Ląstelių balansavimo būdai ir kaip juos naudoti

Nominali ličio baterija yra įvertinta tik apie 4,2 V, tačiau tokioms programoms kaip EV, nešiojamoji elektronika, nešiojamieji kompiuteriai, maitinimo bankai ir kt., Mums reikia daug didesnės įtampos nei jos vardinė įtampa. Tai yra priežastis, kodėl dizaineriai sujungia daugiau nei vieną elementą nuosekliai ir sudaro didesnės įtampos akumuliatorių. Kaip žinome iš mūsų ankstesnio „Elektrinių transporto priemonių“ akumuliatorių straipsnio, kai baterijos sujungiamos nuosekliai, įtampos vertė pridedama. Pavyzdžiui, kai nuosekliai sujungtos keturios ličio elementai (4,2 V), gauto akumuliatoriaus efektyvi išėjimo įtampa bus 16,8 V.

Bet jūs galite įsivaizduoti, kad daugybė langelių sujungiami nuosekliai, tarsi pritvirtintumėte daugybę arklių prie vežimo. Tik tuo atveju, jei visi arkliai važiuoja tuo pačiu greičiu, vežimėlis bus varomas maksimaliai efektyviai. Iš keturių arklių, jei vienas žirgas lėtai laksto, kiti trys taip pat turi sumažinti savo greitį, taip sumažindami efektyvumą, o jei vienas žirgas bėgs greičiau, galų gale pakenktų pats, tempdamas kitų trijų arklių apkrovą. Panašiai, kai keturios ląstelės yra sujungtos nuosekliai, visų keturių elementų įtampos vertės turėtų būti lygios, kad gautų akumuliatorių kuo efektyviau. Metodas išlaikyti vienodą elementų įtampą vadinamas ląstelių balansavimu. Šiame straipsnyje mes sužinosime daugiau apie ląstelių balansavimą ir trumpai apie tai, kaip juos naudoti aparatinės ir programinės įrangos lygiu.

Kodėl mums reikia ląstelių balansavimo?

Ląstelių balansavimas yra metodas, kai kiekvieno nuosekliai sujungto elemento, sudarančio akumuliatorių, įtampos lygis palaikomas lygus, kad būtų pasiektas maksimalus baterijos efektyvumas. Sujungus skirtingus elementus, sudarant akumuliatorių, visada įsitikinama, kad jie yra tos pačios cheminės ir įtampos vertės. Tačiau kai paketas bus įdėtas ir įkrautas bei iškrautas, atskirų elementų įtampos vertės gali skirtis dėl kai kurių priežasčių, kurias aptarsime vėliau. Šis įtampos lygio kitimas sukelia ląstelių disbalansą, kuris sukels vieną iš šių problemų

Terminis pabėgimas

Blogiausia, kas gali nutikti, yra terminis pabėgimas. Kaip žinome, ličio ląstelės yra labai jautrios per dideliam ir per dideliam iškrovimui. Keturių elementų pakuotėje, jei viena baterija yra 3,5 V, o kita - 3,2 V, įkrovimas įkrauna visas ląsteles kartu, nes jos yra nuosekliai, o 3,5 V elementą įkraus daugiau nei rekomenduojama, nes kitos baterijos vis dar reikalauti įkrovimo.

Ląstelių irimas

Kai ličio elementas yra įkraunamas net šiek tiek viršijant jo rekomenduojamą vertę, sumažėja ląstelės efektyvumas ir gyvavimo ciklas. Pavyzdžiui, šiek tiek padidinus įkrovimo įtampą nuo 4,2 V iki 4,25 V, akumuliatorius pablogės 30%. Taigi, jei ląstelių balansavimas nėra tikslus, net nedidelis perkrovimas sumažins akumuliatoriaus tarnavimo laiką.

