Tehnici de echilibrare a celulei și modul de utilizare a acestora

O celulă nominală de litiu este evaluată doar pentru aproximativ 4,2 V, dar în aplicațiile sale, cum ar fi EV, electronice portabile, laptopuri, bănci de alimentare, etc., avem nevoie de o tensiune mult mai mare decât tensiunea sa nominală. Acesta este motivul pentru care proiectanții combină mai multe celule în serie pentru a forma un pachet de baterii cu valori de tensiune mai mari. După cum știm din articolul precedent despre bateria vehiculului electric, când bateriile sunt combinate în serie, valoarea tensiunii se adaugă. De exemplu, atunci când patru celule de litiu de 4,2V sunt conectate în serie, tensiunea efectivă de ieșire a acumulatorului rezultat va fi de 16,8V.

Dar vă puteți imagina conectarea mai multor celule în serie, este ca și cum ați monta mulți cai pe un car. Doar dacă toți caii aleargă cu aceeași viteză, carul va fi condus cu o eficiență maximă. Din patru cai, dacă un cal aleargă încet, atunci și ceilalți trei trebuie să reducă viteza, reducând astfel eficiența și dacă un cal aleargă mai repede, s-ar răni în cele din urmă trăgând sarcina celorlalți trei cai. În mod similar, atunci când patru celule sunt conectate în serie, valorile de tensiune ale tuturor celor patru celule ar trebui să fie egale pentru a obține pachetul de baterii cu eficiență maximă. Metoda menținerii tuturor tensiunilor celulei pentru a fi egale se numește echilibrare a celulei. În acest articol vom afla mai multe despre echilibrarea celulelor și, de asemenea, pe scurt despre cum să le utilizați la nivel de hardware și software.

De ce avem nevoie de echilibrare celulară?

Echilibrarea celulei este o tehnică în care nivelurile de tensiune ale fiecărei celule individuale conectate în serie pentru a forma un acumulator sunt menținute să fie egale pentru a atinge eficiența maximă a acumulatorului. Atunci când diferite celule sunt combinate împreună pentru a forma un acumulator, este întotdeauna asigurat că acestea au aceeași valoare chimică și tensiune. Dar odată ce pachetul este instalat și supus încărcării și descărcării, valorile de tensiune ale celulelor individuale tind să varieze din cauza unor motive pe care le vom discuta mai târziu. Această variație a nivelurilor de tensiune determină dezechilibrarea celulei, ceea ce va duce la una dintre următoarele probleme

Fugire termică

Cel mai rău lucru care se poate întâmpla este fuga termică. După cum știm, celulele de litiu sunt foarte sensibile la supraîncărcare și supra-descărcare. Într-un pachet de patru celule, dacă o celulă este de 3,5 V, în timp ce celelalte sunt de 3,2 V, încărcarea va încărca toate celulele împreună, deoarece acestea sunt în serie și va încărca celula de 3,5 V la o tensiune mai mare decât cea recomandată, deoarece celelalte baterii încă necesită încărcare.

Degradarea celulelor

Când o celulă de litiu este supraîncărcată chiar și puțin peste valoarea recomandată, eficiența și ciclul de viață al celulei se reduc. De exemplu, o ușoară creștere a tensiunii de încărcare de la 4,2V la 4,25V va degrada bateria mai repede cu 30%. Deci, dacă echilibrarea celulei nu este precisă, chiar și o supraîncărcare ușoară va reduce durata de viață a bateriei.

Încărcare incompletă a pachetului

Pe măsură ce bateriile dintr-un pachet îmbătrânesc, câteva celule ar putea fi mai slabe decât celulele învecinate. Aceste celule săptămânale vor fi o problemă uriașă, deoarece se vor încărca și descărca mai repede decât o celulă sănătoasă normală. În timpul încărcării unui acumulator cu celule de serie, procesul de încărcare trebuie oprit chiar dacă o celulă atinge tensiunea maximă. În acest fel, dacă două celule dintr-un acumulator devin săptămânale, acestea se vor încărca mai repede și, prin urmare, celulele rămase nu vor fi încărcate la maxim, așa cum se arată mai jos.

