Techniki równoważenia komórek i jak ich używać

Nominalne ogniwo litowe jest oceniane tylko na około 4,2 V, ale w zastosowaniach takich jak EV, przenośna elektronika, laptopy, power banki itp. Wymagamy znacznie wyższego napięcia niż jego napięcie nominalne. To jest powód, dla którego projektanci łączą szeregowo więcej niż jedno ogniwo, tworząc pakiet akumulatorów o wyższych wartościach napięcia. Jak wiemy z naszego poprzedniego artykułu o akumulatorach do pojazdów elektrycznych, gdy akumulatory są łączone szeregowo, wartość napięcia jest sumowana. Na przykład, gdy cztery ogniwa litowe 4,2 V są połączone szeregowo, efektywne napięcie wyjściowe powstałego zestawu akumulatorów będzie wynosić 16,8 V.

Ale możesz sobie wyobrazić, że łączenie wielu komórek szeregowo jest jak wsiadanie wielu koni do rydwanu. Tylko wtedy, gdy wszystkie konie biegną z tą samą prędkością, rydwan będzie prowadzony z maksymalną wydajnością. Z czterech koni, jeśli jeden koń biegnie wolno, pozostałe trzy również muszą zmniejszyć swoją prędkość, zmniejszając w ten sposób wydajność, a jeśli jeden koń biegnie szybciej, w końcu zraniłby się, ciągnąc ładunek pozostałych trzech koni. Podobnie, gdy cztery ogniwa są połączone szeregowo, wartości napięcia wszystkich czterech ogniw powinny być równe, aby uzyskać pakiet akumulatorów z maksymalną wydajnością. Metoda utrzymywania równych napięć wszystkich ogniw nazywana jest równoważeniem ogniw. W tym artykule dowiemy się więcej o równoważeniu komórek, a także pokrótce o tym, jak ich używać na poziomie sprzętu i oprogramowania.

Dlaczego potrzebujemy równoważenia komórek?

Równoważenie ogniw to technika, w której poziomy napięcia każdego pojedynczego ogniwa połączonego szeregowo w celu utworzenia pakietu akumulatorów są utrzymywane na równym poziomie, aby osiągnąć maksymalną wydajność zestawu akumulatorów. Kiedy różne ogniwa są łączone razem, aby utworzyć pakiet baterii, zawsze zapewnia się, że mają one ten sam skład chemiczny i tę samą wartość napięcia. Ale po zainstalowaniu pakietu i poddaniu go ładowaniu i rozładowywaniu, wartości napięcia poszczególnych ogniw mają tendencję do zmiany z pewnych powodów, które omówimy później. Ta zmiana poziomów napięcia powoduje asymetrię ogniw, co prowadzi do jednego z następujących problemów

Thermal Runaway

Najgorszą rzeczą, jaka może się zdarzyć, jest ucieczka termiczna. Jak wiemy, ogniwa litowe są bardzo wrażliwe na przeładowanie i nadmierne rozładowanie. W pakiecie czterech ogniw, jeśli jedno ogniwo ma napięcie 3,5 V, a drugie 3,2 V, ładowanie będzie ładować wszystkie ogniwa razem, ponieważ są one połączone szeregowo i ładuje ogniwo 3,5 V do napięcia wyższego niż zalecane, ponieważ pozostałe akumulatory są nadal wymagają ładowania.

Degradacja komórek

Gdy ogniwo litowe jest przeładowane nawet nieco powyżej jego zalecanej wartości, wydajność i cykl życia ogniwa ulegają zmniejszeniu. Na przykład niewielki wzrost napięcia ładowania z 4,2 V do 4,25 V spowoduje szybszą degradację akumulatora o 30%. Jeśli więc równoważenie ogniw nie jest dokładne, nawet niewielkie przeładowanie skróci żywotność baterii.

