Techniky vyvažovania buniek a spôsob ich použitia

Menovitý lítiový článok je dimenzovaný iba na približne 4,2 V, ale pri jeho aplikáciách, ako je EV, prenosná elektronika, notebooky, power banky atď., Potrebujeme oveľa vyššie napätie, ako je jeho nominálne napätie. To je dôvod, prečo dizajnéri kombinujú viac ako jeden článok do série a vytvárajú batériu s vyššími hodnotami napätia. Ako vieme z nášho predchádzajúceho článku o batériách o elektrických vozidlách, pri kombinovaní batérií v sérii sa hodnota napätia sčítava. Napríklad keď sú do série zapojené štyri lítiové články s napätím 4,2 V, efektívne výstupné napätie výslednej batérie bude 16,8 V.

Ale viete si predstaviť, že spojiť veľa buniek v sérii je ako namontovať veľa koní na voz. Vozidlo bude jazdiť s maximálnou účinnosťou, iba ak všetky kone bežia rovnakou rýchlosťou. Ak zo štyroch koní beží jeden kôň pomaly, potom ostatní traja musia tiež znížiť svoju rýchlosť, čím sa zníži účinnosť, a ak jeden kôň beží rýchlejšie, nakoniec by si ublížil zatiahnutím bremena ďalších troch koní. Podobne, keď sú štyri články zapojené do série, hodnoty napätia všetkých štyroch článkov by sa mali rovnať, aby sa odvodila batéria s maximálnou účinnosťou. Metóda udržiavania všetkých rovnakých napätí buniek sa nazýva vyváženie buniek. V tomto článku sa dozvieme viac o vyvažovaní buniek a tiež stručne o tom, ako ich používať na hardvérovej a softvérovej úrovni.

Prečo potrebujeme vyvažovanie buniek?

Vyvažovanie článkov je technika, pri ktorej sa úrovne napätia každého jednotlivého článku zapojeného do série na vytvorenie akumulátora udržujú na rovnakej úrovni, aby sa dosiahla maximálna účinnosť akumulátora. Ak sa rôzne články skombinujú do jedného akumulátora, vždy sa zabezpečí, aby mali rovnakú chemickú hodnotu a rovnakú hodnotu napätia. Ale akonáhle je balíček nainštalovaný a podrobený nabíjaniu a vybíjaniu, hodnoty napätia jednotlivých článkov majú tendenciu sa meniť kvôli niektorým dôvodom, o ktorých si ešte povieme. Táto zmena úrovní napätia spôsobuje nevyváženie buniek, čo povedie k jednému z nasledujúcich problémov

Thermal Runaway

Najhoršia vec, ktorá sa môže stať, je termálny útek. Ako vieme, lítiové články sú veľmi citlivé na prebíjanie a nadmerné vybíjanie. Ak je v balení štyroch článkov jeden článok 3,5 V, zatiaľ čo druhý 3,2 V, nabíjanie nabije všetky články naraz, pretože sú v sérii, a nabije článok 3,5 V na viac než odporúčané napätie, pretože ostatné batérie sú stále. vyžadovať nabíjanie.

Degradácia buniek

Keď je lítiový článok prebitý čo i len mierne nad odporúčanú hodnotu, zníži sa účinnosť a životný cyklus článku. Napríklad mierne zvýšenie nabíjacieho napätia z 4,2 V na 4,25 V spôsobí rýchlejšiu degradáciu batérie o 30%. Ak teda vyváženie článkov nie je presné, aj mierne prebitie skráti životnosť batérie.

Neúplné nabitie balíka

Pretože batérie v balení starnú, niekoľko článkov môže byť slabších ako susedné články. Tento týždeň budú bunky veľkým problémom, pretože sa budú nabíjať a vybíjať rýchlejšie ako normálne zdravé bunky. Počas nabíjania akumulátora sériovými článkami by sa mal nabíjací proces zastaviť, aj keď jeden článok dosiahne maximálne napätie. Týmto spôsobom, ak sa dva články v batérii dostanú týždeň, budú sa nabíjať rýchlejšie a zvyšné články sa tak nenabijú na maximum, ako je uvedené nižšie.

