Hvers vegna rekur raðtengdur strengur og hvað jöfnun raunverulega gerir

Notaðu fjórar merktu rafhlöðurnar úr þrepi 6 í fjögurra-hólfa haldaranum. Áður en eitthvað annað er gert skaltu mæla hverja rafhlöðu **fyrir sig og utan haldarans**, eftir hvíld, með þremur aukastöfum, og skrifa niður fjölin fjögur ásamt dagsetningu. Mældu síðan raunverulega afkastagetu hverrar rafhlöðu, eina í einu. Hlaðaðu hana í 4,20 V, láttu hana hvílast í þrjátíu mínútur og tæmdu hana síðan í gegnum aflviðnámið með jöfnum straumi, og tímaðu þar til hún nær 3,00 V. Amperstundir eru straumur margfaldaður með klukkustundum. Þetta tekur fjórar lotur og er eina leiðin til að vita hvað þú átt í raun: talan sem prentuð er á umbúðirnar er einkunn, ekki mæling, og rafhlaða sem hefur legið í skúffu í tvö ár mun ekki ná henni. Skrifaðu afkastagetu fjögurra rafhlaðna í minnisbókina þína sem töflu. Sú tafla er inntakið í útreikninga þrepsins 3, og þú berð hana saman við lokin á þrepi 5. Ef allar fjórar koma út innan um það bil tveggja prósenta hver frá annarri, skaltu viljandi misjafna strenginn áður en haldið er áfram: hlaðaðu þrjár þeirra fullhlaðnar og láttu þá fjórðu vera í um 60%. Þú þarft sýnileg áhrif til að mæla, og vel samstæður strengur gefur þau ekki á einum eftirmiðdegi. Ein rafhlaða í einu á hleðslutækinu. Hlaðið aldrei rafhlöðustreng í röð án eftirlits fyrir hverja rafhlöðu, en það er einmitt tilgangur þessa þreps og ástæðan fyrir því að þrep 5 er til.

Tengdu fjögurra fruma haldarann í röð og leiddu þunnan mælivír frá hverri tengingu milli fruma, nákvæmlega eins og í þrepi 5 í lið 3. Þessir mælivírar gera þér kleift að fylgjast með hverri frumu fyrir sig á meðan strengurinn vinnur. Losaðu allan strenginn í gegnum aflviðnámið við stöðugan straum – einn amper nægir og heldur viðnáminu viðráðanlegu. Á fimm mínútna fresti lestu **spennu allra fjögurra frumanna í röð** og heildarspennu strengsins og skráðu þær í röð. Hættu um leið og **einhver ein fruma** nær 3,00 V. Ekki strengurinn; fruman. Þetta er kjarni allrar æfingarinnar: heildarspenna strengsins mun samt líta fullkomlega heilbrigð út – fjórar frumur með meðalspennu 3,4 V gefa strengspennu upp á 13,6 V, sem engin heildarspennuvörn myndi mótmæla – á meðan ein fruma innan hans er þegar komin niður á lágmarksmörk og er dregin niður fyrir þau. Skoðaðu nú raðirnar þínar. Spenna veiku frumunnar aðskilur sig snemma frá hinum og fellur síðan hratt; þær sterku eru enn á sínu sléttu svæði þegar þú stöðvar. Reiknaðu hversu mikla hleðslu strengurinn skilaði og berðu hana saman við afkastagetu sterkustu frumunnar úr skrefi 1. Mismunurinn er afkastageta sem þú átt en nærð ekki til. Of mikil afhleðsla litíumfrumu undir um 2,5 V skemmir hana varanlega og gerir hana hættulega í endurhleðslu. Að fylgjast með frumunum frekar en heildinni er ekki varúð, heldur eina rétta leiðin til að keyra streng.

Áður en þú setur upp borð sem gerir þetta ósýnilega, smíðaðu eina rás svo þú sjáir hvað hún gerir. Óvirkur jafnari er í raun svona einfaldur. Yfir einn klefa setur þú **100 Ω viðnám í röð við rökstigs MOSFET**, drain við jákvæða pól klefans, source við neikvæða pól klefans. Stýrðu hliðinu frá samanburðartæki sem kveikir þegar klefinn fer yfir viðmiðunina. 4,15 V er hæfilegur þröskuldur, stilltur með spennumælinum og athugaður með mælinum. Notaðu 1 W eða stærra viðnám: skref 3 reiknaði 0,18 W, og fjórðungs-wött hlutur sem vinnur á mestu afkastagetu sinni í lokuðum rafhlöðupakka er slæm hugmynd. Prófaðu fyrst á rannsóknarborðsaflgjafanum, án klefa: hækkaðu aflgjafann í gegnum þröskuldinn og staðfestu að MOSFET kveikir á og viðnámið byrjar að draga sína 42 mA. Mældu strauminn í stað þess að gera ráð fyrir honum; MOSFET sem er ekki alveg kveikt er hitagjafi. Settu þetta nú á klefann sem er hæstur í strengnum þínum og hladdu strenginn varlega. Sá klefi ætti að hætta að hækka á meðan hinir ná honum. Þú finnur viðnámið hitna, og sá hiti er orkan sem þú ert viljandi að eyða. Óvirk jöfnun flytur ekki hleðslu frá fullum klefa yfir í tóman, hún brennir mismuninn. Fjórar af þessum, ein fyrir hvern klefa, er fullkominn óvirkur jafnari. Sem er, nánast, það sem er á borðinu í næsta skrefi.