Niekompletne naładowanie pakietu

W miarę starzenia się baterii w pakiecie kilka ogniw może być słabszych niż sąsiadujące. W tym tygodniu komórki będą ogromnym problemem, ponieważ będą się ładować i rozładowywać szybciej niż normalna zdrowa komórka. Podczas ładowania pakietu akumulatorów z ogniwami szeregowymi proces ładowania należy przerwać, nawet jeśli jedno ogniwo osiągnie maksymalne napięcie. W ten sposób, jeśli dwa ogniwa w pakiecie otrzymają tydzień, będą ładować się szybciej, a zatem pozostałe ogniwa nie będą ładowane do maksymalnego poziomu, jak pokazano poniżej.

Niecałkowite wykorzystanie energii Paczki

Podobnie w tym samym przypadku, gdy akumulator jest rozładowywany, słabsze ogniwa rozładują się szybciej niż zdrowe ogniwo i szybciej osiągną minimalne napięcie niż inne ogniwa. Jak dowiedzieliśmy się w naszym artykule dotyczącym BMS, pakiet zostanie odłączony od obciążenia, nawet jeśli jedno ogniwo osiągnie minimalne napięcie. Prowadzi to do niewykorzystanej pojemności energii pakietu, jak pokazano poniżej.

Biorąc pod uwagę wszystkie powyższe możliwe wady, możemy wywnioskować, że równoważenie ogniwa byłoby obowiązkowe, aby wykorzystać pakiet akumulatorów do jego maksymalnej wydajności. Nadal istnieje kilka aplikacji, w których początkowy koszt powinien być bardzo niski, a wymiana baterii nie stanowi problemu w tych aplikacjach, których można by uniknąć. Jednak w większości zastosowań, w tym w pojazdach elektrycznych, wyważanie ogniw jest obowiązkowe, aby uzyskać maksymalny poziom mocy z akumulatora.

Co powoduje brak równowagi ogniw w pakietach baterii?

Teraz wiemy, dlaczego ważne jest zrównoważenie wszystkich ogniw w pakiecie baterii. Ale aby właściwie rozwiązać problem, powinniśmy wiedzieć, dlaczego komórki są niezrównoważone w pierwszej ręce. Jak powiedziano wcześniej, kiedy zestaw baterii jest tworzony przez umieszczenie ogniw szeregowo, zapewnia się, że wszystkie ogniwa mają ten sam poziom napięcia. Tak więc nowy pakiet baterii zawsze będzie miał zrównoważone ogniwa. Ale gdy pakiet jest używany, ogniwa tracą równowagę z następujących powodów.

Brak równowagi SOC

Pomiar SOC komórki jest skomplikowany; w związku z tym pomiar SOC poszczególnych ogniw w baterii jest bardzo złożony. Idealna technika równoważenia ogniw powinna dopasować komórki o tym samym SOC zamiast tych samych poziomów napięcia (OCV). Ale ponieważ praktycznie nie jest możliwe, aby komórki były dopasowywane tylko pod względem napięcia podczas tworzenia pakietu, zmiana SOC może prowadzić do zmiany OCV w odpowiednim czasie.

Zmiana rezystancji wewnętrznej

Bardzo trudno jest znaleźć ogniwa o takiej samej rezystancji wewnętrznej (IR), a wraz ze starzeniem się baterii zmienia się również IR komórki, a zatem w pakiecie baterii nie wszystkie ogniwa będą miały taką samą podczerwień. Jak wiemy, IR przyczynia się do wewnętrznej impedancji ogniwa, która określa prąd przepływający przez ogniwo. Ponieważ IR zmienia się, zmienia się również prąd przepływający przez ogniwo i jego napięcie.

Temperatura

Zdolność ładowania i rozładowywania ogniwa zależy również od temperatury wokół niego. W ogromnym pakiecie baterii, takim jak pojazdy elektryczne lub panele słoneczne, ogniwa są rozmieszczone na obszarach odpadów i może występować różnica temperatur między samym pakietem, co powoduje, że jedno ogniwo ładuje się lub rozładowuje szybciej niż pozostałe ogniwa, powodując brak równowagi.