Utilizarea incompletă a energiei pachetului

În mod similar, în același caz când acumulatorul este descărcat, celulele mai slabe se vor descărca mai repede decât celula sănătoasă și vor atinge tensiunea minimă mai rapid decât alte celule. După cum am aflat în articolul nostru BMS, pachetul va fi deconectat de la sarcină, chiar dacă o celulă atinge tensiunea minimă. Acest lucru duce la capacitatea neutilizată a energiei pachetului, așa cum se arată mai jos.

Având în vedere toate dezavantajele posibile de mai sus, putem concluziona că o echilibrare a celulei ar fi obligatorie pentru a utiliza pachetul de baterii la eficiența maximă. Cu toate acestea, există puține aplicații în care costul inițial ar trebui să fie foarte scăzut, iar înlocuirea bateriei nu este o problemă în aceste aplicații ar putea fi evitată echilibrarea celulei. Dar în majoritatea aplicațiilor, inclusiv a vehiculelor electrice, echilibrarea celulelor este obligatorie pentru a obține sucul maxim din acumulator.

Ce cauzează dezechilibrarea celulei în acumulatori?

Acum știm de ce este important să păstrăm toate celulele echilibrate într-un acumulator. Dar pentru a aborda problema corect, ar trebui să știm de ce celulele se dezechilibrează în prima mână. După cum am spus mai devreme, atunci când un acumulator se formează prin plasarea celulelor în serie, se asigură că toate celulele sunt la aceleași niveluri de tensiune. Deci, un acumulator proaspăt va avea întotdeauna celule echilibrate. Dar pe măsură ce pachetul este folosit, celulele se dezechilibrează din următoarele motive.

Dezechilibru SOC

Măsurarea SOC a unei celule este complicată; prin urmare, este foarte complexă măsurarea SOC a celulelor individuale dintr-o baterie. O tehnică ideală de echilibrare a celulelor ar trebui să se potrivească cu celulele acelorași SOC în loc de aceleași niveluri de tensiune (OCV). Dar, din moment ce practic nu este posibil ca celulele să fie potrivite numai în termeni de tensiune atunci când se face un pachet, variația SOC poate duce la modificarea OCV în timp util.

Variația rezistenței interne

Este foarte greu să găsești celule cu aceeași rezistență internă (IR) și pe măsură ce bateria îmbătrânește, IR-ul celulei se schimbă și, astfel, într-un pachet de baterii nu toate celulele vor avea același IR. După cum știm, IR contribuie la impedanța internă a celulei care determină curentul care curge de-a lungul unei celule. Deoarece IR este variat, curentul prin celulă și tensiunea acestuia variază, de asemenea.

Temperatura

Capacitatea de încărcare și descărcare a celulei depinde și de temperatura din jurul acesteia. Într-un pachet uriaș de baterii, cum ar fi în vehicule electrice sau în rețelele solare, celulele sunt distribuite pe zone deșeuri și ar putea exista diferențe de temperatură între pachetul propriu-zis, determinând încărcarea sau descărcarea unei celule mai repede decât celulele rămase provocând un dezechilibru.

Din motivele de mai sus este clar că nu putem preveni dezechilibrarea celulei în timpul operației. Deci, singura soluție este utilizarea unui sistem extern care forțează celulele să se echilibreze din nou după ce acestea se dezechilibrează. Acest sistem se numește sistemul de echilibrare a bateriei. Există multe tipuri diferite de tehnici hardware și software utilizate pentru echilibrarea celulelor bateriei. Să discutăm despre tipurile și tehnicile utilizate pe scară largă.

Tipuri de echilibrare a bateriei

Tehnicile de echilibrare a celulelor pot fi clasificate în general în următoarele patru categorii care sunt enumerate mai jos. Vom discuta despre fiecare categorie.

Echilibrarea pasivă a celulelor
Echilibrarea activă a celulelor
Echilibrarea celulelor fără pierderi
Redox Shuttle

1. Echilibrarea pasivă a celulelor

Metoda de echilibrare a celulei pasive este cea mai simplă metodă dintre toate. Poate fi folosit în locuri în care costul și dimensiunea sunt constrângeri majore. Următoarele sunt cele două tipuri de echilibrare pasivă a celulelor.

