- Зачем нам нужна балансировка ячеек?
- Что вызывает разбалансировку ячеек в аккумуляторных батареях?
- Типы балансировки аккумуляторных ячеек
- 1. Пассивная балансировка ячеек
- 2. Активная балансировка ячеек
- 3. Балансировка без потерь
- 4. Редокс-шаттл
Номинальный литиевый элемент рассчитан всего на 4,2 В, но для его приложений, таких как электромобили, портативная электроника, ноутбуки, блоки питания и т. Д., Нам требуется гораздо более высокое напряжение, чем его номинальное напряжение. Это причина, по которой разработчики объединяют более одной ячейки последовательно, чтобы сформировать аккумуляторную батарею с более высокими значениями напряжения. Как мы знаем из нашей предыдущей статьи о батареях для электромобилей, когда батареи соединяются последовательно, значение напряжения складывается. Например, когда четыре литиевых элемента с напряжением 4,2 В соединены последовательно, эффективное выходное напряжение полученной аккумуляторной батареи будет 16,8 В.
Но вы можете представить, что соединение множества ячеек в ряд - это как посадка множества лошадей на колесницу. Только если все лошади будут двигаться с одинаковой скоростью, колесница будет двигаться с максимальной эффективностью. Из четырех лошадей, если одна лошадь бежит медленно, остальные три также должны снизить свою скорость, что снижает эффективность, а если одна лошадь бежит быстрее, она в конечном итоге повредит себе, потянув за собой груз трех других лошадей. Точно так же, когда четыре элемента соединены последовательно, значения напряжения всех четырех элементов должны быть равны, чтобы получить аккумуляторную батарею с максимальной эффективностью. Метод поддержания всех напряжений ячеек одинаковыми называется балансировкой ячеек. В этой статье мы узнаем больше о балансировке ячеек, а также кратко о том, как их использовать на аппаратном и программном уровне.
Зачем нам нужна балансировка ячеек?
Балансировка ячеек - это метод, при котором уровни напряжения каждой отдельной ячейки, соединенной последовательно для формирования аккумуляторной батареи, поддерживаются равными для достижения максимальной эффективности аккумуляторной батареи. Когда разные элементы объединяются в аккумуляторную батарею, всегда проверяется, что они имеют одинаковый химический состав и напряжение. Но после того, как аккумулятор установлен и подвергается зарядке и разрядке, значения напряжения отдельных ячеек имеют тенденцию меняться по некоторым причинам, которые мы обсудим позже. Это изменение уровней напряжения вызывает разбалансировку ячеек, что приводит к одной из следующих проблем.
Термический побегХудшее, что может случиться, - это тепловой разгон. Как мы знаем, литиевые элементы очень чувствительны к перезарядке и разрядке. В пакете из четырех ячеек, если один элемент составляет 3,5 В, а другой - 3,2 В, заряд будет заряжать все элементы вместе, поскольку они соединены последовательно, и он будет заряжать элемент 3,5 В до напряжения, превышающего рекомендованное, поскольку другие батареи все еще находятся требуется зарядка.
Деградация клетокКогда литиевый элемент заряжен даже немного выше рекомендованного значения, эффективность и срок службы элемента снижаются. Например, небольшое увеличение зарядного напряжения с 4,2 В до 4,25 В приведет к ускорению разряда аккумулятора на 30%. Таким образом, если балансировка ячеек не точна, даже небольшая перезарядка сократит срок службы батареи.
Неполная зарядка PackПо мере того, как батареи в пакете стареют, несколько элементов могут быть слабее соседних элементов. Эти недельные элементы будут огромной проблемой, поскольку они будут заряжаться и разряжаться быстрее, чем нормальный здоровый элемент. При зарядке аккумуляторной батареи с последовательными элементами процесс зарядки следует остановить, даже если одна ячейка достигает максимального напряжения. Таким образом, если две ячейки в аккумуляторном блоке получают неделю, они будут заряжаться быстрее, и поэтому оставшиеся элементы не будут заряжены до максимума, как показано ниже.
