Cellebalanceringsteknikker og hvordan man bruger dem

En nominel lithiumcelle er kun klassificeret til omkring 4,2 V, men i dens applikationer som EV, bærbar elektronik, bærbare computere, strømbanker osv. Kræver vi meget højere spænding end dens nominelle spænding. Dette er grunden til, at designere kombinerer mere end en celle i serie for at danne en batteripakke med højere spændingsværdier. Som vi kender fra vores tidligere artikel om elektrisk køretøjsbatteri, bliver spændingsværdien tilføjet, når batterier kombineres i serie. For eksempel når fire lithiumceller på 4,2 V er tilsluttet i serie, vil den effektive udgangsspænding for den resulterende batteripakke være 16,8 V.

Men du kan forestille dig at forbinde mange celler i serie er som at montere mange heste på en vogn. Kun hvis alle hestene kører i samme hastighed, køres vognen med maksimal effektivitet. Ud af fire heste, hvis en hest løber langsomt, så skal de andre tre også reducere deres hastighed, hvilket reducerer effektiviteten, og hvis en hest løber hurtigere, vil det til sidst skade sig selv ved at trække i belastningen på de andre tre heste. Tilsvarende, når fire celler er forbundet i serie, skal spændingsværdierne for alle de fire celler være ens for at udlede batteripakken med maksimal effektivitet. Metoden til at opretholde alle cellespændinger er lige kaldet cellebalancering. I denne artikel vil vi lære mere om cellebalancering og også kort om, hvordan du bruger dem på hardware- og softwareniveau.

Hvorfor har vi brug for cellebalancering?

Cellebalancering er en teknik, hvor spændingsniveauerne for hver enkelt celle, der er forbundet i serie for at danne en batteripakke, opretholdes til at være lige for at opnå den maksimale effektivitet af batteripakken. Når forskellige celler kombineres for at danne en batteripakke, sørges det altid for, at de har samme kemi og spændingsværdi. Men når pakken er installeret og udsættes for opladning og afladning, har spændingsværdierne for de enkelte celler tendens til at variere på grund af nogle årsager, som vi vil diskutere senere. Denne variation i spændingsniveauer forårsager celleudbalancering, hvilket vil føre til et af følgende problemer

Thermal Runaway

Det værste, der kan ske, er termisk løbsk. Som vi ved, er lithiumceller meget følsomme over- og overudladning. I en pakke med fire celler, hvis den ene celle er 3,5V, mens den anden er 3,2V, oplades opladningen af ​​alle cellerne sammen, da de er i serie, og den oplader 3.5V-cellen til mere end anbefalet spænding, da de andre batterier stadig er kræver opladning.

Celledegradering

Når en lithiumcelle overoplades, selv lidt over den anbefalede værdi, reduceres cellens effektivitet og livscyklus. For eksempel vil en lille stigning i opladningsspænding fra 4,2 V til 4,25 V nedbryde batteriet hurtigere med 30%. Så hvis cellebalancering ikke er nøjagtig, vil selv let overopladning reducere batteriets levetid.

Ufuldstændig opladning af Pack

Da batterierne i en pakke bliver ældre, er få celler måske svagere end dens nærliggende celler. Disse uges celler vil være et stort problem, da de oplades og aflades hurtigere end en normal sund celle. Under opladning af en batteripakke med serieceller skal opladningsprocessen stoppes, selvom en celle når den maksimale spænding. På den måde oplades de to celler i en batteripakke uge, og de oplades hurtigere, og de resterende celler oplades således ikke maksimalt som vist nedenfor.

Ufuldstændig brug af pakkeenergi

På samme måde i samme tilfælde, når batteripakken aflades, aflades de svagere celler hurtigere end den sunde celle, og de når minimumspændingen hurtigere end andre celler. Som vi lærte i vores BMS-artikel, frakobles pakken fra belastning, selvom en celle når minimumspændingen. Dette fører til den ubrugte kapacitet af pakkeenergien som vist nedenfor.

Når vi tager højde for alle de ovennævnte mulige ulemper, kan vi konkludere, at en cellebalancering ville være obligatorisk at bruge batteripakken til dens maksimale effektivitet. Der er stadig få applikationer, hvor de oprindelige omkostninger skal være meget lave, og udskiftning af batteri ikke er et problem i disse applikationer, kan cellebalancering undgås. Men i de fleste applikationer inklusive elektriske køretøjer er cellebalancering obligatorisk for at få den maksimale juice fra batteripakken.

Hvad er årsagen til, at celle afbalanceres i batteripakker?