Nebaigtas „Pack“ įkrovimas

Senstant pakuotėje esančioms baterijoms, kelios baterijos gali būti silpnesnės nei kaimyninėse. Šią savaitę ląstelės bus didžiulė problema, nes jos įkraus ir išsikraus greičiau nei įprastos sveikos ląstelės. Kraunant akumuliatorių su serijiniais elementais, įkrovimo procesas turėtų būti sustabdytas, net jei viena ląstelė pasiekia maksimalią įtampą. Tokiu būdu, jei dvi akumuliatoriaus baterijos gaus savaitę, jos bus įkraunamos greičiau, taigi likusios ląstelės nebus įkrautos maksimaliai, kaip parodyta žemiau.

Nebaigtas energijos naudojimas

Panašiai tuo pačiu atveju, kai akumuliatorius iškraunamas, silpnesni elementai išsikraus greičiau nei sveiki elementai ir jie pasieks mažiausią įtampą greičiau nei kiti elementai. Kaip sužinojome mūsų BMS straipsnyje, paketas bus atjungtas nuo apkrovos, net jei viena ląstelė pasieks mažiausią įtampą. Tai lemia nepanaudotą pakuotės energijos pajėgumą, kaip parodyta žemiau.

Atsižvelgus į visus aukščiau išvardytus galimus trūkumus, galime daryti išvadą, kad norint maksimaliai išnaudoti baterijų paketą, privaloma balansuoti ląsteles. Vis dar yra nedaug programų, kuriose pradinės išlaidos turėtų būti labai mažos, o baterijų keitimas nėra problema tose programose, todėl būtų galima išvengti ląstelių balansavimo. Tačiau daugumoje programų, įskaitant elektrines transporto priemones, ląstelių balansavimas yra privalomas, kad iš akumuliatoriaus gautų kuo daugiau sulčių.

Kas lemia ląstelių disbalansą akumuliatoriuose?

Dabar mes žinome, kodėl svarbu išlaikyti visus elementus subalansuotus akumuliatoriuje. Tačiau norėdami tinkamai išspręsti problemą, turėtume žinoti, kodėl ląstelės iš pradžių išbalansuoja. Kaip buvo pasakyta anksčiau, kai akumuliatorių paketas susidaro dedant elementus nuosekliai, įsitikinama, kad visi elementai yra vienodo įtampos. Taigi šviežia baterija visada bus subalansuota. Pradėjus naudoti pakuotę, ląstelės išbalansuoja dėl šių priežasčių.

SOC disbalansas

Ląstelės SOC matavimas yra sudėtingas; todėl labai sudėtinga išmatuoti atskirų elementų SOC akumuliatoriuje. Ideali ląstelių balansavimo technika turėtų atitikti tos pačios SOC elementus, o ne tą patį įtampos (OCV) lygį. Bet kadangi gaminant pakuotę praktiškai neįmanoma, kad elementai būtų suderinti tik pagal įtampos sąlygas, dėl SOC pokyčių tinkamu laiku gali pasikeisti OCV.

Vidinio pasipriešinimo kitimas

Labai sunku rasti vienodo vidinio atsparumo (IR) elementus, o senstant baterijai, keičiasi ir ląstelės IR, todėl akumuliatoriaus bloke ne visos ląstelės turės tą patį IR. Kaip žinome, IR prisideda prie vidinės ląstelės varžos, kuri lemia srovę, tekančią per ląstelę. Kadangi IR yra kintama, srovė per ląstelę ir jos įtampa taip pat keičiasi.

Temperatūra

Elemento įkrovimo ir iškrovimo pajėgumas taip pat priklauso nuo temperatūros aplink ją. Didžiulėje baterijų pakuotėje, tokioje kaip elektromagnetiniai elementai ar saulės matricos, elementai yra paskirstyti atliekų zonose, o pačiame pakete gali būti temperatūros skirtumas, dėl kurio viena ląstelė įkraunama ar išsikrauna greičiau nei likusios elementai, todėl atsiranda disbalansas.