Z powyższych powodów jasno wynika, że ​​nie możemy zapobiec zachwianiu równowagi komórki podczas operacji. Tak więc jedynym rozwiązaniem jest użycie zewnętrznego systemu, który zmusza komórki do ponownego zrównoważenia po tym, jak stracą równowagę. Ten system nazywa się systemem równoważenia baterii. Istnieje wiele różnych technik sprzętowych i programowych wykorzystywanych do równoważenia ogniw baterii. Omówmy rodzaje i szeroko stosowane techniki.

Rodzaje wyważania ogniw baterii

Techniki równoważenia komórek można ogólnie podzielić na następujące cztery kategorie, które są wymienione poniżej. Omówimy każdą kategorię.

1. Pasywne równoważenie komórek
2. Aktywne równoważenie komórek
3. Bezstratne równoważenie komórek
4. Redox Shuttle

1. Równoważenie komórek pasywnych

Metoda równoważenia komórek pasywnych jest najprostszą ze wszystkich. Może być stosowany w miejscach, w których koszt i rozmiar są głównymi ograniczeniami. Poniżej przedstawiono dwa rodzaje pasywnego równoważenia komórek.

Charge Shunting

W tej metodzie obciążenie pozorne, takie jak rezystor, służy do rozładowania nadmiernego napięcia i wyrównania go z innymi ogniwami. Te rezystory nazywane są rezystorami obejściowymi lub opornikami krwawienia. Każda komórka połączona szeregowo w pakiet będzie miała swój własny rezystor obejściowy podłączony przez przełącznik, jak pokazano poniżej.

Przykładowy obwód powyżej przedstawia cztery ogniwa, z których każda jest podłączona do dwóch rezystorów obejściowych za pośrednictwem przełącznika, takiego jak MOSFET. Kontrolery mierzą napięcie wszystkich czterech ogniw i włączają mosfet dla ogniwa, którego napięcie jest wyższe niż innych ogniw. Kiedy mosfet jest włączony, ta konkretna komórka zaczyna rozładowywać się przez rezystory. Ponieważ znamy wartość rezystorów, możemy przewidzieć, ile ładunku jest rozpraszane przez ogniwo. Kondensator połączony równolegle z ogniwem służy do filtrowania skoków napięcia podczas przełączania.

Ta metoda nie jest zbyt wydajna, ponieważ energia elektryczna jest rozpraszana w postaci ciepła w rezystorach, a obwód uwzględnia również straty przełączania. Inną wadą jest to, że cały prąd rozładowania przepływa przez mosfet, który jest głównie wbudowany w kontroler IC, a zatem prąd rozładowania musi być ograniczony do niskich wartości, co wydłuża czas rozładowania. Jednym ze sposobów przezwyciężenia tej wady jest użycie zewnętrznego przełącznika w celu zwiększenia prądu rozładowania, jak pokazano poniżej

Wewnętrzny tranzystor MOSFET z kanałem P zostanie wyzwolony przez kontroler, co spowoduje rozładowanie ogniwa (odchylenie I) przez rezystory R1 i R2. Wartość R2 dobierana jest w taki sposób, aby występujący na nim spadek napięcia spowodowany przepływem prądu rozładowania (I-bias) był wystarczający do wyzwolenia drugiego N-kanałowego tranzystora MOSFET. To napięcie nazywane jest napięciem źródła bramki (Vgs), a prąd wymagany do polaryzacji tranzystora MOSFET nazywany jest prądem polaryzacji (I-bias).