Nu ved vi, hvorfor det er vigtigt at holde alle cellerne i balance i en batteripakke. Men for at løse problemet ordentligt, bør vi vide, hvorfor cellerne bliver ubalancerede i første hånd. Som tidligere fortalt, når en batteripakke dannes ved at placere cellerne i serie, sørges det for, at alle cellerne har samme spændingsniveauer. Så en ny batteripakke vil altid have afbalancerede celler. Men når pakken tages i brug, bliver cellerne ubalancerede på grund af følgende årsager.

SOC ubalance

Måling af SOC for en celle er kompliceret; derfor er det meget komplekst at måle SOC for individuelle celler i et batteri. En ideel cellebalanceringsteknik skal matche cellerne med samme SOC i stedet for de samme spændingsniveauer (OCV). Men da det praktisk talt ikke er muligt, at celler kun matches med spændingsbetingelser, når de fremstiller en pakke, kan variationen i SOC muligvis med tiden ændre til OCV.

Intern modstand variation

Det er meget svært at finde celler med den samme interne modstand (IR), og når batteriet bliver ældre, ændres celleens IR også, og derfor vil ikke alle celler i en batteripakke have den samme IR. Som vi ved, bidrager IR til den interne impedans af cellen, der bestemmer strømmen, der flyder gennem en celle. Da IR varieres, bliver strømmen gennem cellen og dens spænding også varieret.

Temperatur

Celleens opladnings- og afladningskapacitet afhænger også af temperaturen omkring den. I en enorm batteripakke som i EV'er eller solcellearrays fordeles cellerne over affaldsområder, og der kan være temperaturforskel mellem selve pakken, der får en celle til at oplade eller aflade hurtigere end de resterende celler, der forårsager en ubalance.

Af ovenstående årsager er det klart, at vi ikke kan forhindre celle i at blive ubalanceret under operationen. Så den eneste løsning er at bruge et eksternt system, der tvinger cellerne til at blive afbalanceret igen, når de bliver ubalancerede. Dette system kaldes batteribalanceringssystemet. Der er mange forskellige typer hardware- og softwareteknikker, der bruges til afbalancering af battericeller. Lad os diskutere typerne og udbredte teknikker.

Typer af afbalancering af battericeller

Cellebalanceringsteknikker kan bredt klassificeres i følgende fire kategorier, der er anført nedenfor. Vi vil diskutere om hver kategori.

1. Passiv cellebalancering
2. Aktiv cellebalancering
3. Tab uden cellebalance
4. Redox Shuttle

1. Passiv cellebalancering

Passiv cellebalanceringsmetode er den enkleste metode af alle. Det kan bruges på steder, hvor omkostninger og størrelse er vigtige begrænsninger. Følgende er de to typer af passiv cellebalancering.

Charge Shunting

I denne metode bruges en dummy-belastning som en modstand til at aflade overskydende spænding og udligne den med andre celler. Disse modstande kaldes som bypass-modstande eller blødningsmodstande. Hver celle, der er tilsluttet i serie i en pakke, har sin egen bypass-modstand, der er forbundet via en switch som vist nedenfor.

Eksempelkredsløbet ovenfor viser fire celler, som hver er forbundet til to bypass-modstande via en switch som MOSFET. Controllers måler spændingen for alle de fire celler og tænder mosfet for den celle, hvis spænding er højere end de andre celler. Når mosfet er tændt, begynder den pågældende celle at aflade gennem modstandene. Da vi kender værdien af ​​modstande, kan vi forudsige, hvor meget ladning der spredes af cellen. Kondensatoren, der er forbundet parallelt med cellen, bruges til at filtrere spændingsspidser under skift.

Denne metode er ikke særlig effektiv, fordi elektrisk energi spredes som varme i modstandene, og kredsløbet udgør også skiftetab. En anden ulempe er, at hele afladningsstrømmen strømmer gennem mosfet, som for det meste er indbygget i controller IC, og derfor skal afladningsstrømmen være begrænset til lave værdier, hvilket øger afladningstiden. En måde at overvinde ulempen på er at bruge en ekstern kontakt til at øge afladningsstrømmen som vist nedenfor

Den interne P-kanal MOSFET udløses af controlleren, som får cellen til at aflade (I-bias) gennem modstandene R1 og R2. Værdien af ​​R2 vælges på en sådan måde, at spændingsfaldet, der opstår over det på grund af strømmen af ​​afladningsstrøm (I-bias), er nok til at udløse den anden N-kanal MOSFET. Denne spænding kaldes portkildespændingen (Vgs), og den strøm, der kræves for at forspænde MOSFET, kaldes forspændingsstrøm (I-bias).

