- Навіщо нам потрібна балансування клітин?
- Що спричиняє розбалансування комірок у акумуляторних батареях?
- Види балансування елементів акумулятора
- 1. Пасивне балансування комірок
- 2. Активне балансування клітин
- 3. Балансування без втрат
- 4. Редокс-човник
Номінальний літієвий елемент розрахований приблизно на 4,2 В, але в таких додатках, як EV, портативна електроніка, ноутбуки, акумулятори тощо, нам потрібна набагато більша напруга, ніж його номінальна напруга. Це є причиною того, що дизайнери об’єднують кілька осередків послідовно, щоб сформувати акумулятор з вищими значеннями напруги. Як ми знаємо з попередньої статті про акумулятор для електромобіля, коли батареї поєднуються послідовно, значення напруги додається. Наприклад, коли послідовно підключені чотири літієві елементи на 4,2 В, ефективна вихідна напруга отриманого акумуляторного блоку становитиме 16,8 В.
Але ви можете собі уявити, що послідовно з’єднувати безліч осередків - це все одно, що посадити на колісницю багатьох коней. Тільки якщо всі коні бігають з однаковою швидкістю, колісниця буде рухатися з максимальною ефективністю. З чотирьох коней, якщо одна коня біжить повільно, то іншим трьом також доводиться зменшувати швидкість руху, тим самим зменшуючи ефективність, і якщо одна коня біжить швидше, це врешті-решт зашкодить собі, тягнучи вантаж інших трьох коней. Подібним чином, коли чотири комірки з'єднані послідовно, значення напруги всіх чотирьох комірок повинні бути рівними для отримання акумуляторної батареї з максимальною ефективністю. Метод підтримання рівності всіх напруг комірки називається балансуванням комірок. У цій статті ми дізнаємося більше про балансування клітин, а також коротко про те, як ними користуватися на апаратному та програмному рівні.
Навіщо нам потрібна балансування клітин?
Балансування комірок - це техніка, при якій рівні напруги кожного окремого елемента, підключеного послідовно для формування акумуляторної батареї, підтримуються рівними для досягнення максимальної ефективності акумуляторної батареї. Коли різні комірки об'єднуються разом, щоб утворити акумуляторну батарею, завжди переконуються, що вони мають однакові хімічні показники та значення напруги. Але як тільки пакет встановлений та підданий зарядці та розрядці, значення напруги окремих комірок, як правило, змінюються через деякі причини, про які ми поговоримо пізніше. Ця зміна рівнів напруги спричиняє розбалансування комірок, що призведе до однієї з наступних проблем
Тепловий втечаНайгірше, що може статися, - це тепловий втеча. Як ми знаємо, клітини літію дуже чутливі до перезарядки та надмірного розряду. У пачці з чотирьох елементів, якщо одна комірка становить 3,5 В, а інша - 3,2 В, заряд заряджатиме всі елементи разом, оскільки вони послідовно, і вона буде заряджати елемент 3,5 В до напруги, що перевищує рекомендовану, оскільки інші батареї все ще працюють вимагають зарядки.
Деградація клітинКоли літієвий елемент перезаряджений навіть трохи вище рекомендованого значення, ефективність та життєвий цикл клітини зменшуються. Наприклад, невелике збільшення напруги зарядки з 4,2 В до 4,25 В призведе до погіршення стану акумулятора на 30%. Отже, якщо балансування комірок не є точним, навіть незначний перезаряд зменшить час автономної роботи.
Неповна зарядка пакетаОскільки батареї в пачці старіють, деякі осередки можуть бути слабшими, ніж сусідні осередки. Ці клітини цього тижня будуть величезною проблемою, оскільки вони будуть заряджатися і розряджатися швидше, ніж звичайні здорові клітини. Під час заряджання акумуляторної батареї послідовними елементами процес зарядки слід зупинити, навіть якщо одна комірка досягне максимальної напруги. Таким чином, якщо дві батареї в акумуляторній батареї отримують тиждень, вони заряджатимуться швидше, і, отже, решта елементів не буде заряджена до максимуму, як показано нижче.
