Techniky vyvažování buněk a jak je používat

Nominální lithiový článek je dimenzován pouze na přibližně 4,2 V, ale v jeho aplikacích, jako je EV, přenosná elektronika, notebooky, napájecí banky atd., Požadujeme mnohem vyšší napětí, než je jeho jmenovité napětí. To je důvod, proč návrháři kombinují více než jeden článek v sérii a vytvářejí baterii s vyššími hodnotami napětí. Jak víme z našeho předchozího článku o bateriích pro elektromobily, při kombinování baterií v sérii se hodnota napětí sčítá. Například když jsou do série zapojeny čtyři lithiové články o napětí 4,2 V, bude efektivní výstupní napětí výsledného akumulátoru 16,8 V.

Ale dokážete si představit, že připojení mnoha buněk v sérii je jako připevnění mnoha koní na vůz. Vůz bude poháněn s maximální účinností pouze v případě, že všichni koně běží stejnou rychlostí. Ze čtyř koní, pokud jeden kůň běží pomalu, pak další tři také musí snížit jejich rychlost, čímž se sníží účinnost, a pokud jeden kůň běží rychleji, nakonec by si ublížil zatažením zátěže ostatních tří koní. Podobně, když jsou čtyři články zapojeny do série, měly by být hodnoty napětí všech čtyř článků stejné, aby se odvodila sada baterií s maximální účinností. Metoda udržování stejného napětí článků se nazývá vyvažování článků. V tomto článku se dozvíme více o vyvažování buněk a také stručně o tom, jak je používat na úrovni hardwaru a softwaru.

Proč potřebujeme vyvažování buněk?

Vyvažování článků je technika, při které se úrovně napětí každého jednotlivého článku zapojeného do série za účelem vytvoření akumulátoru udržují na stejné úrovni, aby se dosáhlo maximální účinnosti akumulátoru. Když jsou různé články spojeny dohromady a vytvoří baterii, je vždy zajištěno, že mají stejnou chemii a hodnotu napětí. Jakmile je však sada nainstalována a vystavena nabíjení a vybíjení, hodnoty napětí jednotlivých článků mají tendenci se měnit kvůli některým důvodům, o kterých budeme diskutovat později. Tato změna úrovní napětí způsobuje nevyvážení buněk, což povede k jednomu z následujících problémů

Thermal Runaway

Nejhorší věcí, která se může stát, je tepelný útěk. Jak víme, lithiové články jsou velmi citlivé na přebíjení a vybíjení. V balení čtyř článků, pokud je jeden článek 3,5 V, zatímco druhý je 3,2 V, bude nabíjení nabíjet všechny články společně, protože jsou v sérii, a nabije článek 3,5 V na více než doporučené napětí, protože ostatní baterie jsou stále vyžadují nabíjení.

Degradace buněk

Když je lithiový článek přebitý dokonce mírně nad doporučenou hodnotu, sníží se účinnost a životní cyklus článku. Například mírné zvýšení nabíjecího napětí z 4,2 V na 4,25 V sníží baterii rychleji o 30%. Není-li tedy vyvážení článků přesné, zkracuje životnost baterie i mírné přebíjení.

Neúplné nabití balíčku

Jak baterie v balení stárnou, několik článků může být slabších než sousední články. Buňky v tomto týdnu budou velkým problémem, protože se budou nabíjet a vybíjet rychleji než normální zdravé buňky. Během nabíjení baterie se sériovými články by měl být proces nabíjení zastaven, i když jeden článek dosáhne maximálního napětí. Tímto způsobem, pokud se dva články v baterii dostanou týden, budou se nabíjet rychleji a zbývající články tak nebudou nabity na maximum, jak je uvedeno níže.

Neúplné využití energie Pack

Podobně ve stejném případě, kdy se baterie vybíjí, slabší články se vybijí rychleji než zdravé články a rychleji dosáhnou minimálního napětí než ostatní články. Jak jsme se dozvěděli v našem článku o BMS, balíček bude odpojen od zátěže, i když jeden článek dosáhne minimálního napětí. To vede k nevyužité kapacitě energie balení, jak je uvedeno níže.

Vezmeme-li v úvahu všechny výše uvedené možné nevýhody, můžeme dojít k závěru, že vyvažování článků by bylo povinné pro maximální využití baterie. Stále existuje několik aplikací, kde by počáteční náklady měly být velmi nízké a výměna baterie není problémem, v těchto aplikacích by bylo možné se vyhnout vyvažování buněk. Ale ve většině aplikací, včetně elektrických vozidel, je vyvažování článků povinné, aby se z akumulátoru dostalo maximum šťávy.

Co způsobuje nevyvážení článků v bateriových zdrojích?

Nyní víme, proč je důležité udržovat všechny články v baterii vyvážené. Abychom však problém správně řešili, měli bychom vědět, proč jsou buňky v první ruce nevyvážené. Jak již bylo řečeno dříve, když je baterie vytvořena umístěním článků do série, je zajištěno, že všechny články jsou ve stejných úrovních napětí. Čerstvá baterie tedy bude mít vždy vyvážené články. Jakmile je však balíček uveden do provozu, buňky jsou nevyvážené z následujících důvodů.

Nevyváženost SOC

Měření SOC buňky je komplikované; proto je velmi složité měřit SOC jednotlivých článků v baterii. Ideální technika vyvažování buněk by měla odpovídat buňkám stejného SOC namísto stejných úrovní napětí (OCV). Ale protože je prakticky nemožné, aby se články při vytváření sady shodovaly pouze s napětím, mohla by změna SOC v pravý čas vést ke změně OCV.

