การปรับสมดุลแบตเตอรี่และการกระจายแบตเตอรี่ใหม่หมายถึงเทคนิคที่ปรับปรุงความจุ ที่มีอยู่ ของชุดแบตเตอรี่ที่มีเซลล์หลายเซลล์ (โดยปกติจะต่ออนุกรมกัน) และเพิ่มอายุการใช้งานของแต่ละเซลล์^{[ 1 ]}ตัว ปรับสมดุล หรือตัวควบคุมแบตเตอรี่เป็นอุปกรณ์ไฟฟ้าในชุดแบตเตอรี่ที่ทำการปรับสมดุลแบตเตอรี่^{[ 2 ]}วงจรที่รวมถึงการออกแบบเพื่อปรับสมดุลประจุเซลล์ระหว่างการชาร์จชุดแบตเตอรี่อาจเป็นแบบแอคทีฟหรือแบบพาสซีฟก็ได้^{[ 3 ]}และมักพบในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน [ ^{4 ] เช่น}สำหรับคอมพิวเตอร์แล็ปท็อป รถยนต์ไฟฟ้า เป็นต้น

เซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่โดยธรรมชาติแล้วจะมีค่าความจุแตกต่างกันเล็กน้อย ดังนั้น ในระหว่างรอบการชาร์จและการคายประจุสถานะการชาร์จ (SOC) ของเซลล์จึงอาจแตกต่างกัน ความแปรผันของความจุเกิดจากความแปรปรวนในการผลิต ความแปรปรวนในการประกอบ (เช่น เซลล์จากล็อตการผลิตหนึ่งปะปนกับเซลล์จากล็อตอื่น) การเสื่อมสภาพของเซลล์ สิ่งเจือปน หรือการสัมผัสกับสภาพแวดล้อม (เช่น เซลล์บางเซลล์อาจได้รับความร้อนเพิ่มเติมจากแหล่งความร้อนใกล้เคียง เช่น มอเตอร์ อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น) และอาจรุนแรงขึ้นได้จากผลกระทบสะสมของโหลดปรสิต เช่น วงจรตรวจสอบเซลล์ที่มักพบในระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS)

การปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่หลายเซลล์ช่วยเพิ่มความจุและอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ให้สูงสุด โดยพยายามรักษาระดับประจุของแต่ละเซลล์ให้เท่ากันมากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ โดยคำนึงถึงความจุที่แตกต่างกันของแต่ละเซลล์ ในช่วงที่กว้างที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ การปรับสมดุลจำเป็นเฉพาะสำหรับชุดแบตเตอรี่ที่มีเซลล์มากกว่าหนึ่งเซลล์ต่ออนุกรมกันเท่านั้น เซลล์ที่ต่อขนานกันจะปรับสมดุลได้เองตามธรรมชาติ เนื่องจากเชื่อมต่อกันโดยตรง แต่กลุ่มเซลล์ที่ต่อขนานกันแล้วต่ออนุกรมกัน (การต่อแบบขนาน-อนุกรม) จะต้องมีการปรับสมดุลระหว่างกลุ่มเซลล์

เพื่อให้มั่นใจถึงการทำงานที่ปลอดภัยและป้องกันสภาวะอันตราย ระบบจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จะตรวจสอบพารามิเตอร์ที่สำคัญอย่างต่อเนื่อง เช่น อุณหภูมิและแรงดันไฟฟ้าในระดับเซลล์แต่ละเซลล์ ตรวจจับความผิดปกติที่อาจนำไปสู่ความล้มเหลว ในขณะที่โดยทั่วไปแล้วกระแสไฟฟ้าจะถูกตรวจสอบในระดับแพ็คเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพสูงสุด BMS อาจมีกลไกการป้องกันแบบครั้งเดียวในระดับเซลล์เพื่อตัดการเชื่อมต่อเซลล์อย่างรวดเร็วในกรณีที่กระแสไฟฟ้าสูงผิดปกติ เช่น ในระหว่างการลัดวงจรหรือสภาวะผิดปกติอื่นๆ

ภายใต้การทำงานปกติ การคายประจุต้องหยุดลงเมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งหมดประจุเป็นครั้งแรก แม้ว่าเซลล์อื่นๆ อาจยังมีประจุเหลืออยู่มากก็ตาม ในทำนองเดียวกัน การชาร์จต้องหยุดลงเมื่อเซลล์ใดเซลล์หนึ่งถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุดที่ปลอดภัย การไม่ปฏิบัติตามข้อใดข้อหนึ่งอาจทำให้เซลล์เสียหายอย่างถาวร หรือในกรณีร้ายแรง อาจทำให้เซลล์เกิดการกลับขั้ว เกิดก๊าซภายใน เกิดความร้อนสูงเกินควบคุม หรือความเสียหายร้ายแรงอื่นๆ หากเซลล์ไม่สมดุลกัน โดยที่แรงดันไฟฟ้าสูงและต่ำไม่ตรงกับสถานะของเซลล์ที่มีความจุต่ำที่สุด พลังงานที่สามารถดึงออกมาและส่งกลับไปยังแบตเตอรี่ก็จะถูกจำกัด

