- Zakaj potrebujemo uravnoteženje celic?
- Kaj povzroča neuravnoteženost celic v baterijah?
- Vrste uravnoteženja baterijskih celic
- 1. Pasivno uravnoteženje celic
- 2. Aktivno uravnoteženje celic
- 3. Izravnava brez izgub
- 4. Redox Shuttle
Nazivna litijeva celica je ocenjena na približno 4,2 V, vendar v njenih aplikacijah, kot so EV, prenosna elektronika, prenosniki, napajalniki itd., Potrebujemo veliko višjo napetost od njene nazivne napetosti. To je razlog, zakaj oblikovalci kombinirajo več kot eno celico zaporedoma, da tvorijo baterijo z višjimi vrednostmi napetosti. Kot vemo iz prejšnjega članka o baterijah za električna vozila, se pri seštevanju baterijskih vrednosti napetost sešteje. Na primer, ko so zaporedno priključene štiri litijeve celice 4,2 V, bo efektivna izhodna napetost nastalega akumulatorja 16,8 V.
Lahko pa si predstavljate, da je povezovanje številnih celic zaporedno, kot da bi na kočijo pripeljali veliko konjev. Samo, če bodo vsi konji tekli z enako hitrostjo, bo voz vozil z največjo možno učinkovitostjo. Če en konj teče počasi, potem morajo tudi drugi trije zmanjšati svojo hitrost, s čimer se zmanjša učinkovitost in če bi en konj tekel hitreje, bi se na koncu poškodoval z vlečenjem bremena ostalih treh konj. Podobno je, ko so štirje celice vezane zaporedno vrednosti napetosti vseh štirih celic mora biti enaka za izpeljavo baterijo z maksimalno učinkovitostjo. Način vzdrževanja enakih napetosti v celicah se imenuje uravnoteženje celic. V tem članku bomo izvedeli več o uravnoteženju celic in na kratko o njihovi uporabi na strojni in programski ravni.
Zakaj potrebujemo uravnoteženje celic?
Uravnavanje celic je tehnika, pri kateri se napetost vsake posamezne celice, zaporedno povezane v baterijo, ohranja na enakih nivojih, da se doseže največja učinkovitost baterijskega sklopa. Kadar se različne celice združijo v baterijski sklop, je vedno treba zagotoviti, da so enake kemijske in napetostne vrednosti. Toda ko je paket nameščen in podvržen polnjenju in praznjenju, se vrednosti napetosti posameznih celic spreminjajo zaradi nekaterih razlogov, o katerih bomo razpravljali kasneje. Ta sprememba ravni napetosti povzroči neuravnoteženost celic, kar bo povzročilo eno od naslednjih težav
Termalni pobegNajslabše, kar se lahko zgodi, je toplotni beg. Kot vemo, so litijeve celice zelo občutljive na prekomerno polnjenje in prekomerno praznjenje. V paketu s štirimi celicami, če je ena celica 3,5 V, druga pa 3,2 V, bo napolnil vse celice skupaj, saj so zaporedoma, in 3,5 V celico bo napolnil na večjo od priporočene napetosti, saj so druge baterije še vedno zahtevajo polnjenje.
Razgradnja celicKo je litijeva celica preveč napolnjena celo nekoliko nad njeno priporočeno vrednost, se zmanjša učinkovitost in življenjski cikel celice. Na primer, rahlo povečanje polnilne napetosti s 4,2 V na 4,25 V bo akumulator hitreje poslabšalo za 30%. Če uravnoteženje celic ni natančno, bo že rahlo prekomerno polnjenje skrajšalo življenjsko dobo baterije.
Nepopolno polnjenje paketaKer se baterije v paketu starajo, je lahko nekaj celic šibkejših od sosednjih celic. Celice v tem tednu bodo velik problem, saj se bodo polnile in praznile hitreje kot običajne zdrave celice. Med polnjenjem akumulatorja s serijskimi celicami je treba postopek polnjenja ustaviti, tudi če ena celica doseže največjo napetost. Tako se bosta dve celici v bateriji tedensko polnili hitreje, zato preostale celice ne bodo napolnjene do maksimuma, kot je prikazano spodaj.