Точно так же в том же случае, когда аккумуляторная батарея разряжается, более слабые элементы будут разряжаться быстрее, чем здоровые элементы, и они достигнут минимального напряжения быстрее, чем другие элементы. Как мы узнали в нашей статье о BMS, аккумулятор будет отключен от нагрузки, даже если одна ячейка достигнет минимального напряжения. Это приводит к неиспользованной мощности батареи, как показано ниже.
Принимая во внимание все возможные вышеупомянутые недостатки, мы можем сделать вывод, что балансировка ячеек была бы обязательной для использования аккумуляторной батареи с максимальной эффективностью. Тем не менее, есть несколько приложений, в которых начальная стоимость должна быть очень низкой, а замена батареи не является проблемой в тех приложениях, где можно было бы избежать балансировки ячеек. Но в большинстве приложений, включая электромобили, балансировка ячеек является обязательной для получения максимального заряда аккумуляторной батареи.
Что вызывает разбалансировку ячеек в аккумуляторных батареях?
Теперь мы знаем, почему важно поддерживать баланс всех ячеек в аккумуляторной батарее. Но чтобы решить проблему должным образом, мы должны знать из первых рук, почему клетки выходят из равновесия. Как было сказано ранее, когда аккумуляторная батарея формируется путем последовательного размещения ячеек, необходимо убедиться, что все ячейки имеют одинаковые уровни напряжения. Таким образом, новый аккумулятор всегда будет иметь сбалансированные элементы. Но при вводе пакета в эксплуатацию ячейки выходят из равновесия по следующим причинам.
SOC дисбаланс
Измерение SOC клетки сложно; следовательно, очень сложно измерить SOC отдельных ячеек в батарее. Идеальная технология балансировки ячеек должна соответствовать ячейкам с одинаковым SOC, а не с одинаковыми уровнями напряжения (OCV). Но поскольку практически невозможно согласовать элементы только по напряжению при изготовлении блока, изменение SOC может со временем привести к изменению OCV.
Изменение внутреннего сопротивления
Очень сложно найти элементы с одинаковым внутренним сопротивлением (IR), и по мере старения батареи IR элемента также меняется, и, следовательно, в аккумуляторной батарее не все элементы будут иметь одинаковый IR. Как мы знаем, ИК-излучение влияет на внутренний импеданс ячейки, который определяет ток, протекающий через ячейку. Поскольку IR изменяется, ток через ячейку и ее напряжение также меняются.
Температура
Емкость заряда и разряда элемента также зависит от температуры вокруг него. В огромном аккумуляторном блоке, таком как в электромобилях или солнечных батареях, элементы распределены по площадям с отходами, и может быть разница температур между самим аккумулятором, из-за чего одна ячейка заряжается или разряжается быстрее, чем остальные ячейки, вызывая дисбаланс.
Из приведенных выше причин ясно, что мы не можем предотвратить разбалансировку ячейки во время работы. Итак, единственное решение - использовать внешнюю систему, которая заставляет клетки снова уравновешиваться после того, как они выйдут из равновесия. Эта система называется системой балансировки батареи. Для балансировки ячеек батареи используется множество различных типов аппаратного и программного обеспечения. Давайте обсудим типы и широко используемые техники.
Типы балансировки аккумуляторных ячеек
Методы балансировки ячеек можно в целом разделить на следующие четыре категории, которые перечислены ниже. Мы обсудим каждую категорию.
- Пассивная балансировка ячеек
- Активная балансировка клеток
- Балансировка клеток без потерь
- Редокс-шаттл
1. Пассивная балансировка ячеек
Метод пассивной балансировки ячеек - самый простой из всех. Его можно использовать в местах, где стоимость и размер являются основными ограничениями. Ниже приведены два типа пассивной балансировки ячеек.