เนื่องจากสารเคมีลิเธียมมักเอื้อต่อโครงสร้างเมมเบรนที่ยืดหยุ่นได้ เซลล์ลิเธียมจึงสามารถบรรจุในถุงที่ยืดหยุ่นแต่ปิดสนิทได้ ซึ่งช่วยให้สามารถบรรจุเซลล์ได้หนาแน่นขึ้นในชุดแบตเตอรี่ เมื่อเซลล์ลิเธียมถูกใช้งานอย่างไม่เหมาะสม ผลิตภัณฑ์จากการสลายตัวบางส่วน (โดยปกติจะเป็นสารเคมีในอิเล็กโทรไลต์หรือสารเติมแต่ง) จะระเหยออกมา เซลล์ดังกล่าวจะบวมและกำลังจะเสียหาย ในแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทรงกระบอกแบบปิดผนึก การระเหยของก๊าซดังกล่าวทำให้เกิดแรงดันสูงมาก (มีรายงานว่าสูงกว่า 800 psi) เซลล์ดังกล่าวอาจระเบิดได้หากไม่มีกลไกระบายแรงดัน อันตรายที่เพิ่มขึ้นคือสารเคมีในเซลล์ลิเธียมหลายชนิดมีสารเคมีไฮโดรคาร์บอน (ซึ่งโดยทั่วไปแล้วลักษณะที่แน่นอนเป็นความลับ) และสารเหล่านี้ติดไฟได้ ดังนั้น นอกเหนือจากความเสี่ยงที่การใช้งานเซลล์อย่างไม่เหมาะสมอาจทำให้เกิดการระเบิดแล้วการรั่วไหล ที่ไม่ระเบิด ก็อาจทำให้เกิดไฟไหม้ได้

แบตเตอรี่ส่วนใหญ่มีกลไกการทำงานที่ผิดปกติไม่รุนแรงและอันตรายน้อยกว่า สารเคมีในแบตเตอรี่ส่วนใหญ่มักมีพิษในระดับหนึ่ง แต่ไม่ค่อยระเบิดหรือติดไฟได้ หลายชนิดมีฤทธิ์กัดกร่อน ซึ่งเป็นเหตุผลที่แนะนำให้หลีกเลี่ยงการทิ้งแบตเตอรี่ไว้ในอุปกรณ์เป็นเวลานาน เนื่องจากแบตเตอรี่อาจรั่วและทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ แบตเตอรี่ตะกั่วกรดเป็นข้อยกเว้น เพราะการชาร์จจะทำให้เกิดก๊าซไฮโดรเจน ซึ่งสามารถระเบิดได้หากสัมผัสกับแหล่งกำเนิดประกายไฟ (เช่น บุหรี่ที่จุดไฟ) และการระเบิดดังกล่าวจะพ่นกรดซัลฟิวริกไปทุกทิศทาง เนื่องจากมีฤทธิ์กัดกร่อนและอาจทำให้ตาบอดได้ นี่จึงเป็นอันตรายอย่างยิ่ง

การปรับสมดุลสามารถทำได้ ทั้ง แบบแอคทีฟและแบบพาสซีฟ [ ^{3 ] ใน}การปรับสมดุลแบบแอคทีฟ วงจรปรับสมดุลจะช่วยให้สามารถถ่ายโอนประจุระหว่างเซลล์ต่างๆ ของแบตเตอรี่ได้ กล่าวคือ การถ่ายโอนพลังงานจากเซลล์ที่มีประจุสูงกว่าไปยังเซลล์ที่มีประจุต่ำกว่า^{[ 4 ]}

โดยทั่วไป คำว่าตัวควบคุมแบตเตอรี่หมายถึงเฉพาะอุปกรณ์ที่ทำการปรับสมดุลแบบพาสซีฟเท่านั้น BMS ที่สมบูรณ์อาจรวมถึงการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ ตลอดจนการตรวจสอบอุณหภูมิ การชาร์จ และคุณสมบัติอื่นๆ เพื่อยืดอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ให้ยาวนานที่สุด^{[ 5 ]}

การปรับสมดุลแบตเตอรี่สามารถทำได้โดยใช้ตัวแปลง DC-DCโดยมีรูปแบบการทำงาน 3 แบบดังนี้:

• จากเซลล์สู่แบตเตอรี่
• แบตเตอรี่ต่อเซลล์ หรือ
• ทิศทางรับส่งสองทาง

โดยทั่วไป กำลังไฟฟ้าที่ตัวแปลง DC-DC แต่ละตัวจัดการได้นั้นจะต่ำกว่ากำลังไฟฟ้าที่ชุดแบตเตอรี่ทั้งหมดจัดการได้หลายเท่าตัว