Dėl pirmiau nurodytų priežasčių akivaizdu, kad negalime užkirsti kelio ląstelių pusiausvyros sutrikimo operacijos metu. Taigi, vienintelis sprendimas yra naudoti išorinę sistemą, kuri priverčia ląsteles vėl subalansuoti, kai jos išsibalansuoja. Ši sistema vadinama baterijų balansavimo sistema. Akumuliatoriaus elementų balansavimui naudojami daugybė įvairių techninės ir programinės įrangos būdų. Leiskite aptarti tipus ir plačiai naudojamus metodus.

Baterijos elementų balansavimo tipai

Ląstelių balansavimo metodus galima plačiai suskirstyti į šias keturias kategorijas, kurios yra išvardytos toliau. Aptarsime apie kiekvieną kategoriją.

Pasyvus ląstelių balansavimas
Aktyvus ląstelių balansavimas
Loss balansavimas be nuostolių
„Redox Shuttle“

1. Pasyvus ląstelių balansavimas

Pasyvus ląstelių balansavimo metodas yra paprasčiausias iš visų. Jis gali būti naudojamas tose vietose, kur kaina ir dydis yra pagrindiniai apribojimai. Toliau pateikiami du pasyvaus ląstelių balansavimo tipai.

Krūvio manevravimas

Taikant šį metodą , manekeno apkrova kaip rezistorius naudojama perteklinei įtampai iškrauti ir ją išlyginti su kitomis elementais. Šie rezistoriai vadinami apeinamaisiais arba kraujavimo rezistoriais. Kiekviena pakuotėje nuosekliai sujungta ląstelė turės savo apėjimo varžą, sujungtą per jungiklį, kaip parodyta žemiau.

Aukščiau esančioje pavyzdžio grandinėje rodomos keturios ląstelės, kurių kiekviena yra sujungta su dviem apėjimo rezistoriais per jungiklį, pvz., MOSFET. Valdikliai matuoja visų keturių elementų įtampą ir įjungia elemento, kurio įtampa yra didesnė nei kitų elementų, „mosfet“. Įjungus „mosfet“, būtent ši ląstelė pradeda išsikrauti per rezistorius. Kadangi žinome rezistorių vertę, galime numatyti, kiek krūvio išsklaido elementas. Lygiagrečiai su elementu sujungtas kondensatorius naudojamas įtampos šuoliams filtruoti perjungimo metu.

Šis metodas nėra labai efektyvus, nes elektros energija pasiskirsto kaip šiluma rezistoriuose, o grandinė taip pat atspindi perjungimo nuostolius. Kitas trūkumas yra tas, kad visa išlydžio srovė teka per „mosfet“, kuri dažniausiai yra įmontuota į valdiklio IC, todėl išleidimo srovė turi būti ribojama iki mažų verčių, o tai padidina išleidimo laiką. Vienas iš būdų įveikti trūkumą yra išorinio jungiklio naudojimas iškrovos srovei padidinti, kaip parodyta žemiau

Vidinį P kanalo MOSFET suveiks valdiklis, dėl kurio ląstelė išsikrauna (I šališkumas) per rezistorius R1 ir R2. R2 reikšmė parenkama taip, kad įtampos kritimas, atsirandantis joje dėl iškrovos srovės srauto (I šališkumo), yra pakankamas, kad suaktyvintų antrąjį N kanalo MOSFET. Ši įtampa vadinama vartų šaltinio įtampa (Vgs), o srovė, reikalinga MOSFET įstrižai, vadinama šališkumo srove (I-bias).

Įjungus N kanalo MOSFET, srovė dabar teka per balansavimo rezistorių R-Bal . Šio rezistoriaus vertė gali būti maža, leidžiant daugiau srovės praeiti ir taip greičiau iškrauti akumuliatorių. Ši srovė vadinama nutekėjimo srove (I-nutekėjimas). Šioje grandinėje bendra išlydžio srovė yra drenažo srovės ir šališkos srovės suma. Valdikliui išjungus P kanalo MOSFET, įtampos srovė yra lygi nuliui, taigi įtampa Vgs taip pat tampa nulis. Tai išjungia N kanalo MOSFET paliekant bateriją, kad vėl būtų idealu.