Manevrarea sarcinii

În această metodă se folosește o sarcină falsă ca un rezistor pentru a descărca tensiunea în exces și a o egaliza cu alte celule. Aceste rezistențe sunt numite rezistențe de bypass sau rezistențe de sângerare. Fiecare celulă conectată în serie într-un pachet va avea propriul său rezistor de bypass conectat printr-un comutator așa cum se arată mai jos.

Circuitul eșantion de mai sus arată patru celule, fiecare dintre ele fiind conectată la două rezistențe de bypass printr-un comutator precum MOSFET. Controlerele măsoară tensiunea tuturor celor patru celule și pornește MOSFET pentru celula a cărei tensiune este mai mare decât celelalte celule. Când MOSFET este pornit, acea celulă începe să se descarce prin rezistențe. Deoarece cunoaștem valoarea rezistențelor, putem prezice câtă sarcină este disipată de celulă. Condensatorul conectat în paralel cu celula este utilizat pentru a filtra vârfurile de tensiune în timpul comutării.

Această metodă nu este foarte eficientă, deoarece energia electrică este disipată ca căldură în rezistențe și circuitul contează, de asemenea, pierderile de comutare. Un alt dezavantaj este că întregul curent de descărcare curge prin mosfet, care este în mare parte încorporat în controlerul IC și, prin urmare, curentul de descărcare trebuie să fie limitat la valori scăzute, ceea ce crește timpul de descărcare. O modalitate de a depăși dezavantajul este de a utiliza un comutator extern pentru a crește curentul de descărcare, așa cum se arată mai jos

MOSFET-ul intern al canalului P va fi declanșat de controler, care determină descărcarea celulei (I-bias) prin rezistențele R1 și R2. Valoarea lui R2 este selectată în așa fel încât căderea de tensiune care apare peste acesta din cauza fluxului curentului de descărcare (I-bias) este suficientă pentru a declanșa al doilea MOSFET cu canal N. Această tensiune se numește tensiunea sursei porții (Vgs), iar curentul necesar pentru polarizarea MOSFET este numit curent de polarizare (I-bias).

Odată ce MOSFET-ul cu canal N este pornit, curentul curge acum prin rezistorul de echilibrare R-Bal . Valoarea acestui rezistor poate fi scăzută, permițând trecerea unui curent mai mare și descărcând astfel bateria mai repede. Acest curent este numit curent de scurgere (I-drain). În acest circuit, curentul total de descărcare este suma curentului de scurgere și a curentului de polarizare. Când MOSFET-ul cu canal P este oprit de către controler, curentul de polarizare este zero și astfel tensiunea Vgs devine și zero. Aceasta oprește MOSFET-ul cu canal N, lăsând bateria să devină din nou ideală.

CI-uri pasive de echilibrare a celulelor

Chiar dacă tehnica de echilibrare pasivă nu este eficientă, este mai frecvent utilizată datorită acestei simplități și costuri reduse. În loc să proiectați hardware-ul, puteți utiliza, de asemenea, câteva IC-uri ușor disponibile, cum ar fi LTC6804 și BQ77PL900 de la producători renumiți, cum ar fi instrumentele Linear și, respectiv, Texas. Aceste circuite integrate pot fi conectate în cascadă pentru a monitoriza mai multe celule și economisește timp și costuri de dezvoltare.

Limitarea taxelor

Metoda de limitare a încărcării este cea mai ineficientă metodă dintre toate. Aici sunt luate în considerare doar siguranța și durata de viață a bateriei, renunțând la eficiență. În această metodă, tensiunile individuale ale celulei sunt monitorizate continuu.

În timpul procesului de încărcare, chiar dacă o celulă atinge tensiunea completă de încărcare, încărcarea este oprită, lăsând celelalte celule la jumătatea drumului. În mod similar, în timpul descărcării, chiar dacă o celulă atinge tensiunea minimă de întrerupere, acumulatorul este deconectat de la sarcină până când pachetul este încărcat din nou.

Deși această metodă este ineficientă, reduce costul și dimensiunea cerințelor. Prin urmare, este utilizat într-o aplicație în care bateriile ar putea fi adesea încărcate.

2. Echilibrarea activă a celulelor

În echilibrarea celulelor pasive, excesul de sarcină nu a fost folosit, de aceea este considerat ineficient. În timp ce în echilibrarea activă forma excesivă de sarcină o celulă este transferată la o altă celulă cu sarcină mică pentru a le egaliza. Acest lucru se realizează utilizând elemente de stocare a încărcăturii, cum ar fi condensatoare și inductoare. Există multe metode pentru a efectua echilibrarea activă a celulelor, permițându-le să discutăm despre cele utilizate în mod obișnuit.