Når N-kanal MOSFET er tændt, strømmer nu strømmen gennem balanceringsmodstanden R-Bal . Værdien af ​​denne modstand kan være lav, så mere strøm kan passere gennem den og dermed aflade batteriet hurtigere. Denne strøm kaldes afløbsstrøm (I-afløb). I dette kredsløb er den samlede udladningsstrøm summen af ​​afløbsstrøm og forspændingsstrøm. Når P-kanal MOSFET er slukket af controlleren, er forspændingsstrømmen nul, og dermed bliver spændingen Vgs også nul. Dette slukker for N-kanal MOSFET, hvilket efterlader batteriet for at blive ideelt igen.

Passive cellebalancering IC'er

Selvom den passive afbalanceringsteknik ikke er effektiv, bruges den mere almindeligt på grund af denne enkelhed og lave omkostninger. I stedet for at designe hardwaren kan du også bruge få let tilgængelige IC'er som LTC6804 og BQ77PL900 fra kendte producenter som henholdsvis Linear og Texas instrumenter. Disse IC'er kan kaskades for at overvåge flere celler og sparer udviklingstid og omkostninger.

Gebyrbegrænsning

Opladningsbegrænsningsmetoden er den mest ineffektive metode af alle. Her overvejes kun batteriets sikkerhed og levetid, mens man opgiver effektiviteten. I denne metode overvåges de individuelle cellespændinger kontinuerligt.

Under opladningsprocessen, selvom en celle når den fulde opladningsspænding, stoppes opladningen og efterlader de andre celler halvvejs. På samme måde under afladning, selvom en celle når den mindste frakoblingsspænding, frakobles batteripakken fra belastningen, indtil pakken oplades igen.

Selvom denne metode er ineffektiv, reducerer den omkostningerne og størrelseskravene. Derfor bruges den i en applikation, hvor batterier ofte kan oplades.

2. Aktiv cellebalancering

I passiv cellebalancering blev den overskydende afgift ikke brugt, hvorfor den anses for at være ineffektiv. Mens der ved aktiv afbalancering af den overskydende ladningsform overføres en celle til en anden celle med lav ladning for at udligne dem. Dette opnås ved at bruge opbevaringselementer som kondensatorer og induktorer. Der er mange metoder til at udføre Aktiv cellebalancering kan diskutere de almindeligt anvendte.

Charge Shuttles (flyvende kondensatorer)

Denne metode bruger kondensatorer til at overføre opladning fra højspændingscelle til lavspændingscelle. Kondensatoren er tilsluttet via SPDT-switche oprindeligt forbinder kontakten kondensatoren til højspændingscellen, og når kondensatoren er opladet, forbinder kontakten den til lavspændingscellen, hvor opladningen fra kondensatoren strømmer ind i cellen. Da ladningen skubbes mellem cellerne kaldes denne metode som ladestationer. Nedenstående figur skal hjælpe dig med at forstå bedre.

Disse kondensatorer kaldes de flyvende kondensatorer, da de flyver mellem lavspændings- og højspændingsceller, der bærer opladere. Ulempen med denne metode er, at ladning kun kan overføres mellem tilstødende celler. Det tager også længere tid, da kondensatoren skal oplades og derefter aflades for at overføre opladningerne. Det er også meget mindre effektivt, da der vil være tab af energi under opladning og afladning af kondensatoren, og skiftetabene skal også tages i betragtning. Billedet nedenfor viser, hvordan den flyvende kondensator tilsluttes i en batteripakke

Induktiv konverter (Buck Boost-metode)

En anden metode til aktiv cellebalancering er ved hjælp af induktorer og koblingskredsløb. I denne metode består koblingskredsløbet af en buck boost-konverter . Opladningen fra højspændingscellen pumpes i induktoren og udledes derefter i lavspændingscellen ved hjælp af buck boost-konverteren. Nedenstående figur repræsenterer en induktiv konverter med kun to celler og single buck boost-konverter.

I ovenstående kredsløb kan ladning overføres fra celle 1 til celle 2 ved at skifte MOSFETS sw1 og sw2 på følgende måde. Først er kontakten SW1 lukket, hvilket får ladningen fra celle 1 til at strømme ind i induktoren med den aktuelle I-ladning. Når induktoren er fuldt opladet, åbnes kontakten SW1, og kontakten sw2 lukkes.

Nu vil induktoren, som er fuldt opladet, vende sin polaritet og begynde at aflade. Denne gang strømmer induktoren ind i cellen2 med strøm I-udladning. Når induktoren er fuldt afladet, åbnes kontakten sw2, og kontakten sw1 lukkes for at gentage processen. Nedenstående bølgeformer hjælper dig med at få et klart billede.