Po włączeniu tranzystora MOSFET z kanałem N prąd przepływa teraz przez rezystor równoważący R-Bal . Wartość tego rezystora może być niska, umożliwiając przepływ większej ilości prądu, a tym samym szybsze rozładowanie akumulatora. Ten prąd nazywany jest prądem drenu (dren I). W tym obwodzie całkowity prąd rozładowania jest sumą prądu drenu i prądu polaryzacji. Gdy tranzystor MOSFET z kanałem P jest wyłączony przez sterownik, prąd polaryzacji wynosi zero, a zatem napięcie Vgs również osiąga zero. Powoduje to wyłączenie N-kanałowego MOSFET-u, pozostawiając baterię, aby znów była idealna.

Układy scalone równoważące pasywne komórki

Chociaż technika równoważenia pasywnego nie jest wydajna, jest powszechnie stosowana ze względu na tę prostotę i niski koszt. Zamiast projektować sprzęt, możesz również użyć kilku łatwo dostępnych układów scalonych, takich jak LTC6804 i BQ77PL900, pochodzących od renomowanych producentów, takich jak instrumenty Linear i Texas. Te układy scalone można łączyć kaskadowo w celu monitorowania wielu komórek, co pozwala zaoszczędzić czas i koszty projektowania.

Ograniczanie opłat

Metoda ograniczania opłat jest najbardziej nieefektywną metodą ze wszystkich. Tutaj brane jest pod uwagę tylko bezpieczeństwo i żywotność baterii, rezygnując z wydajności. W tej metodzie napięcia poszczególnych ogniw są stale monitorowane.

Podczas procesu ładowania, nawet jeśli jedno ogniwo osiągnie pełne napięcie ładowania, ładowanie jest przerywane, pozostawiając pozostałe ogniwa do połowy. Podobnie podczas rozładowywania, nawet jeśli jedno ogniwo osiągnie minimalne napięcie odcięcia, pakiet akumulatorów jest odłączany od obciążenia do czasu ponownego naładowania pakietu.

Chociaż ta metoda jest nieefektywna, zmniejsza wymagania dotyczące kosztów i rozmiaru. Dlatego jest używany w aplikacjach, w których akumulatory mogą być często ładowane.

2. Aktywne równoważenie komórek

W równoważeniu ogniw pasywnych nie wykorzystano nadmiernego ładunku, dlatego uważa się, że jest on nieefektywny. Natomiast w aktywnym równoważeniu nadmiar ładunku z jednej komórki jest przenoszony do innego ogniwa o niskim ładunku w celu ich wyrównania. Osiąga się to poprzez wykorzystanie elementów magazynujących ładunek, takich jak kondensatory i cewki indukcyjne. Istnieje wiele metod przeprowadzania aktywnego równoważenia komórek. Omówmy te powszechnie stosowane.

Charge Shuttle (latające kondensatory)

Ta metoda wykorzystuje kondensatory do przenoszenia ładunku z ogniwa wysokiego napięcia do ogniwa niskiego napięcia. Kondensator jest podłączony przez przełączniki SPDT, początkowo przełącznik łączy kondensator z ogniwem wysokiego napięcia, a po naładowaniu kondensatora przełącznik łączy go z ogniwem niskiego napięcia, gdzie ładunek z kondensatora wpływa do ogniwa. Ponieważ ładunek przemieszcza się między ogniwami, metoda ta nazywana jest transportem ładunkowym. Poniższy rysunek powinien pomóc ci lepiej zrozumieć.

Kondensatory te nazywane są kondensatorami latającymi, ponieważ przelot między ogniwami niskiego i wysokiego napięcia przenoszącymi ładowarki. Wadą tej metody jest to, że ładunek może być przenoszony tylko między sąsiednimi ogniwami. Ponadto potrzeba więcej czasu, ponieważ kondensator musi zostać naładowany, a następnie rozładowany, aby przenieść ładunki. Jest również bardzo mniej wydajny, ponieważ podczas ładowania i rozładowywania kondensatora wystąpią straty energii, a straty przełączania również muszą być uwzględnione. Poniższy rysunek przedstawia sposób podłączenia latającego kondensatora w pakiecie baterii