Neúplné využitie energie Pack

Podobne v rovnakom prípade, keď sa batéria vybíja, slabšie články sa vybijú rýchlejšie ako zdravé články a rýchlejšie dosiahnu minimálne napätie ako ostatné články. Ako sme sa dozvedeli v našom článku o BMS, sada bude odpojená od záťaže, aj keď jeden článok dosiahne minimálne napätie. To vedie k nevyužitej kapacite energie balíka, ako je uvedené nižšie.

Ak vezmeme do úvahy všetky vyššie uvedené možné nevýhody, môžeme dospieť k záveru, že vyváženie článkov by bolo povinné, aby sa batéria využila na maximálnu účinnosť. Stále existuje niekoľko aplikácií, pri ktorých by počiatočné náklady mali byť veľmi nízke a výmene batérií nie je v týchto aplikáciách problém vyhnúť sa vyváženiu buniek. Ale vo väčšine aplikácií vrátane elektrických vozidiel je vyvažovanie článkov povinné, aby ste z akumulátora dostali maximum.

Čo spôsobuje nevyváženie článkov v batériách?

Teraz vieme, prečo je dôležité udržiavať všetky články v batérii vyvážené. Aby sme však problém správne vyriešili, mali by sme vedieť, prečo sú bunky z prvej ruky nevyvážené. Ako už bolo povedané skôr, keď sa batéria vytvorí umiestnením článkov do série, zabezpečí sa, aby všetky články boli na rovnakých úrovniach napätia. Čerstvá batéria bude mať teda vždy vyvážené články. Keď sa však balenie uvedie do používania, bunky sa nevyvážia z nasledujúcich dôvodov.

Nerovnováha SOC

Meranie SOC bunky je komplikované; preto je veľmi zložité merať SOC jednotlivých článkov v batérii. Ideálna technika vyváženia článkov by sa mala zhodovať s článkami rovnakého SOC namiesto rovnakých úrovní napätia (OCV). Ale keďže je prakticky nemožné, aby sa bunky pri vytváraní sady zhodovali iba s napätím, zmena v SOC by mohla v pravý čas viesť k zmene OCV.

Zmena vnútorného odporu

Je veľmi ťažké nájsť články s rovnakým vnútorným odporom (IR) a s pribúdajúcim vekom batérie sa zmení aj IR článku, a teda v batérii nebudú mať všetky články rovnaké IR. Ako vieme, IR prispieva k vnútornej impedancii bunky, ktorá určuje prúd prúdiaci bunkou. Pretože IR sa mení, mení sa aj prúd cez bunku a jeho napätie.

Teplota

Kapacita nabíjania a vybíjania článku závisí aj od teploty v jeho okolí. V obrovskej batérii, ako sú EV alebo solárne panely, sú články distribuované do odpadových oblastí a medzi samotným akumulátorom môže byť rozdiel teplôt, čo spôsobí, že sa jeden článok nabije alebo vybije rýchlejšie ako zvyšné články, čo spôsobí nerovnováhu.

Z vyššie uvedených dôvodov je zrejmé, že nemôžeme zabrániť nerovnováhe buniek počas operácie. Takže jediným riešením je použiť externý systém, ktorý núti bunky, aby sa znovu vyvážená potom, čo si nevyvážené. Tento systém sa nazýva Battery Balancing System. Na vyvažovanie batériových článkov sa používa veľa rôznych typov hardvérových a softvérových techník. Poďme diskutovať o druhoch a široko používaných technikách.

Typy vyváženia článkov batérie

Techniky vyvažovania buniek možno zhruba rozdeliť do nasledujúcich štyroch kategórií, ktoré sú uvedené nižšie. Budeme diskutovať o každej kategórii.

Pasívne vyvažovanie buniek
Aktívne vyvažovanie buniek
Bezstratové vyvažovanie buniek
Redox Shuttle

1. Pasívne vyvažovanie buniek

Metóda pasívneho vyvažovania buniek je najjednoduchšou metódou zo všetkých. Môže sa použiť na miestach, kde sú hlavnými obmedzeniami cena a veľkosť. Nasledujú dva typy pasívneho vyvažovania buniek.

Poplatkový posun

V tejto metóde sa na vybíjanie nadmerného napätia a jeho vyrovnanie s ostatnými článkami používa zdanlivá záťaž ako odpor. Tieto odpory sa nazývajú bypassové odpory alebo odpúšťacie odpory. Každá bunka zapojená do série v balení bude mať svoj vlastný bypassový odpor pripojený prostredníctvom prepínača, ako je uvedené nižšie.