Так само в тому ж випадку, коли акумулятор розряджається, слабкі елементи розряджаються швидше, ніж здорові елементи, і вони досягають мінімальної напруги швидше, ніж інші елементи. Як ми дізналися в нашій статті BMS, блок буде відключений від навантаження, навіть якщо одна комірка досягне мінімальної напруги. Це призводить до невикористаної потужності енергії упаковки, як показано нижче.
З урахуванням усіх вищезазначених можливих недоліків, що розглядаються, ми можемо зробити висновок, що балансування комірок було б обов’язковим для використання акумуляторної батареї до максимальної ефективності. Проте існує небагато додатків, де початкова вартість повинна бути дуже низькою, а заміна акумулятора не є проблемою, оскільки в цих додатках можна уникнути балансування комірок. Але в більшості додатків, включаючи електромобілі, балансування клітин є обов’язковим, щоб отримати максимум соку з акумуляторної батареї.
Що спричиняє розбалансування комірок у акумуляторних батареях?
Тепер ми знаємо, чому важливо підтримувати баланс усіх елементів у акумуляторній батареї. Але для правильного вирішення проблеми ми повинні знати, чому клітини з перших рук стають незбалансованими. Як було сказано раніше, коли акумулятор формується шляхом послідовного розміщення елементів, переконується, що всі елементи мають однаковий рівень напруги. Тож свіжа батарея завжди матиме збалансовані елементи. Але коли пакет використовується, клітини стають незбалансованими з наступних причин.
SOC дисбаланс
Вимірювання SOC клітини є складним; отже, дуже складно вимірювати SOC окремих елементів у батареї. Ідеальна техніка балансування комірок повинна відповідати коміркам одного і того ж SOC замість того самого рівня напруги (OCV). Але оскільки практично неможливо зіставити осередки лише за напругою під час виготовлення пакета, коливання SOC може призвести до зміни OCV з часом.
Зміни внутрішнього опору
Дуже важко знайти комірки з однаковим внутрішнім опором (ІЧ), і в міру того, як акумулятор старіє, ІЧ комірки також змінюється, і тому в акумуляторній батареї не всі комірки матимуть однаковий ІЧ. Як ми знаємо, ІЧ сприяє внутрішньому імпедансу комірки, який визначає струм, що протікає через комірку. Оскільки ІЧ змінюється, струм через комірку і його напруга також змінюються.
Температура
Ємність заряду та розряду комірки також залежить від температури навколо неї. У величезному акумуляторному блоці, як в електромобілях або сонячних батареях, клітини розподіляються по відходах, і може спостерігатися різниця температур між самим блоком, що призводить до того, що одна комірка заряджається або розряджається швидше, ніж інші елементи, що викликає дисбаланс.
З вищевказаних причин зрозуміло, що ми не можемо запобігти незбалансованості клітини під час операції. Отже, єдиним рішенням є використання зовнішньої системи, яка змушує клітини знову збалансуватись після того, як вони розбалансуються. Ця система називається системою балансування акумулятора. Існує багато різних апаратних та програмних методів, що використовуються для балансування елементів батареї. Давайте обговоримо типи та широко використовувані методи.
Види балансування елементів акумулятора
Методи балансування клітин можна класифікувати на наступні чотири категорії, перелічені нижче. Ми обговоримо кожну категорію.
- Пасивне балансування комірок
- Активне балансування клітин
- Балансування клітин без втрат
- Відновлювальний човник
1. Пасивне балансування комірок
Пасивний метод балансування клітин - найпростіший із усіх методів. Його можна використовувати в місцях, де вартість та розмір є основними обмеженнями. Далі подано два типи пасивного балансування клітин.