Pasyviųjų ląstelių balansavimo IC

Nors pasyviojo balansavimo technika nėra efektyvi, ji dažniausiai naudojama dėl šio paprastumo ir mažos kainos. Užuot sukūrę aparatinę įrangą, taip pat galite naudoti keletą lengvai prieinamų IC, tokių kaip „LTC6804“ ir „BQ77PL900“ iš garsių gamintojų, tokių kaip „Linear“ ir „Texas“ prietaisai. Šiuos IC galima pakopomis stebėti kelioms ląstelėms ir sutaupyti kūrimo laiko bei išlaidų.

Mokesčio ribojimas

Krūvio ribojimo metodas yra pats neefektyviausias metodas. Čia atsižvelgiama tik į akumuliatoriaus saugumą ir tarnavimo laiką, atsisakant efektyvumo. Taikant šį metodą, nuolat stebima atskirų elementų įtampa.

Įkrovimo proceso metu, net jei viena ląstelė pasiekia visą įkrovimo įtampą, įkrovimas sustabdomas paliekant kitas ląsteles pusę kelio. Panašiai iškrovimo metu, net jei viena ląstelė pasiekia mažiausią išjungimo įtampą, akumuliatoriaus paketas atjungiamas nuo apkrovos, kol pakuotė vėl įkraunama.

Nors šis metodas yra neefektyvus, sumažėja sąnaudų ir dydžio reikalavimai. Todėl jis naudojamas programoje, kur dažnai galima įkrauti baterijas.

2. Aktyvus ląstelių balansavimas

Pasyvaus elementų balansavimo metu nebuvo naudojamas perteklinis mokestis, todėl jis laikomas neefektyviu. Kadangi aktyviai balansavimo perteklius mokestis sudaro vieną mobilųjį perkeliama į kitą mažą mokestį ląstelių išlyginti juos. Tai pasiekiama naudojant krūvį kaupiančius elementus, tokius kaip kondensatoriai ir induktoriai. Yra daug būdų, kaip atlikti aktyvų ląstelių balansavimą, leidžiantį aptarti dažniausiai naudojamus.

Įkrovimo pervežimai (skraidantys kondensatoriai)

Šis metodas naudoja kondensatorius įkrovos perkėlimui iš aukštos įtampos elemento į žemos įtampos elementą. Kondensatorius yra prijungtas per SPDT jungiklius. Iš pradžių jungiklis sujungia kondensatorių su aukštos įtampos elementu, o įkraunant kondensatorių, jungiklis prijungia jį prie žemos įtampos elemento, kur įkrovimas iš kondensatoriaus patenka į elementą. Kadangi mokestis vyksta tarp langelių, šis metodas vadinamas įkraunamaisiais elementais. Žemiau pateiktas paveikslas turėtų padėti geriau suprasti.

Šie kondensatoriai vadinami skraidančiaisiais kondensatoriais, nes skrieja tarp žemos ir aukštos įtampos elementų, nešiojančių įkroviklius. Šio metodo trūkumas yra tas, kad krūvį galima perkelti tik tarp gretimų elementų. Taip pat reikia daugiau laiko, nes kondensatorius turi būti įkrautas, o tada iškraunamas, kad būtų perkelti mokesčiai. Tai taip pat yra labai ne tokia efektyvi, nes kraunant ir iškraunant kondensatorių bus prarasta energija, taip pat reikia atsižvelgti į perjungimo nuostolius. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kaip skraidantis kondensatorius bus prijungtas akumuliatoriuje

Indukcinis keitiklis („Buck Boost“ metodas)

Kitas aktyvaus ląstelių balansavimo metodas yra induktorių ir perjungimo grandinių naudojimas. Taikant šį metodą, perjungimo grandinę sudaro „buck boost“ keitiklis . Aukštos įtampos elemento krūvis pumpuojamas į induktorių ir tada išleidžiamas į žemos įtampos elementą naudojant „buck boost“ keitiklį. Žemiau pateiktame paveiksle pavaizduotas indukcinis keitiklis, turintis tik dvi ląsteles ir vieną „buck boost“ keitiklį.