Nepopolna uporaba energije PackPodobno se v istem primeru, ko se baterija prazni, šibkejše celice izpraznijo hitreje kot zdrava celica in dosežejo najnižjo napetost hitreje kot druge celice. Kot smo izvedeli v članku BMS, bo paket odklopljen iz obremenitve, tudi če ena celica doseže minimalno napetost. To vodi do neizkoriščene kapacitete pakiranja, kot je prikazano spodaj.
Ob upoštevanju vseh zgoraj navedenih možnih pomanjkljivosti lahko ugotovimo, da bi bilo uravnoteženje celic obvezno, če bi baterijo izkoristili do največje možne učinkovitosti. Kljub temu je malo aplikacij, pri katerih bi morali biti začetni stroški zelo nizki, zamenjava baterije pa ni problem, saj se je mogoče izogniti uravnoteženju celic. Toda v večini primerov, vključno z električnimi vozili, je uravnoteženje celic obvezno, da dobite največ soka iz akumulatorja.
Kaj povzroča neuravnoteženost celic v baterijah?
Zdaj vemo, zakaj je pomembno ohranjati uravnoteženost vseh celic v bateriji. Toda za pravilno reševanje problema bi morali vedeti, zakaj celice že v prvi roki postanejo neuravnotežene. Kot smo že povedali, ko se baterijski sklop oblikuje tako, da se celice serijsko postavijo, je zagotovljeno, da so vse celice v enaki napetosti. Tako bo svež akumulator vedno imel uravnotežene celice. Toda ko se paket začne uporabljati, celice postanejo neuravnotežene iz naslednjih razlogov.
Neravnovesje SOC
Merjenje SOC celice je zapleteno; zato je zelo zapleteno meriti SOC posameznih celic v bateriji. Idealna tehnika uravnoteženja celic se mora ujemati s celicami iste SOC namesto z enakimi napetostnimi stopnjami (OCV). Ker pa pri izdelavi embalaže praktično ni mogoče, da se celice ujemajo samo glede na napetost, lahko sprememba SOC sčasoma privede do spremembe OCV.
Spremembe notranjega upora
Zelo težko je najti celice z enakim notranjim uporom (IR) in s staranjem baterije se spremeni tudi IR celice, zato v baterijskem paketu ne bodo imele vse celice enakega IR. Kot vemo, IR prispeva k notranji impedanci celice, ki določa tok, ki teče skozi celico. Ker se IR spreminja, se tok skozi celico in njegova napetost spreminjata.
Temperatura
Zmogljivost polnjenja in praznjenja celice je odvisna tudi od temperature okoli nje. V velikem paketu baterij, kot so električna vozila ali sončne celice, se celice porazdelijo po odpadnih območjih in med samim paketom lahko pride do temperaturne razlike, zaradi česar se ena celica napolni ali izprazni hitreje kot preostale celice, kar povzroči neravnovesje.
Iz zgornjih razlogov je jasno, da celici med operacijo ne moremo preprečiti, da bi se uravnotežila. Torej, edina rešitev je, da uporabite zunanji sistem, ki sili celice, da se ponovno uravnotežena, potem ko so dobili neuravnotežen. Ta sistem se imenuje sistem za uravnoteženje baterij. Za uravnoteženje baterijskih celic se uporablja veliko različnih vrst strojne in programske opreme. Naj razpravljamo o vrstah in široko uporabljenih tehnikah.
Vrste uravnoteženja baterijskih celic
Tehnike uravnoteženja celic lahko na splošno razvrstimo v naslednje štiri kategorije, ki so navedene spodaj. O vsaki kategoriji bomo razpravljali.
- Pasivno uravnoteženje celic
- Aktivno uravnoteženje celic
- Uravnavanje celic brez izgub
- Redox Shuttle
1. Pasivno uravnoteženje celic
Metoda pasivnega uravnavanja celic je najpreprostejša metoda. Uporablja se lahko tam, kjer sta stroški in velikost glavni omejitvi. V nadaljevanju sta navedeni dve vrsti pasivnega uravnoteženja celic.