Шунтирование заряда
В этом методе фиктивная нагрузка, такая как резистор, используется для снятия избыточного напряжения и выравнивания его с другими элементами. Эти резисторы называются байпасными или истекающими резисторами. Каждая ячейка, соединенная последовательно в блоке, будет иметь собственный байпасный резистор, подключенный через переключатель, как показано ниже.
В приведенном выше примере схемы показаны четыре ячейки, каждая из которых подключена к двум байпасным резисторам через переключатель, такой как MOSFET. Контроллеры измеряют напряжение всех четырех ячеек и включают МОП-транзистор для ячейки, напряжение которой выше, чем у других ячеек. При включении МОП-транзистора эта конкретная ячейка начинает разряжаться через резисторы. Поскольку мы знаем номиналы резисторов, мы можем предсказать, сколько заряда рассеивается ячейкой. Конденсатор, подключенный параллельно ячейке, используется для фильтрации скачков напряжения во время переключения.
Этот метод не очень эффективен, потому что электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах, а схема также учитывает коммутационные потери. Другой недостаток заключается в том, что весь ток разряда протекает через МОП-транзистор, который в основном встроен в контроллер IC, и, следовательно, ток разряда должен быть ограничен низкими значениями, что увеличивает время разряда. Один из способов преодолеть этот недостаток - использовать внешний переключатель для увеличения разрядного тока, как показано ниже.
Внутренний МОП-транзистор с P-каналом запускается контроллером, который вызывает разряд элемента (I-смещение) через резисторы R1 и R2. Значение R2 выбрано таким образом, чтобы падение напряжения, возникающее на нем из-за протекания разрядного тока (I-смещение), было достаточным для запуска второго N-канального MOSFET. Это напряжение называется напряжением затвора-истока (Vgs), а ток, необходимый для смещения MOSFET, называется током смещения (I-bias).
После включения N-канального МОП-транзистора ток течет через балансировочный резистор R-Bal . Значение этого резистора может быть низким, что позволяет пропускать через него больший ток и, таким образом, быстрее разряжать аккумулятор. Этот ток называется током стока (I-сток). В этой схеме полный ток разряда складывается из тока стока и тока смещения. Когда P-канальный MOSFET отключается контроллером, ток смещения равен нулю, и, следовательно, напряжение Vgs также становится равным нулю. Это отключает N-канальный MOSFET, оставляя батарею снова в идеальном состоянии.
ИС пассивной балансировки ячеек
Несмотря на то, что метод пассивной балансировки неэффективен, он чаще используется из-за своей простоты и низкой стоимости. Вместо разработки оборудования вы также можете использовать несколько готовых микросхем, таких как LTC6804 и BQ77PL900 от известных производителей, таких как Linear и Texas Instruments соответственно. Эти ИС могут быть включены в каскад для мониторинга нескольких ячеек и сэкономить время и затраты на разработку.
Ограничение заряда
Метод ограничения заряда - самый неэффективный из всех. Здесь учитываются только безопасность и срок службы батареи, при этом отказываясь от эффективности. В этом методе постоянно контролируются напряжения отдельных ячеек.
Во время процесса зарядки, даже если одна ячейка достигает полного зарядного напряжения, зарядка прекращается, оставляя другие ячейки наполовину. Точно так же во время разряда, даже если одна ячейка достигает минимального напряжения отключения, аккумуляторная батарея отключается от нагрузки до тех пор, пока аккумулятор снова не зарядится.
Хотя этот метод неэффективен, он снижает требования к стоимости и размеру. Следовательно, он используется в приложениях, где батареи можно часто заряжать.
2. Активная балансировка ячеек
При балансировке пассивных ячеек избыточный заряд не использовался, следовательно, он считается неэффективным. В то время как при активном балансировании избыточный заряд от одной ячейки передается другой ячейке с низким зарядом для их выравнивания. Это достигается за счет использования элементов накопления заряда, таких как конденсаторы и индукторы. Существует множество методов для выполнения активной балансировки ячеек, давайте обсудим наиболее часто используемые.