Шунтування заряду
У цьому методі фіктивне навантаження, як резистор, використовується для розрядки надлишкової напруги та вирівнювання її з іншими елементами. Ці резистори називаються байпасними резисторами або резисторами, що обдуваються. Кожна комірка, послідовно з'єднана в пакеті, матиме власний байпасний резистор, підключений через перемикач, як показано нижче.
Наведена вище схема вибірки показує чотири комірки, кожна з яких підключена до двох байпасних резисторів через перемикач, подібний MOSFET. Контролери вимірюють напругу всіх чотирьох комірок і вмикають MOSFET для комірки, напруга якої вище, ніж у інших комірок. Коли мосфет включений, ця комірка починає розряджатися через резистори. Оскільки ми знаємо значення резисторів, ми можемо передбачити, скільки заряду розсіюється клітиною. Конденсатор, підключений паралельно комірці, використовується для фільтрації стрибків напруги під час перемикання.
Цей метод не є дуже ефективним, оскільки електрична енергія розсіюється у вигляді тепла в резисторах, а схема також враховує комутаційні втрати. Іншим недоліком є те, що весь струм розряду протікає через MOSFET, який в основному вбудований в мікросхему контролера, і, отже, струм розряду повинен бути обмежений низькими значеннями, що збільшує час розряду. Одним із способів подолати недолік є використання зовнішнього перемикача для збільшення струму розряду, як показано нижче
Внутрішній P-канальний MOSFET спрацьовує контролером, який змушує комірку розряджатися (I-bias) через резистори R1 і R2. Значення R2 вибирається таким чином, що падіння напруги, що відбувається на ньому внаслідок потоку струму розряду (I-зміщення), є достатнім для спрацьовування другого N-канального MOSFET-транзистора. Ця напруга називається напругою джерела затвора (Vgs), а струм, необхідний для зміщення MOSFET, називається струмом зміщення (I-bias).
Після включення N-канального MOSFET струм протікає через балансуючий резистор R-Bal . Значення цього резистора може бути низьким, що дозволяє пропускати через нього більше струму і тим самим швидше розряджати акумулятор. Цей струм називається струмом стоку (I-drain). У цій схемі загальний струм розряду є сумою струму стоку і струму зміщення. Коли P-канальний MOSFET вимикається контролером, струм зміщення дорівнює нулю, і, отже, напруга Vgs також отримує нуль. Це вимикає N-канальний MOSFET, залишаючи акумулятор, щоб знову стати ідеальним.
ІС пасивного балансування клітин
Хоча пасивна техніка балансування не є ефективною, вона частіше використовується через цю простоту та низьку вартість. Замість того, щоб проектувати апаратне забезпечення, ви також можете використовувати декілька легко доступних мікросхем, таких як LTC6804 та BQ77PL900 від таких відомих виробників, як Linear та Texas, відповідно. Ці ІС можуть бути каскадними для моніторингу декількох комірок та економить час і витрати на розробку.
Обмеження заряду
Метод обмеження заряду є найбільш неефективним із усіх методів. Тут враховується лише безпека та час служби акумулятора, відмовляючись від ефективності. У цьому методі напруга окремих комірок контролюється постійно.
Під час процесу зарядки, навіть якщо одна комірка досягає повної напруги заряду, зарядка припиняється, залишаючи інші елементи на половині шляху. Подібним чином під час розрядки, навіть якщо одна комірка досягає мінімальної граничної напруги, акумулятор від'єднується від навантаження, поки блок знову не зарядиться.
Хоча цей метод неефективний, він зменшує витрати та вимоги до розміру. Тому він використовується в програмі, де батареї часто можна заряджати.
2. Активне балансування клітин
При пасивному балансуванні комірок надлишок заряду не використовувався, отже, він вважається неефективним. Тоді як при активному балансуванні надлишок форми заряду одна комірка переноситься в іншу комірку з низьким зарядом для їх вирівнювання. Це досягається використанням елементів, що зберігають заряд, таких як конденсатори та індуктори. Існує безліч методів проведення активного балансування клітин, що дозволяє обговорити загальновживані.