Charge ranžiranje
Pri tej metodi se za praznjenje odvečne napetosti in njeno izenačitev z drugimi celicami uporablja lažna obremenitev, kot je upor. Ti upori se imenujejo bypass upori ali odporni upori. Vsaka celica, ki je zaporedno povezana v paketu, bo imela svoj obvodni upor povezan s stikalom, kot je prikazano spodaj.
Vzorčno vezje zgoraj prikazuje štiri celice, od katerih je vsaka prek stikala, kot je MOSFET, povezana z dvema obvodnima uporoma. Krmilniki merijo napetost vseh štirih celic in vklopijo mosfet za celico, katere napetost je višja od ostalih celic. Ko je mosfet vklopljen, se ta posebna celica začne prazniti skozi upore. Ker poznamo vrednost uporov, lahko predvidevamo, koliko naboja odvaja celica. Kondenzator, povezan vzporedno s celico, se uporablja za filtriranje napetostnih konic med preklopom.
Ta metoda ni zelo učinkovita, ker se električna energija v uporih odvaja kot toplota in vezje upošteva tudi preklopne izgube. Druga pomanjkljivost je, da celotni izpustni tok teče skozi MOSFET, ki je večinoma vgrajen v krmilno enoto krmilnika, zato mora biti izpustni tok omejen na nizke vrednosti, kar poveča čas praznjenja. Eden od načinov za premagovanje pomanjkljivosti je uporaba zunanjega stikala za povečanje praznega toka, kot je prikazano spodaj
Notranji P-kanalni MOSFET sproži krmilnik, ki povzroči, da se celica izprazni (I-pristranskost) skozi upor R1 in R2. Vrednost R2 je izbrana tako, da padec napetosti na njej zaradi toka praznjenja (I-bias) zadostuje za sprožitev drugega N-kanalnega MOSFET-a. Ta napetost se imenuje napetost vrat na vratih (Vgs), tok, potreben za pristranskost MOSFET-a, pa kot napetost (I-bias).
Ko je N-kanalni MOSFET vklopljen, tok teče skozi izravnalni upor R-Bal . Vrednost tega upora je lahko nizka, kar omogoča, da skozi njega prehaja več toka in s tem hitreje prazni baterijo. Ta tok se imenuje odtočni tok (I-odtok). V tem vezju je skupni izpustni tok vsota odtočnega toka in toka pristranskosti. Ko krmilnik izklopi P-kanalni MOSFET, je nastavitveni tok enak nič in tako napetost Vgs dobi tudi nič. S tem se izklopi N-kanalni MOSFET, baterija pa spet postane idealna.
IC za pasivno uravnoteženje celic
Čeprav pasivna tehnika uravnoteženja ni učinkovita, se zaradi te preprostosti in poceni pogosteje uporablja. Namesto zasnove strojne opreme lahko uporabite tudi nekaj zlahka dostopnih IC, kot sta LTC6804 in BQ77PL900 priznanih proizvajalcev, kot sta Linear in Texas. Te IC lahko kaskadno nadzirate več celic in prihranite čas in stroške razvoja.
Omejitev polnjenja
Metoda omejevanja naboja je najbolj neučinkovita metoda od vseh. Tu upoštevamo samo varnost in življenjsko dobo baterije, medtem ko se odrečemo učinkovitosti. Pri tej metodi se napetosti posameznih celic stalno spremlja.
Med polnjenjem, tudi če ena celica doseže polno napetost polnjenja, se polnjenje ustavi, ostale celice pa ostanejo na polovici poti. Podobno med praznjenjem, tudi če ena celica doseže najnižjo mejno napetost, se akumulator odklopi od bremena, dokler se paket ponovno ne napolni.
Čeprav je ta metoda neučinkovita, zmanjšuje zahteve glede stroškov in velikosti. Zato se uporablja v aplikacijah, kjer bi lahko baterije pogosto polnili.
2. Aktivno uravnoteženje celic
Pri pasivnem uravnoteženju celic se odvečni naboj ni izkoristil, zato se šteje za neučinkovitega. Medtem ko se pri aktivnem uravnoteženju presežek naboja iz ene celice prenese v drugo celico z nizkim nabojem, da se izenačijo. To dosežemo z uporabo elementov za shranjevanje naboja, kot so kondenzatorji in induktorji. Obstaja veliko načinov za izvajanje aktivnega uravnoteženja celic, ki omogočajo razpravo o najpogosteje uporabljenih.