Зарядные шаттлы (летающие конденсаторы)
В этом методе используются конденсаторы для передачи заряда от ячейки высокого напряжения к ячейке низкого напряжения. Конденсатор подключается через переключатели SPDT. Сначала переключатель подключает конденсатор к ячейке высокого напряжения, а после того, как конденсатор заряжен, переключатель подключает его к ячейке низкого напряжения, где заряд от конденсатора течет в ячейку. Поскольку заряд перемещается между ячейками, этот метод называется «челноком заряда». Рисунок ниже должен помочь вам лучше понять.
Эти конденсаторы называются летающими конденсаторами, поскольку они находятся между ячейками низкого и высокого напряжения, несущими зарядные устройства. Недостатком этого метода является то, что заряд может передаваться только между соседними ячейками. Также требуется больше времени, так как конденсатор должен быть заряжен, а затем разряжен для переноса зарядов. Кроме того, он очень менее эффективен, так как при зарядке и разрядке конденсатора будут потери энергии, а также необходимо учитывать потери при переключении. На изображении ниже показано, как летающий конденсатор будет подключен к аккумуляторной батарее.
Индуктивный преобразователь (метод Buck Boost)
Другой метод активной балансировки ячеек - использование индукторов и переключающих цепей. В этом методе схема переключения состоит из повышающего преобразователя . Заряд от высоковольтной ячейки накачивается в катушку индуктивности, а затем разряжается в низковольтную ячейку с помощью понижающего повышающего преобразователя. На рисунке ниже представлен индуктивный преобразователь всего с двумя ячейками и одним повышающим преобразователем.
В приведенной выше схеме заряд может быть передан от ячейки 1 к ячейке 2 путем переключения полевых МОП-транзисторов sw1 и sw2 следующим образом. Сначала замыкается переключатель SW1, что заставляет заряд из ячейки 1 течь в индуктор с током I-charge. Когда индуктор полностью заряжен, переключатель SW1 размыкается, а переключатель sw2 замыкается.
Теперь индуктор, который полностью заряжен, изменит свою полярность и начнет разряжаться. На этот раз заряд индуктора перетекает в ячейку2 с током I-разряда. Как только индуктор полностью разряжен, переключатель sw2 размыкается, а переключатель sw1 замыкается, чтобы повторить процесс. Приведенные ниже формы сигналов помогут вам получить четкое изображение.
В течение времени t0 переключатель sw1 замкнут (включен), что приводит к увеличению тока заряда I и увеличению напряжения на катушке индуктивности (VL). Затем, как только катушка индуктивности полностью заряжена в момент t1, переключатель sw1 размыкается (выключается), что заставляет катушку индуктивности разряжать заряд, накопленный на предыдущем этапе. Когда индуктор разряжается, он меняет свою полярность, поэтому напряжение VL отображается отрицательно. При разрядке ток разряда (I разряд) уменьшается от максимального значения. Весь этот ток поступает в ячейку 2 для ее зарядки. Допускается небольшой интервал от времени t2 до t3, а затем в t3 весь цикл повторяется снова.
Этот метод также страдает серьезным недостатком, заключающимся в том, что заряд может передаваться только от более высокого элемента к более низкому элементу. Также следует учитывать потери при переключении и падение напряжения на диодах. Но он быстрее и эффективнее, чем конденсаторный метод.
Индуктивный преобразователь (на основе обратного хода)
Как мы уже обсуждали, метод понижающего повышающего преобразователя может передавать заряды только от более высокого элемента к более низкому элементу. Этой проблемы можно избежать, используя обратный преобразователь и трансформатор. В преобразователе обратного типа первичная сторона обмотки подключена к аккумуляторной батарее, а вторичная сторона подключена к каждой отдельной ячейке аккумуляторной батареи, как показано ниже.