Vzorový obvod vyššie zobrazuje štyri články, z ktorých každý je pripojený k dvom obtokovým rezistorom cez prepínač ako MOSFET. Ovládače merajú napätie všetkých štyroch článkov a zapínajú mosfet pre článok, ktorého napätie je vyššie ako ostatné články. Keď je mosfet zapnutý, príslušná bunka sa začne vybíjať cez rezistory. Pretože poznáme hodnotu rezistorov, môžeme predpovedať, koľko náboja sa bunkou rozptýli. Kondenzátor zapojený paralelne s článkom sa používa na filtrovanie napäťových špičiek počas spínania.

Táto metóda nie je veľmi efektívna, pretože elektrická energia sa rozptýli ako teplo v rezistoroch a obvod tiež zodpovedá spínacím stratám. Ďalšou nevýhodou je, že celý vybíjací prúd preteká mosfetom, ktorý je väčšinou zabudovaný do ovládača IC, a preto musí byť vybíjací prúd obmedzený na nízke hodnoty, čo zvyšuje čas vybíjania. Jedným zo spôsobov, ako prekonať túto nevýhodu, je použitie externého spínača na zvýšenie vybíjacieho prúdu, ako je uvedené nižšie

Interný MOSFET v kanáli P bude spustený radičom, ktorý spôsobí vybitie článku (predpätie I) cez rezistory R1 a R2. Hodnota R2 sa volí tak, aby pokles napätia, ktorý na nej nastane v dôsledku toku vybíjacieho prúdu (predpätie I), stačil na spustenie druhého N-kanálového MOSFETu. Toto napätie sa nazýva napätie zdroja brány (Vgs) a prúd potrebný na predpätie MOSFET sa nazýva predpínací prúd (I-bias).

Akonáhle je N-kanálový MOSFET zapnutý, prúd teraz preteká cez vyrovnávací odpor R-Bal . Hodnota tohto rezistora môže byť nízka, čo umožňuje prechod väčšieho množstva prúdu, a tým rýchlejšie vybitie batérie. Tento prúd sa nazýva odtokový prúd (I-odtok). V tomto obvode je celkový vybíjací prúd súčtom odtokového prúdu a skresleného prúdu. Keď je P-kanál MOSFET vypnutý regulátorom, predpínací prúd je nula a teda aj napätie Vgs sa dostane na nulu. Týmto sa vypne N-kanálový MOSFET, ktorý ponecháva batériu, aby sa znova stala ideálnou.

Pasívne integrované obvody na vyvažovanie buniek

Aj keď technika pasívneho vyvažovania nie je efektívna, používa sa častejšie kvôli tejto jednoduchosti a nízkym nákladom. Namiesto návrhu hardvéru môžete použiť aj niekoľko ľahko dostupných integrovaných obvodov, ako sú LTC6804 a BQ77PL900 od renomovaných výrobcov, ako sú prístroje Linear a Texas. Tieto integrované obvody môžu byť kaskádové na sledovanie viacerých buniek a šetria čas a náklady na vývoj.

Obmedzenie poplatku

Metóda obmedzenia poplatkov je najefektívnejšou metódou zo všetkých. Tu sa berie do úvahy iba bezpečnosť a životnosť batérie, pričom sa znižuje účinnosť. Pri tejto metóde sú jednotlivé napätia článkov monitorované nepretržite.

Počas procesu nabíjania, aj keď jeden článok dosiahne úplné nabíjacie napätie, nabíjanie sa zastaví, pričom ostatné články zostanú v polovici cesty. Podobne počas vybitia, aj keď jeden článok dosiahne minimálne medzné napätie, je batéria odpojená od záťaže, kým sa batéria znovu nenabije.

Aj keď je táto metóda neefektívna, znižuje náklady a požiadavky na veľkosť. Preto sa používa v aplikáciách, kde je možné často nabíjať batérie.

2. Aktívne vyvažovanie buniek

Pri pasívnom vyvážení buniek sa nadmerný poplatok nevyužil, a preto sa považuje za neefektívny. Zatiaľ čo pri aktívnom vyrovnávaní nadmerného náboja sa jedna bunka prenáša do druhej bunky s nízkym nábojom, aby sa vyrovnali. Toho sa dosahuje využitím prvkov na ukladanie náboja, ako sú kondenzátory a induktory. Existuje mnoho metód na vykonávanie aktívneho vyváženia buniek, ktoré umožňujú diskutovať o bežne používaných metódach.