Przetwornik indukcyjny (metoda Buck Boost)

Inną metodą równoważenia aktywnych ogniw jest użycie cewek indukcyjnych i obwodów przełączających. W tej metodzie obwód przełączający składa się z przetwornika buck-boost . Ładunek z ogniwa wysokiego napięcia jest pompowany do cewki indukcyjnej, a następnie rozładowywany do ogniwa niskiego napięcia za pomocą konwertera buck boost. Poniższy rysunek przedstawia konwerter indukcyjny z tylko dwoma ogniwami i pojedynczym przetwornikiem podwyższającym buck.

W powyższym obwodzie ładunek może zostać przeniesiony z komórki 1 do komórki 2 poprzez przełączanie tranzystorów MOSFET sw1 i sw2 w następujący sposób. Najpierw przełącznik SW1 jest zamknięty, co spowoduje przepływ ładunku z ogniwa 1 do cewki indukcyjnej prądem I. Gdy cewka zostanie w pełni naładowana, przełącznik SW1 zostanie otwarty, a przełącznik sw2 zamknięty.

Teraz cewka, która jest w pełni naładowana, odwróci swoją polaryzację i zacznie się rozładowywać. Tym razem ładunek z cewki indukcyjnej przepływa do ogniwa2 z prądem I-rozładowania. Po całkowitym rozładowaniu cewki wyłącznik sw2 zostaje otwarty, a przełącznik sw1 zamknięty, aby powtórzyć proces. Poniższe przebiegi pomogą Ci uzyskać wyraźny obraz.

W czasie t0 przełącznik sw1 jest zamknięty (włączony), co prowadzi do wzrostu natężenia prądu I i wzrostu napięcia na cewce (VL). Następnie, gdy cewka jest w pełni naładowana w czasie t1, przełącznik sw1 jest otwierany (wyłączany), co powoduje, że induktor rozładowuje ładunek, który zgromadził w poprzednim kroku. Kiedy cewka się rozładowuje, zmienia swoją biegunowość, stąd napięcie VL jest wyświetlane jako ujemne. Podczas rozładowywania prąd rozładowania (rozładowanie I) zmniejsza się od jego maksymalnej wartości. Cały ten prąd wpływa do ogniwa 2, aby je naładować. Dozwolony jest mały odstęp od czasu t2 do t3, a następnie w momencie t3 cały cykl powtarza się ponownie.

Ta metoda ma również poważną wadę polegającą na tym, że ładunek może być przenoszony tylko z ogniwa wyższego do niższego. Należy również uwzględnić straty w przełączaniu i spadek napięcia na diodach. Ale jest szybsza i wydajniejsza niż metoda kondensatorowa.

Przetwornik indukcyjny (oparty na technologii Fly Back)

Jak omówiliśmy, metoda konwertera buck boost może przenosić ładunki tylko z wyższego ogniwa do niższego ogniwa. Tego problemu można uniknąć, stosując konwerter Fly back i transformator. W konwerterze typu flyback strona pierwotna uzwojenia jest połączona z pakietem akumulatorów, a strona wtórna jest podłączona do każdego pojedynczego ogniwa pakietu akumulatorów, jak pokazano poniżej

Jak wiemy, bateria działa na prąd stały, a transformator nie będzie działał, dopóki napięcie nie zostanie przełączone. Aby rozpocząć proces ładowania, należy przełączyć przełącznik po stronie cewki pierwotnej Sp. To przekształca prąd stały w impulsowy prąd stały i aktywowana jest strona pierwotna transformatora.

Teraz po stronie wtórnej każda komórka ma swój własny przełącznik i cewkę wtórną. Przełączając mosfet ogniwa niskiego napięcia, możemy sprawić, że ta konkretna cewka będzie działać jako wtórna dla transformatora. W ten sposób ładunek z cewki pierwotnej jest przenoszony do cewki wtórnej. Powoduje to rozładowanie całkowitego napięcia akumulatora w słabym ogniwie.