Зарядні човники (літаючі конденсатори)
Цей метод використовує конденсатори для передачі заряду від елемента високої напруги до елемента низької напруги. Конденсатор підключається за допомогою перемикачів SPDT, спочатку перемикач підключає конденсатор до елемента високої напруги, і як тільки конденсатор заряджений, комутатор підключає його до комірки низької напруги, де заряд від конденсатора надходить у комірку. Оскільки заряд є човниковим між елементами, цей метод називається човниковим зарядом. Наведений нижче малюнок повинен допомогти вам краще зрозуміти.
Ці конденсатори називаються літаючими конденсаторами, оскільки летять між елементами низької та високої напруги, що несуть зарядні пристрої. Недоліком цього методу є те, що заряд можна передавати лише між сусідніми елементами. Крім того, потрібно більше часу, оскільки для передачі зарядів конденсатор потрібно зарядити, а потім розрядити. Він також є набагато менш ефективним, оскільки під час заряджання та розрядження конденсатора буде втрачатися енергія, а також слід враховувати втрати від перемикання. На зображенні нижче показано, як літаючий конденсатор буде підключений до акумуляторної батареї
Індуктивний перетворювач (метод Buck Boost)
Іншим методом активного балансування комірок є використання індукторів та комутаційних ланцюгів. У цьому методі схема перемикання складається з перетворювача підвищення напруги . Заряд від елемента високої напруги закачується в індуктор, а потім розряджається в елемент низької напруги за допомогою перетворювача підвищення напруги. На малюнку нижче зображений індуктивний перетворювач, який має лише дві комірки та перетворювач посилення на один бак.
У наведеній вище схемі заряд може передаватися від комірки 1 до комірки 2, перемикаючи МОП-транзистори sw1 і sw2 наступним чином. Спочатку перемикач SW1 закритий, це змусить заряд від комірки 1 надходити в індуктор із струмовим I-зарядом. Після повного заряджання котушки індуктивності перемикач SW1 відкривається, а перемикач SW2 закривається.
Тепер індуктор, який повністю заряджений, поверне свою полярність і почне розряджатися. Цього разу заряд утворює індуктор, що впадає в комірку2 із струмовим I-розрядом. Після повного розрядження котушки індуктивності перемикач sw2 відкривається і перемикач sw1 закривається, щоб повторити процес. Наведені нижче сигнали допоможуть вам отримати чітке уявлення.
Протягом часу t0 перемикач sw1 закритий (увімкнений), що призводить до збільшення струму I заряду і збільшення напруги на індукторі (VL). Потім, як тільки індуктор повністю зарядиться в момент t1, перемикач sw1 відкривається (вимикається), що змушує індуктор розряджати заряд, накопичений на попередньому кроці. Коли індуктор розряджається, він змінює полярність, отже напруга VL відображається негативно. При розряді струм розряду (I розряд) зменшується від максимального значення. Весь цей струм надходить у комірку 2, щоб зарядити його. Допускається невеликий інтервал від часу t2 до t3, а потім при t3 весь цикл повторюється знову.
Цей метод також страждає від головного недоліку, що заряд міг передаватися лише від верхньої комірки до нижчої комірки. Також слід враховувати втрати при перемиканні та падіння напруги діода. Але це швидше і ефективніше, ніж конденсаторний метод.
Індуктивний перетворювач (назад на базі)
Як ми обговорювали, метод перетворювача підсилення доларів міг передавати заряди лише з верхньої комірки в нижню комірку. Цю проблему можна уникнути, використовуючи Fly back converter і трансформатор. У перетворювачі типу зворотного зв'язку основна сторона обмотки підключена до акумуляторної батареї, а вторинна сторона - до кожної окремої комірки акумуляторної батареї, як показано нижче
Як ми знаємо, батарея працює з постійним струмом, і трансформатор не матиме ефекту, поки напруга не буде змінено. Отже, для початку процесу зарядки перемикається перемикач на стороні Sp первинної котушки. Це перетворює постійний струм в імпульсний постійний струм, і основна сторона трансформатора активується.