I løbet af tiden t0 er kontakten sw1 lukket (tændt), hvilket fører til, at strømmen jeg oplader for at stige og spændingen over induktoren (VL) øges. Så snart induktoren er fuldt opladet på tidspunktet t1, åbnes kontakten sw1 (slukkes), hvilket får induktoren til at aflade den ladning, som den akkumulerede i forrige trin. Når en induktor aflades, ændrer den sin polaritet, derfor vises spændingen VL negativ. Ved afladning reduceres afladningsstrømmen (I afladning) fra dens maksimale værdi. Al denne strøm kommer ind i celle 2 for at oplade den. Et lille interval er tilladt fra tid t2 til t3, og derefter ved t3 gentages hele cyklussen igen.

Denne metode lider også under en stor ulempe, at ladning kun kunne overføres fra højere celle til lavere celle. Også tabet i skift og diodespændingsfald skal overvejes. Men det er hurtigere og effektivt end kondensatormetoden.

Induktiv konverter (Fly tilbage baseret)

Som vi diskuterede kunne buck boost-konverteringsmetoden kun overføre afgifter fra den højere celle til den nedre celle. Dette problem kan undgås ved hjælp af en Fly back-konverter og en transformer. I en flyback type konverter er den primære side af viklingen forbundet med batteripakken, og den sekundære side er forbundet til hver enkelt celle i batteripakken som vist nedenfor

Som vi ved, fungerer batteriet med DC, og transformeren har ingen effekt, før spændingen skiftes. Så for at starte opladningsprocessen skiftes kontakten på den primære spoleside Sp. Dette konverterer DC til pulserende DC, og transformerens primære side aktiveres.

Nu på den sekundære side har hver celle sin egen switch og den sekundære spole. Ved at skifte mosfet til lavspændingscellen kan vi få den særlige spole til at fungere som en sekundær for transformeren. På denne måde overføres ladningen fra den primære spole til den sekundære spole. Dette medfører, at den samlede batterispænding aflades i den svage celle.

Den største fordel ved denne metode er, at enhver svag celle i pakken let kan oplades fra pakningsspændingen, og ikke særlig celle udlades. Men da det involverer en transformer, optager den et stort rum, og kredsløbets kompleksitet er høj.

3. Tabsfri balance

Lossless balancing er en nyligt udviklet metode, der reducerer tab ved at reducere hardwarekomponenterne og give mere softwarekontrol. Dette gør systemet også enklere og lettere at designe. Denne metode bruger et matrixskiftekredsløb, der giver mulighed for at tilføje eller fjerne en celle fra en pakke under opladning og afladning. Et simpelt matrixskiftekredsløb til otte celler er vist nedenfor.

Under opladningsprocessen fjernes cellen med høj spænding fra pakken ved hjælp af switcharrangementerne. I ovenstående figur fjernes celle 5 fra pakken ved hjælp af afbryderne. Overvej de røde linjecirkler som åbne kontakter og den blå linjecirkel som lukkede kontakter. Således øges hviletiden for de svagere celler under opladningsprocessen for at afbalancere dem under opladning. Men opladningsspændingen skal justeres i overensstemmelse hermed. Den samme teknik kan også følges under afladning.

4. Redox shuttle

Den endelige metode er ikke for hardware designere, men for kemiske ingeniører. I blybatteri har vi ikke problemet med cellebalancering, fordi når et blysyrebatteri er overopladet, forårsager det gassning, som forhindrer det i at blive overopladet. Ideen bag Redox shuttle er at forsøge at opnå den samme effekt på lithiumceller ved at ændre kemien i lithiumcellens elektrolyt. Denne modificerede elektrolyt skal forhindre cellen i at blive overopladet.

Cellebalanceringsalgoritmer

En effektiv cellebalanceringsteknik skal kombinere hardware til en korrekt algoritme. Der er mange algoritmer til cellebalancering, og det afhænger af hardwaredesignet. Men typerne kan koges ned i to forskellige sektioner.

Måling af åbent kredsløbsspænding (OCV)

Dette er den nemme og mest anvendte metode. Her måles de åbne cellespændinger for hver celle, og cellebalanceringskredsløb arbejder på at udligne spændingsværdierne for alle celler, der er forbundet i serie. Det er simpelt at måle OCV (Open circuit voltage), og derfor er kompleksiteten af ​​denne algoritme mindre.

Måling af ladetilstand (SOC)

I denne metode er cellernes SOC afbalanceret. Som vi allerede ved, er måling af en celles SOC en kompleks opgave, da vi skal tage højde for spændingen og strømværdien af ​​cellen over en periode for at beregne værdien af ​​SOC. Denne algoritme er kompleks og bruges på steder, hvor der kræves høj effektivitet og sikkerhed som i luftfarts- og rumindustrien.

Dette afslutter artiklen her. Håber du nu får en kort idé om, hvad cellebalancering er, hvordan det implementeres på hardware- og softwareniveau. Hvis du har ideer eller teknikker, så del dem i kommentarsektionen eller brug foraerne for at få teknisk hjælp.