોધ કરે છે, સંભવિત રૂપે પેક ડિઝાઇનને સરળ બનાવે છે અને વાયરિંગ જટિલતા ઘટાડે છે.

સ્વ-સંતુલિત કોષો: કેટલાક ઉત્પાદકો બેઝિક બેલેન્સિંગ સર્કિટરી બનાવવાની તપાસ પેક લેવલ પર કરવાને બદલે સીધા જ વ્યક્તિગત કોષોમાં કરે છે, સમગ્ર બેટરીમાં સંતુલન કાર્યનું વિતરણ કરે છે.

અનુમાનિત સંતુલન: જ્યારે અસંતુલન દેખાય ત્યારે પ્રતિક્રિયાશીલ સંતુલનને બદલે, અનુમાનિત અલ્ગોરિધમ્સ અપેક્ષિત વપરાશ પેટર્ન અને વૃદ્ધત્વના માર્ગના આધારે સેલ શુલ્કને પૂર્વ-પ્રતિભાવપૂર્વક ગોઠવી શકે છે.

આ વિકાસનો ઉદ્દેશ્ય વિશ્વસનીયતા સુધારવા, ખર્ચ ઘટાડવા અને બેટરીની આયુષ્ય વધારવાનો છે કારણ કે ઊર્જા સંગ્રહ પરિવહન અને ગ્રીડ ઈન્ફ્રાસ્ટ્રક્ચર માટે વધુને વધુ કેન્દ્રિય બની રહ્યો છે.

માત્ર શ્રેણીમાં કોષો સાથેના પેકને સંતુલનની જરૂર છે. સિંગલ-સેલ બેટરી અને સમાંતર-માત્ર રૂપરેખાંકનો તેમના સીધા જોડાણો દ્વારા કુદરતી રીતે સંતુલિત થાય છે. જો કે, લગભગ તમામ લિથિયમ આયન બેટરી પૅક ડિઝાઇન જેમાં એક કરતાં વધુ કોષોની શ્રેણીમાં કોષોની ઉંમર અને લાક્ષણિકતાઓ અલગ થવાના કારણે અમુક પ્રકારના સંતુલનથી ફાયદો થાય છે.

જ્યારે વોલ્ટેજ તફાવત થ્રેશોલ્ડ કરતાં વધી જાય ત્યારે આધુનિક બેટરી મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ દરેક ચાર્જ ચક્ર દરમિયાન આપમેળે સંતુલિત થાય છે. પેકને મેન્યુઅલ હસ્તક્ષેપની જરૂર નથી. શ્રેષ્ઠ દીર્ધાયુષ્ય માટે, BMS ને સંપૂર્ણ ચાર્જ પૂર્ણ કરીને દર 10-20 ચક્રમાં કોષોને સંપૂર્ણ રીતે સંતુલિત કરવાની મંજૂરી આપવાથી સુસંગતતા જાળવવામાં મદદ મળે છે.

વધુ પડતું સંતુલન સમસ્યાઓનું કારણ બની શકે છે. અતિશય આક્રમક નિષ્ક્રિય સંતુલન ઊર્જાનો વ્યય કરે છે અને બિનજરૂરી ગરમી પેદા કરે છે. ખૂબ જ વારંવાર સક્રિય સંતુલન ઘટક વસ્ત્રોમાં વધારો કરે છે અને ચાર્જ ટ્રાન્સફર ચક્રથી નાની વધારાની વૃદ્ધત્વ પેદા કરે છે. સુધારણા અને કાર્યક્ષમતા વચ્ચે સંતુલન શોધીને, સારી રીતે-ડિઝાઇન કરેલી સિસ્ટમો જ્યારે જરૂર હોય ત્યારે જ સંતુલન રાખે છે.

ઘટકોની નિષ્ફળતા, ખોટી BMS સેટિંગ્સ, કોષનું ગંભીર અધોગતિ, અથવા સંતુલન સર્કિટરીમાં ઉત્પાદન ખામી અસરકારક સંતુલન અટકાવી શકે છે. ઉષ્ણતામાનની ચરમસીમા યોગ્ય કામગીરીને પણ અટકાવી શકે છે

કોષ સંતુલન આધુનિક બેટરી ટેક્નોલોજી માટે મૂળભૂત આવશ્યકતા છે, ખાસ કરીને લિથિયમ આયન બેટરી પેક એપ્લીકેશનમાં જે ઇલેક્ટ્રિક વાહનોથી નવીનીકરણીય ઉર્જા સંગ્રહ સુધી ફેલાયેલી છે. સરળ નિષ્ક્રિય રેઝિસ્ટર નેટવર્ક્સથી અત્યાધુનિક સક્રિય ચાર્જ પુનઃવિતરણ સિસ્ટમ્સ સુધીની તકનીકની ઉત્ક્રાંતિ બેટરીની કામગીરી અને આયુષ્ય પર મૂકવામાં આવતી વધતી માંગને પ્રતિબિંબિત કરે છે. જેમ જેમ વિદ્યુતીકરણ તરફ વૈશ્વિક સંક્રમણ ઝડપી થાય છે તેમ, હજારો ચાર્જ ચક્રમાં સલામત, વિશ્વસનીય કામગીરી સુનિશ્ચિત કરતી વખતે દરેક કોષમાંથી મહત્તમ ક્ષમતાને સ્ક્વિઝ કરતી સંતુલિત પદ્ધતિઓમાં સતત નવીનતાની અપેક્ષા રાખો.