ในการปรับสมดุลแบบพาสซีฟ พลังงานจะถูกดึงมาจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุดและเปลี่ยนเป็นความร้อน โดยปกติจะผ่านตัวต้านทาน

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะปรับสถานะการชาร์จให้เท่ากัน ณ จุดคงที่จุดใดจุดหนึ่ง โดยปกติจะเป็นแบบ "ปรับสมดุลด้านบน" ซึ่งเซลล์ทั้งหมดจะมีสถานะการชาร์จ 100% พร้อมกัน หรือแบบ "ปรับสมดุลด้านล่าง" ซึ่งเซลล์ทั้งหมดจะมีสถานะการชาร์จต่ำสุดพร้อมกัน สามารถทำได้โดยการดึงพลังงานจากเซลล์ที่มีสถานะการชาร์จสูงกว่า (เช่น การลัดวงจรแบบควบคุมผ่านตัวต้านทานหรือทรานซิสเตอร์) หรือการส่งพลังงานผ่านเส้นทางขนานกับเซลล์ในระหว่างรอบการชาร์จเพื่อให้เซลล์นั้นใช้กระแสไฟฟ้า (ซึ่งโดยทั่วไปจะเป็นค่าคงที่ที่ถูกควบคุม) น้อยลง การปรับสมดุลแบบพาสซีฟนั้นสิ้นเปลืองโดยธรรมชาติ เนื่องจากพลังงานบางส่วนของชุดแบตเตอรี่จะถูกใช้เป็นความร้อนเพื่อปรับสถานะการชาร์จให้เท่ากันระหว่างเซลล์ความร้อนที่สะสมอาจจำกัดอัตราการปรับสมดุลได้ด้วย

ในการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ พลังงานอาจถูกดึงจากเซลล์ที่มีประจุมากที่สุดและถ่ายโอนไปยังเซลล์ที่มีประจุน้อยที่สุด เช่น ผ่านตัวแปลงแบบใช้ตัวเก็บประจุ แบบใช้ตัวเหนี่ยวนำ หรือแบบ DC- DC ^{[ 6 ]}

การปรับสมดุลแบบแอคทีฟพยายามกระจายพลังงานจากเซลล์ที่ชาร์จเต็มไปยังเซลล์ที่มีสถานะการชาร์จต่ำกว่า สามารถดึงพลังงานจากเซลล์ที่มีสถานะการชาร์จสูงได้โดยการสลับตัวเก็บประจุสำรองในวงจรกับเซลล์ จากนั้นถอดตัวเก็บประจุออกแล้วต่อกลับเข้ากับเซลล์ที่มีสถานะการชาร์จต่ำกว่า หรือผ่านตัวแปลง DC-to-DC ที่ต่อคร่อมชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด เนื่องจากประสิทธิภาพที่ไม่ดี พลังงานบางส่วนจึงยังคงสูญเสียไปในรูปของความร้อน แต่ไม่มากเท่าเดิม ถึงแม้จะมีข้อดีที่เห็นได้ชัด แต่ต้นทุนและความซับซ้อนเพิ่มเติมของโครงสร้างการปรับสมดุลแบบแอคทีฟอาจสูงมาก และไม่เหมาะสมเสมอไปขึ้นอยู่กับการใช้งาน

อีกรูปแบบหนึ่งที่บางครั้งใช้กับ ชุดแบตเตอรี่ จักรยานไฟฟ้าคือการใช้ขั้วต่อแบบหลายขาที่มีตัวต้านทานและไดโอดต่ออนุกรมอยู่ที่แต่ละจุด: เนื่องจากทราบค่าแรงดันตกคร่อมแล้ว เครื่องชาร์จจึงจ่ายกระแสไฟปล่อยประจุที่เหมาะสม หรือชาร์จเซลล์ที่อ่อนแรงจนกว่าจะมีแรงดันตกคร่อมที่ขั้วเท่ากันทั้งหมด วิธีนี้มีข้อดีคือช่วยลดน้ำหนักของชุดแบตเตอรี่ลงเล็กน้อย ลดการดึงกระแสไฟจากอุปกรณ์ไฟฟ้าที่ไม่จำเป็น และยังช่วยให้สามารถปรับสมดุลแบตเตอรี่ได้หลายจุด

• เครื่องชาร์จแบตเตอรี่
• ตัวควบคุมการชาร์จ
• ระบบจัดการแบตเตอรี่
• สารกระตุ้นการรีดนม
• การปรับระดับการสึกหรอ

Wikimedia Commons มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับBalancer

• ระบบปรับสมดุลแบตเตอรี่แบบใช้ตัวเก็บประจุ
• คำแนะนำ
• อัลกอริทึมการปรับสมดุลเซลล์แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนสำหรับระบบจัดการแบตเตอรี่โดยอาศัยการตรวจจับค่าผิดปกติแบบเรียลไทม์

• สิทธิบัตรสหรัฐอเมริกาหมายเลข 384,447อี. จูเลียนคอมมิวเทเตอร์ควบคุมสำหรับแบตเตอรี่รอง