Charge Shuttle (lietajúce kondenzátory)

Táto metóda využíva kondenzátory na prenos náboja z článku vysokého napätia do článku nízkeho napätia. Kondenzátor je pripojený cez prepínače SPDT spočiatku prepínač pripája kondenzátor k vysokonapäťovému článku a po nabití kondenzátora ho prepínač pripojí k nízkonapäťovému článku, kde náboj z kondenzátora prúdi do článku. Pretože náboj je prebíjaný medzi bunkami, táto metóda sa nazýva ako náboje. Nasledujúci obrázok by vám mal pomôcť lepšie pochopiť.

Tieto kondenzátory sa nazývajú lietajúce kondenzátory, pretože lietajú medzi nízkonapäťovými a vysokonapäťovými článkami prenášajúcimi nabíjačky. Nevýhodou tejto metódy je, že náboj je možné prenášať iba medzi susednými bunkami. Tiež to trvá viac času, pretože kondenzátor musí byť nabitý a potom vybitý, aby sa náboj preniesol. Je tiež veľmi menej efektívny, pretože počas nabíjania a vybíjania kondenzátora dôjde k strate energie a taktiež je potrebné zohľadniť straty pri prepínaní. Nasledujúci obrázok ukazuje, ako bude lietajúci kondenzátor pripojený k batérii

Indukčný prevodník (metóda Buck Boost)

Ďalším spôsobom aktívneho vyváženia buniek je použitie tlmiviek a spínacích obvodov. V tejto metóde pozostáva spínací obvod z prevodníka zosilnenia dolára . Náboj z vysokonapäťového článku sa čerpá v induktore a potom sa vybije do nízkonapäťového článku pomocou prevodníka zosilňovača dolára. Na nasledujúcom obrázku je znázornený indukčný prevodník, ktorý má iba dva články a prevodník na zvýšenie jednej dávky.

Vo vyššie uvedenom obvode môže byť náboj prenesený z bunky 1 do bunky 2 prepnutím MOSFETOV sw1 a sw2 nasledujúcim spôsobom. Najskôr je spínač SW1 zopnutý, čo spôsobí, že náboj z článku 1 bude prúdiť do induktora s prúdovým nábojom I. Akonáhle je induktor úplne nabitý, spínač SW1 sa otvorí a spínač sw2 sa zatvorí.

Teraz induktor, ktorý je úplne nabitý, zmení svoju polaritu a začne sa vybíjať. Tentokrát náboj z induktora prúdi do článku 2 s prúdovým I-výbojom. Akonáhle je induktor úplne vybitý, spínač sw2 sa otvorí a spínač sw1 sa zatvorí, aby sa proces zopakoval. Nižšie uvedené priebehy vám pomôžu získať jasný obraz.

Počas doby t0 je spínač sw1 zopnutý (zapnutý), čo vedie k zvýšeniu nabíjaného prúdu a zvýšeniu napätia na induktore (VL). Potom, keď je induktor v čase t1 úplne nabitý, prepínač sw1 sa otvorí (vypne), čo induktorovi spôsobí vybitie náboja, ktorý sa nahromadil v predchádzajúcom kroku. Keď sa induktor vybije, zmení svoju polaritu, preto je napätie VL zobrazené záporne. Pri vybíjaní vybíjací prúd (I vybíjaný) klesá z maximálnej hodnoty. Celý tento prúd vstupuje do bunky 2, aby sa nabil. Od času t2 do t3 je povolený malý interval a potom o t3 sa celý cyklus opakuje znova.

Táto metóda tiež trpí hlavnou nevýhodou, že náboj sa môže prenášať iba z vyššej bunky do dolnej bunky. Mali by ste brať ohľad na stratu spínania a pokles napätia diódy. Je to však rýchlejšie a efektívnejšie ako pri kondenzátorovej metóde.

Indukčný prevodník (na základe spätného letu)

Ako sme hovorili o metóde konvertora zosilnenia zosilnenia, mohol prenášať poplatky iba z vyššej bunky do dolnej bunky. Tomuto problému sa dá vyhnúť použitím prevodníka Fly back a transformátora. V prevodníku typu flyback je primárna strana vinutia spojená s batériovou jednotkou a sekundárna strana je pripojená ku každému jednotlivému článku batériovej jednotky, ako je znázornené nižšie.