Pirmiau pateiktoje grandinėje mokestis gali būti perkeltas iš 1 langelio į 2 langelį, perjungiant MOSFETS sw1 ir sw2 tokiu būdu. Pirmiausia SW1 jungiklis yra uždarytas, todėl iš 1 elemento įkrova tekės į induktorių su I srovės įkrova. Kai induktorius yra visiškai įkrautas, SW1 jungiklis atidaromas ir jungiklis sw2 uždaromas.

Dabar visiškai įkrautas induktorius pakeis savo poliškumą ir pradės išsikrauti. Šį kartą krūvio forma induktorius teka į celę2 su dabartine I iškrova. Kai induktorius visiškai išsikrauna, jungiklis sw2 atidaromas ir jungiklis sw1 uždaromas, kad procesas būtų pakartotas. Žemiau pateiktos bangos padės jums gauti aiškų vaizdą.

Per laiką t0 jungiklis sw1 yra uždarytas (įjungtas), dėl kurio padidėja srovė, kurią įkraunu, o įtampa per induktorių (VL) padidėja. Tada, kai induktorius yra visiškai įkrautas t1 metu, atidaromas (išjungiamas) jungiklis sw1, kuris priverčia induktorių iškrauti ankstesniame etape sukauptą krūvį. Kai induktorius išsikrauna, jis keičia savo poliškumą, todėl įtampa VL rodoma neigiama. Iškraunant išleidimo srovę (I iškrovą) sumažėja nuo didžiausios vertės. Visa ši srovė patenka į 2 langelį, kad ją įkrautų. Nuo laiko t2 iki t3 leidžiamas nedidelis intervalas, o tada t3 metu visas ciklas vėl kartojasi.

Šis metodas taip pat turi didelį trūkumą, kad mokestis gali būti perkeltas tik iš aukštesnio elemento į žemesnį elementą. Taip pat reikėtų atsižvelgti į perjungimo nuostolius ir diodų įtampos kritimą. Bet tai yra greitesnis ir efektyvesnis nei kondensatoriaus metodas.

Indukcinis keitiklis (skristi atgal)

Kaip mes aptarėme „buck boost“ keitiklio metodą, mokesčiai galėjo būti perkelti tik iš aukštesnės ląstelės į apatinę ląstelę. Šios problemos galima išvengti naudojant „Fly back“ keitiklį ir transformatorių. „Flyback“ tipo keitiklyje pagrindinė apvijos pusė yra prijungta prie akumuliatoriaus bloko, o antrinė - prie kiekvienos atskiros akumuliatoriaus elemento, kaip parodyta žemiau

Kaip žinome, akumuliatorius veikia su nuolatine srove ir transformatorius neturės jokios įtakos, kol nebus perjungta įtampa. Taigi, norint pradėti įkrovimo procesą, perjungiamas pirminės ritės pusės Sp jungiklis. Tai paverčia nuolatinę įtampą į impulsinę nuolatinę srovę ir įjungiama transformatoriaus pagrindinė pusė.

Dabar antrinėje pusėje kiekviena ląstelė turi savo jungiklį ir antrinę ritę. Perjungdami žemos įtampos elemento „mosfet“, galime priversti tą konkrečią ritę veikti kaip antrinį transformatoriui. Tokiu būdu pirminės ritės krūvis perkeliamas į antrinę ritę. Dėl to bendra akumuliatoriaus įtampa išsikrauna į silpną kamerą.