Navete de încărcare (condensatoare zburătoare)

Această metodă utilizează condensatori pentru a transfera sarcina de la celula de înaltă tensiune la celula de joasă tensiune. Condensatorul este conectat prin comutatoare SPDT inițial comutatorul conectează condensatorul la celula de înaltă tensiune și odată ce condensatorul este încărcat, comutatorul îl conectează la celula de joasă tensiune, unde încărcarea condensatorului curge în celulă. Deoarece încărcarea se deplasează între celule, această metodă se numește transferuri de încărcare. Figura de mai jos ar trebui să vă ajute să înțelegeți mai bine.

Acești condensatori sunt numiți condensatori de zbor, deoarece zboară între celulele de joasă tensiune și de înaltă tensiune care transportă încărcătoare. Dezavantajul acestei metode este că sarcina poate fi transferată numai între celulele adiacente. De asemenea, este nevoie de mai mult timp, deoarece condensatorul trebuie încărcat și apoi descărcat pentru a transfera încărcăturile. De asemenea, este foarte puțin eficient, deoarece va exista o pierdere de energie în timpul încărcării și descărcării condensatorului, iar pierderile de comutare trebuie, de asemenea, luate în calcul. Imaginea de mai jos arată cum va fi conectat condensatorul de zbor într-un acumulator

Convertor inductiv (metoda Buck Boost)

O altă metodă de echilibrare activă a celulelor este folosirea inductoarelor și a circuitelor de comutare. În această metodă, circuitul de comutare constă dintr-un convertor de impuls . Încărcarea de la celula de înaltă tensiune este pompată în inductor și apoi descărcată în celula de joasă tensiune utilizând convertorul de creștere. Figura de mai jos reprezintă un convertor inductiv cu doar două celule și un singur convertor de impuls.

În circuitul de mai sus, sarcina poate fi transferată de la celula 1 la celula 2 prin comutarea MOSFETS sw1 și sw2 în modul următor. Mai întâi comutatorul SW1 este închis, acest lucru va face ca încărcarea de la celula 1 să curgă în inductor cu încărcarea I curentă. Odată ce inductorul este complet încărcat, comutatorul SW1 este deschis și comutatorul sw2 este închis.

Acum, inductorul care este complet încărcat își va inversa polaritatea și va începe să se descarce. De această dată, sarcina din inductor curge în celula2 cu descărcare I curentă. Odată ce inductorul este complet descărcat, comutatorul sw2 este deschis și comutatorul sw1 este închis pentru a repeta procesul. Formele de undă de mai jos vă vor ajuta să obțineți o imagine clară.

În timpul t0 comutatorul sw1 este închis (pornit) ceea ce duce la creșterea curentului I și a creșterii tensiunii în inductor (VL). Apoi, odată ce inductorul este complet încărcat la momentul t1, comutatorul sw1 este deschis (oprit), ceea ce îl face pe inductor să descarce încărcătura acumulată în pasul anterior. Când un inductor se descarcă, acesta își schimbă polaritatea, de aceea tensiunea VL este afișată în negativ. La descărcarea curentului de descărcare (descărcare I) scade de la valoarea sa maximă. Tot acest curent intră în celula 2 pentru a-l încărca. Este permis un interval mic de la timpul t2 la t3 și apoi la t3 întregul ciclu se repetă din nou.

Această metodă suferă, de asemenea, de un dezavantaj major că sarcina ar putea fi transferată numai de la celula superioară la celula inferioară. De asemenea, ar trebui luată în considerare pierderea de comutare și căderea tensiunii diodei. Dar este mai rapid și eficient decât metoda condensatorului.

Convertor inductiv (bazat pe Fly Back)

Așa cum am discutat, metoda convertorului Buck Boost ar putea transfera doar taxele din celula superioară către celula inferioară. Această problemă poate fi evitată folosind un convertor Fly back și un transformator. Într-un convertor de tip flyback, partea primară a înfășurării este conectată la acumulator, iar partea secundară este conectată la fiecare celulă individuală a acumulatorului, după cum se arată mai jos.