Ako vieme, batéria pracuje s jednosmerným prúdom a transformátor nebude mať žiadny vplyv, kým sa neprepne napätie. Na zahájenie procesu nabíjania je teda prepnutý spínač na strane primárnej cievky Sp. Toto prevádza jednosmerný prúd na impulzný jednosmerný prúd a primárna strana transformátora je aktivovaná.

Teraz na sekundárnej strane má každá bunka svoj vlastný prepínač a sekundárnu cievku. Prepnutím mosfetu nízkonapäťového článku môžeme dosiahnuť, aby konkrétna cievka fungovala ako sekundárna pre transformátor. Týmto spôsobom sa náboj z primárnej cievky prenáša na sekundárnu cievku. To spôsobí, že sa celkové napätie akumulátora vybije do slabého článku.

Najväčšou výhodou tejto metódy je, že akýkoľvek slabý článok v balení je možné ľahko nabiť z napätia v balení a nie konkrétny článok je výbojom. Ale pretože v zahŕňa transformátor, zaberá veľký priestor a zložitosť obvodu je veľká.

3. Bezstratové vyvažovanie

Lossless balancing je nedávno vyvinutá metóda, ktorá redukuje straty znižovaním hardvérových komponentov a poskytovaním väčšej kontroly softvéru. Toto tiež uľahčuje a zjednodušuje návrh systému. Táto metóda využíva maticový spínací obvod, ktorý poskytuje schopnosť pridať alebo odobrať článok z akumulátora počas nabíjania a vybíjania. Nižšie je uvedený jednoduchý maticový spínací obvod pre osem článkov.

Počas procesu nabíjania bude článok, ktorý je pod vysokým napätím, z balenia odstránený pomocou usporiadania spínačov. Na vyššie uvedenom obrázku je bunka 5 odstránená z balenia pomocou prepínačov. Kruhy červenej čiary považujeme za otvorené prepínače a kruh modrej čiary za uzavreté prepínače. Takto sa počas nabíjania predlžuje čas odpočinku slabších článkov tak, aby sa vyvážili počas nabíjania. Je však potrebné zodpovedajúcim spôsobom upraviť nabíjacie napätie. Rovnakou technikou je možné postupovať aj pri vybíjaní.

4. Redox Shuttle

Konečná metóda nie je pre návrhárov hardvéru, ale pre chemických inžinierov. V olovených batériách nemáme problém s vyvažovaním článkov, pretože keď je olovená batéria prebitá, spôsobuje plynovanie, ktoré zabraňuje nadmernému nabitiu. Myšlienkou kyvadlovej dopravy Redox je pokúsiť sa dosiahnuť rovnaký účinok na lítiové články zmenou chémie elektrolytu lítiového článku. Tento upravený elektrolyt by mal zabrániť prebitiu článku.

Algoritmy vyvažovania buniek

Efektívna technika vyvažovania buniek by mala kombinovať hardvér so správnym algoritmom. Existuje mnoho algoritmov na vyvažovanie buniek a záleží to na hardvérovom prevedení. Ale typy sa dajú variť do dvoch rôznych sekcií.

Meranie napätia naprázdno (OCV)

Toto je ľahká a najčastejšie používaná metóda. Tu sa merajú napätia otvorených článkov pre každý článok a vyvažovací obvod článkov pracuje na vyrovnaní hodnôt napätia všetkých článkov zapojených do série. Je ľahké merať OCV (napätie naprázdno), a preto je zložitosť tohto algoritmu menšia.

Meranie rýchlosti nabíjania (SOC)

Pri tejto metóde sú SOC buniek vyvážené. Ako už vieme, meranie SOC bunky je zložitá úloha, pretože na výpočet hodnoty SOC musíme brať do úvahy hodnotu napätia a prúdu bunky za určité časové obdobie. Tento algoritmus je zložitý a používa sa na miestach, kde sa vyžaduje vysoká účinnosť a bezpečnosť, ako napríklad v leteckom a kozmickom priemysle.

Týmto sa článok končí. Dúfam, že teraz získate krátku predstavu o tom, ako sa bunkové vyváženie implementuje na úrovni hardvéru a softvéru. Ak máte nejaké nápady alebo techniky, zdieľajte ich v sekcii komentárov alebo použite technickú pomoc na fórach.