Największą zaletą tej metody jest to, że każde słabe ogniwo w pakiecie można łatwo naładować napięciem pakietu, a nie poszczególne ogniwa są rozładowywane. Ale ponieważ obejmuje transformator, zajmuje on dużą przestrzeń, a złożoność obwodu jest wysoka.

3. Bezstratne równoważenie

Równoważenie bezstratne to niedawno opracowana metoda, która zmniejsza straty poprzez redukcję komponentów sprzętowych i zapewnienie większej kontroli oprogramowania. To również sprawia, że ​​system jest prostszy i łatwiejszy do zaprojektowania. Ta metoda wykorzystuje obwód przełączający matrycę, który zapewnia możliwość dodawania lub wyjmowania ogniwa z pakietu podczas ładowania i rozładowywania. Poniżej przedstawiono prosty obwód przełączający macierzy dla ośmiu ogniw.

Podczas ładowania ogniwo, które jest pod wysokim napięciem, zostanie wyjęte z pakietu za pomocą przełączników. Na powyższym rysunku komórka 5 jest wyjmowana z opakowania za pomocą przełączników. Rozważ czerwone kółka jako otwarte przełączniki, a niebieskie kółko jako zamknięte przełączniki. W ten sposób czas spoczynku słabszych ogniw jest wydłużany podczas procesu ładowania, aby zrównoważyć je podczas ładowania. Ale napięcie ładowania należy odpowiednio dostosować. Tę samą technikę można zastosować również podczas rozładowywania.

4. Redox Shuttle

Ostatnia metoda nie jest przeznaczona dla projektantów sprzętu, ale dla inżynierów chemii. W akumulatorze kwasowo-ołowiowym nie mamy problemu z równoważeniem ogniw, ponieważ przeładowanie akumulatora kwasowo-ołowiowego powoduje gazowanie, które zapobiega jego przeładowaniu. Ideą wahadłową Redox jest próba osiągnięcia tego samego efektu na ogniwach litowych poprzez zmianę składu chemicznego elektrolitu w ogniwie litowym. Ten zmodyfikowany elektrolit powinien zapobiegać przeładowaniu ogniwa.

Algorytmy równoważenia komórek

Skuteczna technika równoważenia komórek powinna łączyć sprzęt z odpowiednim algorytmem. Istnieje wiele algorytmów równoważenia komórek i zależy to od konstrukcji sprzętu. Ale typy można sprowadzić do dwóch różnych sekcji.

Pomiar napięcia w obwodzie otwartym (OCV)

Jest to najłatwiejsza i najczęściej stosowana metoda. Tutaj mierzone są napięcia otwartego ogniwa dla każdego ogniwa, a obwód równoważący ogniwa działa w celu wyrównania wartości napięcia wszystkich ogniw połączonych szeregowo. Pomiar OCV (napięcie w obwodzie otwartym) jest prosty, a zatem złożoność tego algorytmu jest mniejsza.

Pomiar stanu naładowania (SOC)

W tej metodzie SOC komórek jest zrównoważona. Jak już wiemy, pomiar SOC komórki jest złożonym zadaniem, ponieważ musimy uwzględnić wartość napięcia i prądu ogniwa w okresie czasu, aby obliczyć wartość SOC. Algorytm ten jest złożony i stosowany w miejscach, w których wymagana jest wysoka wydajność i bezpieczeństwo, np. W przemyśle lotniczym i kosmicznym.

To kończy artykuł tutaj. Mam nadzieję, że teraz masz krótkie pojęcie o tym, czym jest równoważenie komórek, w jaki sposób jest ono realizowane na poziomie sprzętu i oprogramowania. Jeśli masz jakieś pomysły lub techniki, podziel się nimi w sekcji komentarzy lub skorzystaj z forów, aby uzyskać pomoc techniczną.