Charge shuttle (leteči kondenzatorji)
Ta metoda uporablja kondenzatorje za prenos naboja iz visokonapetostne celice v nizkonapetostno celico. Kondenzator je povezan s stikali SPDT, stikalo pa kondenzator poveže z visokonapetostno celico in ko je kondenzator napolnjen, ga stikalo poveže z nizkonapetostno celico, kjer naboj iz kondenzatorja teče v celico. Ker se naboj pretaka med celicami, se ta metoda imenuje polnilna postaja. Spodnja slika bi vam pomagala bolje razumeti.
Ti kondenzatorji se imenujejo leteči kondenzatorji, saj letijo med nizkonapetostnimi in visokonapetostnimi celicami, ki nosijo polnilnike. Pomanjkljivost te metode je, da se naboj lahko prenese samo med sosednje celice. Prav tako traja več časa, ko je treba kondenzator napolniti in nato izprazniti za prenos nabojev. Prav tako je zelo manj učinkovit, saj bo med polnjenjem in praznjenjem kondenzatorja prišlo do izgube energije, upoštevati pa je treba tudi preklopne izgube. Spodnja slika prikazuje, kako bo leteči kondenzator povezan v baterijo
Induktivni pretvornik (metoda Buck Boost)
Druga metoda aktivnega uravnoteženja celic je uporaba induktorjev in preklopnih vezij. Pri tej metodi je stikalno vezje sestavljeno iz pretvornika za povečanje napetosti . Naboj iz visokonapetostne celice se črpa v induktor in nato s pomočjo pretvornika za povečanje napetosti izprazni v nizkonapetostno celico. Spodnja slika predstavlja induktivni pretvornik s samo dvema celicama in pretvornikom z enim dolarjem.
V zgornjem vezju je naboj mogoče prenesti iz celice 1 v celico 2 s preklopom MOSFET-ov sw1 in sw2 na naslednji način. Najprej je stikalo SW1 zaprto, s čimer bo naboj iz celice 1 stekel v induktor s trenutnim I-nabojem. Ko je induktor popolnoma napolnjen, se stikalo SW1 odpre in stikalo SW2 se zapre.
Zdaj bo induktor, ki je popolnoma napolnjen, obrnil svojo polarnost in se začel prazniti. Tokrat naboj iz induktorja teče v celico2 s trenutnim I-praznjenjem. Ko se induktor popolnoma izprazni, se stikalo sw2 odpre in stikalo sw1 zapre, da se postopek ponovi. Spodnje valovne oblike vam bodo pomagale dobiti jasno sliko.
V času t0 je stikalo sw1 zaprto (vklopljeno), kar vodi do povečanja toka I in polnjenja napetosti na induktorju (VL). Potem, ko je induktor popolnoma napolnjen v času t1, se stikalo sw1 odpre (izklopi), zaradi česar induktor izprazni naboj, ki se je nabral v prejšnjem koraku. Ko se induktor izprazni, spremeni svojo polarnost, zato je napetost VL prikazana negativno. Pri praznjenju se izpustni tok (I izpust) zmanjša od največje vrednosti. Ves ta tok vstopi v celico 2, da jo napolni. Dovoljen je majhen interval od časa t2 do t3, nato pa se ob t3 celoten cikel ponovno ponovi.
Ta metoda trpi tudi zaradi velike pomanjkljivosti, da se lahko naboj prenese le iz višje celice v spodnjo celico. Upoštevati je treba tudi izgubo pri preklopu in padec napetosti diode. Vendar je hitrejša in učinkovitejša od kondenzatorske metode.