Græna borðið á myndinni á þessari síðu er 4S rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) og það er ódýra útgáfan af öllu sem er í skrefum 2 og 4. Tengilistinn þess tekur við **B−, síðan einum vír á hverja samtengingu sella, og síðan B+** — sömu tengipunktum og pakkatengið íþrepi 3. Tengdu vandlega og í réttri röð, frá B− upp á við. Ef jöfnunarvír lendir á röngum samtengipunkti snýst inntak sellu við og borðið þolir það ekki. Mældu hvern vír gegn B− með mælinum áður en þú stingur tenginu í samband og staðfestu að spennan hækki sella fyrir sella. Gerðu þessa athugun í hvert skipti. Það sem borðið gerir, í þremur hlutverkum: - **Vörn gegn ofhleðslu** — það aftengist ef einhver sella fer yfir u.þ.b. 4,25 V. - **Vörn gegn ofurhleðslu** — það aftengist ef einhver sella fer niður fyrir u.þ.b. 2,5 V. Þetta er sú vörn sem þú sinntir handvirkt með mælinum í skrefi 2. - **Jöfnun** — litlu viðnámin meðfram einni brúninni, sem gera það sem þú smíðaðir í skrefi 4. Hladdu strenginn með borðið tengt og fylgstu með því hvernig spennur sellanna fjögurra jafnast út á nokkrum klukkustundum. Settu innrauða hitamælinn á jöfnunarviðnámin meðan á því stendur; þau verða heitustu hlutirnir á borðinu og það er eðlilegt. Endurtaktu síðan afhleðsluna úr skrefi 2 og berðu saman afhentar amp-stundir við fyrstu keyrsluna. Sá munur er svarið við spurningunni sem þessi þrep varpar fram, mælt á þínum eigin vinnubekk. A BMS verndar sellur. Það getur ekki gert við þær: sella sem hefur raunverulega misst afkastagetu mun samt takmarka pakkann, og engin jöfnun breytir því. Að skipta út einni sellu í gömlum pakka fyrir nýja gerir ójafnvægið verra, ekki betra.

**Heimild, sett fram af heiðarleika.** Það er ekkert eitt einkaleyfi fyrir jöfnun rafhlöðufrumna og ekkert slíkt er fullyrt hér. Vandamálið er reikningur — sami straumur, mismunandi afkastageta — og það var viðurkennt um leið og einhver raðaði frumum í röð, sem sagt árið 1800 með Voltasúlu. Það sem breyttist með litíum-jón rafhlöðum er *afleiðingin*: nikkelfruma sem er ofhlaðin gefur frá sér gas og hitnar, en litíumfruma sem er ofhlaðin getur gert það sem þrep 9 lýsir. Jöfnun hætti að vera orkusparnaðarráðstöfun og varð að öryggiskröfu. Þess vegna fékk tengið á rafhlöðupakkanum fleiri frumutengi og þess vegna er í hverri litíum-rafhlöðu sem seld er í dag innbyggt verndarborð, en nikkel-kadmíum rafhlaða frá sama tímabili hafði aðeins frumur og hitastilli. **Óvirk gegn virkri jöfnun.** Allt sem hér er fjallað um er *óvirk* jöfnun: háu frumurnar eru tæmdar niður og mismunurinn fer til spillis. *Virkir* jafnarar færa hleðslu frá háu frumunni yfir í þá lágu í gegnum spólu eða spenni, þannig að ekkert fer til spillis, en þeir eru hins vegar dýrari og flóknari. Fyrir fjögurra frumna rafhlöðu í verkfæri er óvirka útgáfan rétt; fyrir rafhlöðu í bíl með hundrað frumum í röð hættir hún að vera rétt, því orkan sem myndi fara til spillis vex með lengd raðarinnar. **Heiðarleg takmörk.** Óvirk jöfnun er hæg, eins og þrep 3 sýndi: 300 mAh ójafnvægi tekur sjö klukkustundir að tæma. Hún virkar aðeins efst í hleðslunni, þar sem spennuferillinn er nógu brattur til að greina frumurnar að — á flata kaflanum í þrepi 4 gæti 50 mV munur þýtt nánast hvaða mun sem er í hleðslustöðu. Og hún getur ekki lagað misræmi sem vex hraðar en hún getur tæmt, sem er það sem öldrunarrafhlaða verður að lokum.