Тепер на вторинній стороні кожна комірка має свій власний вимикач і вторинну котушку. Перемикаючи мос-транзистор низьковольтної комірки, ми можемо змусити цю котушку діяти як вторинна для трансформатора. Таким чином заряд з первинної котушки переноситься на вторинну котушку. Це спричиняє розряд загальної напруги акумуляторної батареї в слабкому елементі.
Найбільша перевага цього методу полягає в тому, що будь-яку слабку комірку в блоці можна легко зарядити від напруги в батареї, а не розряд конкретної комірки. Але оскільки в трансформаторі задіяний трансформатор, він займає великий простір, і складність схеми висока.
3. Балансування без втрат
Балансування без втрат - нещодавно розроблений метод, який зменшує втрати за рахунок зменшення апаратних компонентів та забезпечення більшого програмного контролю. Це також робить систему простішою та легшою для проектування. Цей метод використовує схему перемикання матриць, яка забезпечує можливість додавання або видалення комірки з пакета під час зарядки та розрядки. Проста схема перемикання матриці для восьми комірок показана нижче.
Під час процесу зарядки клітина, яка знаходиться під високою напругою, буде вилучена з упаковки за допомогою перемикачів. На наведеному малюнку комірка 5 виймається з упаковки за допомогою перемикачів. Вважайте кола червоної лінії відкритими перемикачами, а коло синьої лінії - замкненими. Таким чином, час відпочинку слабших елементів збільшується під час зарядки, щоб збалансувати їх під час зарядки. Але зарядну напругу потрібно регулювати відповідно. Цією ж технікою можна дотримуватися і під час виписки.
4. Редокс-човник
Остаточний метод призначений не для дизайнерів обладнання, а для інженерів-хіміків. У свинцево-кислотному акумуляторі ми не маємо проблеми з балансуванням елементів, оскільки коли свинцево-кислотний акумулятор перезаряджений, він спричинює газоутворення, що перешкоджає його перезарядці. Ідея човника Redox полягає в тому, щоб спробувати досягти того самого ефекту на клітини літію, змінивши хімію електроліту літієвої клітини. Цей модифікований електроліт повинен запобігти перезарядці клітини.
Алгоритми балансування комірок
Ефективна техніка балансування комірок повинна поєднувати апаратне забезпечення з належним алгоритмом. Існує багато алгоритмів балансування комірок, і це залежить від апаратної конструкції. Але типи можна звести до двох різних розділів.
Вимірювання напруги розімкнутого ланцюга (OCV)
Це простий і найчастіше застосовуваний метод. Тут вимірюються напруги відкритих комірок для кожної комірки, і ланцюг балансування комірок працює для вирівнювання значень напруги всіх послідовно з'єднаних комірок. Виміряти OCV (напруга розімкнутого ланцюга) просто, а отже, складність цього алгоритму менша.
Вимірювальний рівень заряду (SOC)
У цьому методі SOC клітин збалансований. Оскільки ми вже знаємо, вимірювання SOC комірки є складним завданням, оскільки нам потрібно враховувати значення напруги та струму комірки протягом певного періоду, щоб вирахувати значення SOC. Цей алгоритм є складним і використовується в місцях, де необхідна висока ефективність та безпека, як, наприклад, в аерокосмічній та космічній промисловості.
На цьому стаття закінчується. Сподіваюся, тепер ви отримали коротке уявлення про те, що таке балансування комірок, як це реалізовано на апаратному та програмному рівні. Якщо у вас є якісь ідеї чи методи, поділіться ними у розділі коментарів або скористайтеся форумами, щоб отримати технічну допомогу.