După cum știm, bateria funcționează cu curent continuu și transformatorul nu va avea niciun efect până la comutarea tensiunii. Deci, pentru a începe procesul de încărcare, comutatorul de pe partea primară a bobinei Sp este comutat. Aceasta convertește DC în DC pulsat și partea primară a transformatorului este activată.

Acum, pe partea secundară, fiecare celulă are propriul comutator și bobina secundară. Prin comutarea mosfetului celulei de joasă tensiune putem face ca acea bobină să acționeze ca secundar pentru transformator. În acest fel, sarcina din bobina primară este transferată în bobina secundară. Acest lucru face ca tensiunea totală a acumulatorului să se descarce în celula slabă.

Cel mai mare avantaj al acestei metode este că orice celulă slabă din pachet poate fi încărcată cu ușurință de la tensiunea pachetului și nu o celulă specială este descărcarea. Dar întrucât implică un transformator, acesta ocupă un spațiu mare și complexitatea circuitului este mare.

3. Echilibrare fără pierderi

Echilibrarea fără pierderi este o metodă dezvoltată recent, care reduce pierderile prin reducerea componentelor hardware și asigurarea unui control software mai mare. Acest lucru face, de asemenea, sistemul mai simplu și mai ușor de proiectat. Această metodă folosește un circuit de comutare matricială care oferă capacitatea de a adăuga sau scoate o celulă dintr-un pachet în timpul încărcării și descărcării. Un circuit simplu de comutare a matricei pentru opt celule este prezentat mai jos.

În timpul procesului de încărcare, celula care este de înaltă tensiune va fi scoasă din pachet folosind dispozitivele de comutare. În figura de mai sus, celula 5 este îndepărtată din pachet folosind comutatoarele. Luați în considerare cercurile de linie roșie ca fiind comutatoare deschise și cercul de linie albastră ca comutatoare închise. Astfel, timpul de odihnă al celulelor mai slabe este crescut în timpul procesului de încărcare, astfel încât să se echilibreze în timpul încărcării. Dar tensiunea de încărcare trebuie reglată corespunzător. Aceeași tehnică poate fi urmată și în timpul descărcării.

4. Redox Shuttle

Metoda finală nu este pentru proiectanții de hardware, ci pentru inginerii chimici. În bateria cu plumb acid nu avem problema echilibrării celulelor, deoarece atunci când o baterie cu plumb acid este supraîncărcată provoacă gaze care împiedică supraîncărcarea acestuia. Ideea din spatele navetei Redox este de a încerca să obțină același efect asupra celulelor de litiu prin modificarea chimiei electrolitului celulei de litiu. Acest electrolit modificat ar trebui să împiedice supraîncărcarea celulei.

Algoritmi de echilibrare a celulelor

O tehnică eficientă de echilibrare a celulelor ar trebui să combine hardware-ul cu un algoritm adecvat. Există mulți algoritmi pentru echilibrarea celulei și depinde de designul hardware. Dar tipurile pot fi reduse în două secțiuni diferite.

Măsurarea tensiunii în circuit deschis (OCV)

Aceasta este metoda ușoară și cel mai frecvent urmată. Aici tensiunile celulei deschise sunt măsurate pentru fiecare celulă și circuitul de echilibrare a celulei funcționează pentru a egaliza valorile de tensiune ale tuturor celulelor conectate în serie. Este simplu de măsurat OCV (tensiune în circuit deschis) și, prin urmare, complexitatea acestui algoritm este mai mică.

Măsurarea statului de sarcină (SOC)

În această metodă, SOC-ul celulelor este echilibrat. După cum știm deja, măsurarea SOC a unei celule este o sarcină complexă, deoarece trebuie să luăm în calcul valoarea tensiunii și curentului celulei pe o perioadă de timp pentru a calcula valoarea SOC. Acest algoritm este complex și utilizat în locuri în care este necesară o eficiență și o siguranță ridicate, precum în industria aerospațială și spațială.

Aceasta încheie articolul aici. Sper că acum aveți o scurtă idee despre echilibrarea celulară a modului în care este implementată la nivel hardware și software. Dacă aveți idei sau tehnici, împărtășiți-le în secțiunea de comentarii sau utilizați forumurile pentru a obține ajutor tehnic.