Как мы знаем, батарея работает от постоянного тока, и трансформатор не будет работать, пока не будет переключено напряжение. Таким образом, чтобы начать процесс зарядки, переключатель на стороне первичной обмотки Sp переключается. Это преобразует постоянный ток в импульсный, и первичная обмотка трансформатора активируется.
Теперь на вторичной стороне у каждой ячейки есть свой переключатель и вторичная катушка. Путем переключения МОП-транзистора низковольтного элемента мы можем заставить эту конкретную катушку действовать как вторичная обмотка трансформатора. Таким образом, заряд первичной обмотки передается вторичной обмотке. Это вызывает разрядку общего напряжения аккумуляторной батареи в слабую ячейку.
Самым большим преимуществом этого метода является то, что любая слабая ячейка в батарее может легко заряжаться от напряжения батареи, а не конкретная ячейка разряжается. Но поскольку в нем используется трансформатор, он занимает много места и сложность схемы высока.
3. Балансировка без потерь
Балансировка без потерь - это недавно разработанный метод, который снижает потери за счет уменьшения количества аппаратных компонентов и обеспечения большего программного управления. Это также упрощает систему и упрощает ее проектирование. В этом методе используется схема матричной коммутации, которая обеспечивает возможность добавления или удаления элемента из батареи во время зарядки и разрядки. Ниже показана простая схема переключения матрицы для восьми ячеек.
В процессе зарядки аккумулятор, находящийся под высоким напряжением, будет извлекаться из батареи с помощью переключателей. На приведенном выше рисунке ячейка 5 извлекается из упаковки с помощью переключателей. Считайте круги с красной линией открытыми переключателями, а круг с синей линией - замкнутыми переключателями. Таким образом, время покоя более слабых элементов увеличивается в процессе зарядки, чтобы сбалансировать их во время зарядки. Но напряжение зарядки необходимо соответственно отрегулировать. Эту же технику можно использовать и во время разряда.
4. Редокс-шаттл
Последний метод предназначен не для разработчиков оборудования, а для инженеров-химиков. В свинцово-кислотных аккумуляторах у нас нет проблемы с балансировкой ячеек, потому что, когда свинцово-кислотный аккумулятор перезаряжается, это вызывает выделение газов, что предотвращает его чрезмерный заряд. Идея Redox-шаттла состоит в том, чтобы попытаться достичь того же эффекта на литиевые элементы, изменив химический состав электролита литиевых элементов. Этот модифицированный электролит должен предотвратить перезарядку элемента.
Алгоритмы балансировки ячеек
Эффективный метод балансировки ячеек должен сочетать аппаратное обеспечение с надлежащим алгоритмом. Существует множество алгоритмов балансировки ячеек, и это зависит от конструкции оборудования. Но типы можно свести к двум разным разделам.
Измерение напряжения холостого хода (OCV)
Это простой и наиболее часто используемый метод. Здесь измеряются напряжения открытых ячеек для каждой ячейки, и схема балансировки ячеек работает для выравнивания значений напряжения всех ячеек, соединенных последовательно. OCV (напряжение холостого хода) просто измерить, и, следовательно, сложность этого алгоритма меньше.
Измерение состояния заряда (SOC)
В этом методе SOC ячеек сбалансирован. Как мы уже знаем, измерение SOC ячейки является сложной задачей, поскольку мы должны учитывать значение напряжения и тока ячейки в течение определенного периода времени, чтобы вычислить значение SOC. Этот сложный алгоритм используется там, где требуется высокая эффективность и безопасность, например, в аэрокосмической и космической отраслях.
На этом статья заканчивается. Надеюсь, теперь вы получили краткое представление о том, что такое балансировка ячеек, как она реализована на аппаратном и программном уровне. Если у вас есть идеи или методы, поделитесь ими в разделе комментариев или воспользуйтесь форумом для получения технической помощи.