Induktivni pretvornik (letenje nazaj)
Kot smo razpravljali, je metoda pretvornika pospeševalnika lahko samo prenašala naboje iz višje celice v spodnjo celico. Tej težavi se je mogoče izogniti z uporabo pretvornika Fly back in transformatorja. Pri pretvorniku tipa flyback je primarna stran navitja priključena na baterijo, sekundarna stran pa na vsako posamezno celico akumulatorja, kot je prikazano spodaj
Kot vemo, baterija deluje z enosmernim tokom in transformator ne bo imel učinka, dokler se napetost ne preklopi. Za začetek postopka polnjenja je stikalo na strani primarne tuljave Sp preklopljeno. Ta pretvori enosmerni tok v impulzni enosmerni tok in aktivira se primarna stran transformatorja.
Zdaj ima na sekundarni strani vsaka celica svoje stikalo in sekundarno tuljavo. S preklopom mosfet-a nizkonapetostne celice lahko določeno tuljavo delujemo kot sekundarno za transformator. Tako se naboj iz primarne tuljave prenese v sekundarno tuljavo. To povzroči, da se celotna napetost akumulatorja izprazni v šibko celico.
Največja prednost te metode je, da lahko katero koli šibko celico v paketu zlahka napolnimo iz napetosti v paketu in ne izpraznimo določeno celico. Ker pa vključuje transformator, zaseda velik prostor in je kompleksnost vezja velika.
3. Izravnava brez izgub
Izravnava izgub brez izgube je nedavno razvita metoda, ki zmanjšuje izgube z zmanjšanjem komponent strojne opreme in zagotavlja več nadzora programske opreme. Zaradi tega je sistem enostavnejši in lažji za načrtovanje. Ta metoda uporablja matrično stikalno vezje, ki omogoča dodajanje ali odstranjevanje celice iz paketa med polnjenjem in praznjenjem. Preprosto matrično stikalno vezje za osem celic je prikazano spodaj.
Med postopkom polnjenja bo visokonapetostna celica odstranjena iz embalaže s stikalnimi napravami. Na zgornji sliki se celica 5 s stikali odstrani iz paketa. Rdeče črte naj bodo odprta stikala, modre črte pa zaprta stikala. Tako se čas počitka šibkejših celic med postopkom polnjenja poveča, da se med polnjenjem uravnotežijo. Toda polnilno napetost je treba ustrezno prilagoditi. Isti tehniki lahko sledimo tudi med praznjenjem.
4. Redox Shuttle
Končna metoda ni za oblikovalce strojne opreme, temveč za kemijske inženirje. V svinčevih akumulatorjih nimamo težav z uravnoteženjem celic, ker ko je svinčenokislinska baterija preveč napolnjena, povzroči nastanek plina, ki preprečuje, da bi se preveč napolnil. Ideja Redox shuttle je poskusiti doseči enak učinek na litijeve celice s spreminjanjem kemije elektrolita litijeve celice. Ta spremenjeni elektrolit naj prepreči, da bi se celica preveč napolnila.
Algoritmi za uravnoteženje celic
Učinkovita tehnika uravnoteženja celic bi morala strojno opremo združiti z ustreznim algoritmom. Obstaja veliko algoritmov za uravnoteženje celic, odvisno od zasnove strojne opreme. Toda tipi se lahko zmanjšajo na dva različna odseka.
Merjenje napetosti odprtega kroga (OCV)
To je enostavna in najpogosteje uporabljena metoda. Tu se izmerijo napetosti odprtih celic za vsako celico in uravnoteževalni krog celic deluje tako, da izenači vrednosti napetosti vseh zaporedno povezanih celic. Preprosto je izmeriti OCV (napetost odprtega kroga), zato je zapletenost tega algoritma manjša.
Merilna poraba (SOC)
Pri tej metodi je SOC celic uravnotežen. Kot že vemo, je merjenje SOC celice zapletena naloga, saj moramo za izračun vrednosti SOC upoštevati napetost in trenutno vrednost celice v določenem časovnem obdobju. Ta algoritem je zapleten in se uporablja tam, kjer je potrebna visoka učinkovitost in varnost, na primer v vesoljski in vesoljski industriji.
S tem se zaključuje članek tukaj. Upam, da ste dobili kratko predstavo o tem, kaj je uravnoteženje celic, kako se izvaja na strojni in programski ravni. Če imate kakšne ideje ali tehnike, jih delite s komentarji ali poiščite tehnično pomoč na forumih.