Por que o balanceamento é usado apenas para baterias de lítio?

Eu nunca ouvi falar de uma bateria de chumbo-ácido com eletrônicos para equilibrar suas células, ou mesmo qualquer maneira manual de equilibrá-las.

Mas acho que todas as baterias de lítio possuem, ou pelo menos, baterias de lítio acima de um determinado tamanho.

Por que existe essa diferença entre as baterias de lítio e chumbo-ácido?

Digamos que eu pego quatro baterias de 12V e as coloco em série. Eu precisaria, ou seria benéfico, ter algum equilíbrio, ou posso apenas fingir que é uma bateria de 48V?

As respostas fornecidas até agora são um pouco de luz sobre a mecânica real que garante o equilíbrio nas químicas de lítio e não em outras.

Em primeiro lugar; todas as substâncias químicas da bateria se beneficiam muito com o balanceamento adequado. Os balanceadores são usados ​​em baterias de níquel-cádmio para naves espaciais, certos tipos de baterias de chumbo-ácido (baixa descarga) e assim por diante. Todas as substâncias químicas da bateria são apenas uma reação dominante de redução-oxidação química que ocorre entre certas energias de Gibbs (ou potenciais Redox, se você considerar as reações de ânodo e cátodo) - portanto, entre um certo nível de tensão mais baixo e mais alto. Acima ou abaixo dessa faixa 'ideal' de tensões, outras reações podem ocorrer - ou outras reações minoritárias se tornam dominantes.

Essas outras reações geralmente não são reversíveis, portanto, reduzem a quantidade de ânodo e material catódico 'úteis', reduzindo a capacidade. Às vezes, essas reações indesejadas são ainda mais dramáticas, criando compostos que corroem os eletrodos, degradam o eletrólito ou causam a formação de produtos químicos tóxicos / explosivos.

Agora, essas reações perigosas são a principal razão pela qual as químicas de lítio realmente exigem circuitos de segurança. Tanto na sobrecarga quanto na descarga excessiva, dependendo do eletrólito usado, uma mistura de gás explosivo é formada. Mais importante, quando o ânodo fica muito quente (cerca de 125 ° C), inicia-se uma reação exotérmica que se acelera, consumindo a maior parte da energia armazenada na bateria (fuga térmica). Isso geralmente é causado pelo auto-aquecimento ao lidar com grandes correntes de descarga ou com reações indesejadas causadas por sobrecarga. Como as baterias de química de lítio têm densidades de energia até mais do que uma ordem de magnitude maior que as químicas de níquel e chumbo, ou seja, muita energia em um local pequeno, isso pode causar um grande boom. Especialmente quando combinado com uma atmosfera explosiva de hidrogênio e oxigênio.

Outras químicas têm o mesmo problema! As baterias de chumbo-ácido de células úmidas são muito conhecidas por produzirem gás hidrogênio, mesmo em uso 'normal', mas principalmente ao abusar das células. As células de ácido chumbo também podem entrar em fuga térmica quando o ácido sulfúrico está concentrado o suficiente. No entanto, devido à densidade de energia relativamente baixa e à alta capacidade térmica das placas, bem como à alta temperatura na qual a fuga térmica entra em ação em comparação com o íon de lítio, esse não é um risco que precisa ser tratado na maioria das situações. E o mesmo vale para as químicas de níquel, que geralmente vêm com balanceadores em aplicações de alta corrente (por exemplo, carros de controle remoto) - ou sua bateria dura apenas 10 a 50 cargas.

Depois, há a pergunta prática: você pode simplesmente colocar muitas células em série e fingir que é uma grande célula de alta tensão? Sim, você pode, mas a duração da bateria será horrível. Qualquer incompatibilidade de células em sua pilha de 12 células será exacerbada a cada ciclo de descarga de carga e, após algumas dezenas ou talvez 100 ciclos de carga, você terá uma bateria descarregada. Pode até causar um risco à segurança. Portanto, tanto para sua segurança quanto para o uso otimizado das baterias, é altamente recomendável usar um gerenciamento de carga equilibrado.

As baterias de chumbo-ácido estão OK com uma certa corrente de carga flutuante para sempre. As baterias de lítio seriam danificadas dessa maneira. Quando uma bateria de lítio está cheia, tentar carregá-la mais causará danos. Por outro lado, em um carro, a bateria de chumbo-ácido "12 V" normalmente é carregada apenas com uma voltagem fixa de cerca de 13,6 V. Nessa voltagem, é necessária uma pequena quantidade de corrente de carga, mesmo quando cheia, mas diferente da bateria de lítio, isso não prejudica a bateria de chumbo.

As células variam de bateria para bateria, mais do que incompatibilidade de várias células na mesma construção. Assim, o ácido de chumbo de 6 células é tratado como um. Como o envelhecimento e a capacidade da unidade são acelerados pelo esgotamento das células mais fracas primeiro, é mais crítico com o Lithium otimizar a correspondência para melhorar a capacidade geral e evitar o excesso de carga das células mais fracas. É necessário um grampo zener ativo em cada célula para evitar sobrecarga.

No entanto, as baterias de chumbo-ácido falham em uma célula primeiro com mais freqüência do que todas se degradam da mesma forma, mas a relação custo-benefício não garante esse custo adicional para prolongar a vida útil.

Além disso, como o auto-aquecimento acelera o envelhecimento em lítio, eles preferem carga e corte rápidos em vez de carga rápida e carga CV de 14,2 de ácido chumbo para flutuação. Os SLAs são semelhantes, mas a voltagem mais baixa também é compensada por temperatura.

As baterias de chumbo-ácido SÃO o saldo carregado usando um processo conhecido como "Equalização". As células na sequência de séries que têm a carga mais alta podem ser sobrecarregadas, e isso, por sua vez, permite que as células inferiores na sequência também sejam totalmente carregadas.

As células de íons de lítio não podem usar esse processo porque não podem tolerar a sobrecarga, por isso precisam de um processo de carregamento balanceado ativo para obter o mesmo efeito; todas as células com o mesmo nível de carga.

Na minha experiência, a energia pura da área remota solar funciona muito bem com baterias de chumbo-ácido porque: As taxas de carga são baixas por longos períodos. A bateria é pedalada lentamente em uma ampla faixa, do verão ao inverno. Há excesso de energia com relativa frequência para equalizar em correntes baixas

Os sistemas híbridos de bateria solar a diesel têm: Ciclos diários muito maiores. Raramente, há energia disponível para baixa equalização de corrente. Vá de carga alta a descarga significativa sem tempo de flutuação significativo.

Isso confirma o que o usuário 38367 menciona, que o balanceamento individual de células seria benéfico para baterias de chumbo-ácido em sistemas híbridos de energia de área remota usando baterias de chumbo-ácido.

Há evidências significativas de que as baterias de chumbo-ácido de cadeia longa perdem rapidamente a capacidade em comparação com ciclos semelhantes em uma única célula. http://www.battcon.com/PapersFinal2004/SymonsPaper2004.pdf

Porque se você sobrecarregar uma célula de lítio, ela queima ou explode; se você sobrecarregar uma célula Pb, ela apenas exala o hidrogênio até secar; basta adicionar água para encher novamente. Penso que as modernas baterias de silício e AGM Pb nem sequer desabafam, mas recombinam hidrogênio e oxigênio na água; mas a energia em excesso deve ir a algum lugar, então talvez eles fiquem um pouco quentes, não sei.