Didžiausias šio metodo privalumas yra tas, kad bet kurią silpną pakuotės ląstelę galima lengvai įkrauti iš pakuotės įtampos, o ne tam tikra ląstelė yra išmetimas. Bet kadangi apima transformatorių, jis užima didelę erdvę ir grandinės sudėtingumas yra didelis.

3. Balansavimas be nuostolių

Balansavimas be nuostolių yra neseniai sukurtas metodas, mažinantis nuostolius sumažinant aparatūros komponentus ir užtikrinant didesnį programinės įrangos valdymą. Tai taip pat supaprastina ir suprojektuoja sistemą. Šis metodas naudoja matricos perjungimo grandinę, kuri suteikia galimybę pridėti arba pašalinti ląstelę iš pakuotės įkrovimo ir iškrovimo metu. Žemiau parodyta paprasta aštuonių elementų matricos perjungimo grandinė.

Įkrovimo proceso metu aukštos įtampos elementas bus pašalintas iš pakuotės naudojant jungiklio išdėstymą. Aukščiau pateiktame paveikslėlyje ląstelė 5 pašalinama iš pakuotės naudojant jungiklius. Laikykite, kad raudonos linijos apskritimai yra atviri, o mėlyni - uždaryti. Taigi įkrovimo metu silpnesnių elementų poilsio laikas pailgėja, kad būtų galima juos subalansuoti įkrovimo metu. Tačiau įkrovimo įtampa turi būti atitinkamai sureguliuota. Tą pačią techniką galima naudoti ir išleidžiant.

4. „Redox Shuttle“

Galutinis metodas nėra skirtas aparatūros projektuotojams, bet chemijos inžinieriams. Švino rūgšties akumuliatoriuje mes neturime ląstelių balansavimo problemos, nes kai švino rūgšties baterija yra per daug įkrauta, ji sukelia dujų išsiskyrimą ir neleidžia jai per daug įkrauti. „Redox shuttle“ idėja yra pabandyti pasiekti tą patį poveikį ličio ląstelėms, keičiant ličio elemento elektrolito chemiją. Šis modifikuotas elektrolitas turėtų užkirsti kelią elemento perkrovai.

Ląstelių balansavimo algoritmai

Veiksminga ląstelių balansavimo technika turėtų apjungti aparatinę įrangą su tinkamu algoritmu. Yra daugybė ląstelių balansavimo algoritmų ir tai priklauso nuo aparatūros dizaino. Tačiau tipai gali būti suskirstyti į dvi skirtingas dalis.

Atviros grandinės įtampos (OCV) matavimas

Tai yra lengvas ir dažniausiai taikomas metodas. Čia kiekvienos elemento matuojamos atviros elementų įtampos, o elementų balansavimo grandinė veikia, kad būtų išlygintos visų nuosekliai sujungtų elementų įtampos vertės. Paprasta matuoti OCV (atviros grandinės įtampą), todėl šio algoritmo sudėtingumas yra mažesnis.

Įkrovimo laiko matavimas (SOC)

Taikant šį metodą, ląstelių SOC yra subalansuota. Kaip mes jau žinome, ląstelės SOC matavimas yra sudėtinga užduotis, nes norėdami apskaičiuoti SOC vertę, per tam tikrą laiką turime atsižvelgti į elemento įtampą ir srovės vertę. Šis algoritmas yra sudėtingas ir naudojamas tose vietose, kur reikalingas didelis efektyvumas ir saugumas, pavyzdžiui, aviacijos ir kosmoso pramonėje.

Tai užbaigia straipsnį čia. Tikiuosi, kad dabar jūs turite trumpą idėją, koks yra ląstelių balansavimas, kaip jis įgyvendinamas aparatinės ir programinės įrangos lygiu. Jei turite idėjų ar metodų, pasidalykite jais komentarų skiltyje arba naudokitės forumais, kad gautumėte techninės pagalbos.