Variace vnitřního odporu

Je velmi těžké najít články se stejným vnitřním odporem (IR) a s přibývajícím věkem baterie se mění i IR článku, takže v baterii nebudou mít všechny články stejné IR. Jak víme, IR přispívá k vnitřní impedanci buňky, která určuje proud protékající buňkou. Protože IR se mění, mění se také proud v buňce a jeho napětí.

Teplota

Nabíjecí a vybíjecí kapacita článku také závisí na okolní teplotě. Ve velkém akumulátoru, jako je EV nebo solární pole, jsou články rozděleny na oblasti odpadu a mezi samotným akumulátorem může být teplotní rozdíl, který způsobí, že se jeden článek nabije nebo vybije rychleji než zbývající články, což způsobí nerovnováhu.

Z výše uvedených důvodů je jasné, že nemůžeme zabránit nerovnováze buněk během operace. Takže jediným řešením je použít externí systém, který nutí buňky, aby se znovu vyvážena poté, co si nevyvážené. Tento systém se nazývá systém vyvažování baterie. Pro vyvažování bateriových článků se používá mnoho různých typů hardwarových a softwarových technik. Pojďme diskutovat o typech a široce používaných technikách.

Typy vyvážení článků baterie

Techniky vyvažování buněk lze obecně rozdělit do následujících čtyř kategorií, které jsou uvedeny níže. Budeme diskutovat o každé kategorii.

Pasivní vyvažování buněk
Aktivní vyvažování buněk
Bezztrátové vyvažování buněk
Redox Shuttle

1. Pasivní vyvažování buněk

Metoda pasivního vyvažování buněk je nejjednodušší metodou ze všech. Lze jej použít na místech, kde náklady a velikost představují hlavní omezení. Následují dva typy pasivního vyvažování buněk.

Poplatkový posun

V této metodě se fiktivní zátěž jako odpor používá k vybití nadměrného napětí a jeho vyrovnání s jinými články. Tyto odpory se nazývají obtokové odpory nebo odpouštěcí odpory. Každá buňka zapojená do série v sadě bude mít svůj vlastní bypassový odpor připojený přes přepínač, jak je znázorněno níže.

Výše uvedený ukázkový obvod ukazuje čtyři buňky, z nichž každý je připojen ke dvěma bypassovým rezistorům přes přepínač, jako je MOSFET. Regulátory měří napětí všech čtyř článků a zapínají mosfet pro článek, jehož napětí je vyšší než u ostatních článků. Když je mosfet zapnutý, konkrétní buňka se začne vybíjet přes rezistory. Protože známe hodnotu rezistorů, můžeme předpovědět, kolik náboje je buňkou rozptýleno. Kondenzátor zapojený paralelně s článkem se používá k filtrování napěťových špiček během přepínání.

Tato metoda není příliš účinná, protože elektrická energie je rozptýlena jako teplo v rezistorech a obvod také zohledňuje spínací ztráty. Další nevýhodou je, že celý výbojový proud protéká mosfetem, který je většinou zabudován do řídicí jednotky IC, a proto musí být výbojový proud omezen na nízké hodnoty, což zvyšuje dobu vybíjení. Jedním ze způsobů, jak překonat nevýhodu, je použití externího spínače ke zvýšení vybíjecího proudu, jak je znázorněno níže

Interní MOSFET s kanálem P bude spuštěn regulátorem, který způsobí vybití článku (zkreslení I) přes odpory R1 a R2. Hodnota R2 je zvolena takovým způsobem, že pokles napětí, ke kterému na ní dochází v důsledku toku vybíjecího proudu (zkreslení I), stačí ke spuštění druhého M-kanálu M-kanálu N Toto napětí se nazývá napětí zdroje brány (Vgs) a proud potřebný pro zkreslení MOSFET se nazývá zkreslující proud (I-bias).

Jakmile je N-kanálový MOSFET zapnutý, proud nyní protéká vyrovnávacím odporem R-Bal . Hodnota tohoto rezistoru může být nízká, což umožňuje průchod více proudu, a tím rychlejší vybíjení baterie. Tento proud se nazývá odtokový proud (I-odtok). V tomto obvodu je celkový vybíjecí proud součtem vypouštěcího proudu a předpětí. Když je P-kanál MOSFET vypnut regulátorem, předpínací proud je nula a tedy napětí Vgs také dostane nulu. Tím se vypne N-kanálový MOSFET, který ponechá baterii, aby byla znovu ideální.

Pasivní integrované obvody pro vyvažování buněk

I když technika pasivního vyvažování není efektivní, je běžněji používána kvůli této jednoduchosti a nízké ceně. Místo návrhu hardwaru můžete také použít několik snadno dostupných integrovaných obvodů, jako jsou LTC6804 a BQ77PL900 od renomovaných výrobců, jako jsou přístroje Linear a Texas. Tyto integrované obvody lze kaskádově monitorovat více buněk a šetří čas a náklady na vývoj.

Omezení poplatků

Metoda omezení poplatků je nejefektivnější metodou ze všech. Zde se zohledňuje pouze bezpečnost a životnost baterie, přičemž se vzdává účinnosti. U této metody jsou napětí jednotlivých článků nepřetržitě monitorována.

Během procesu nabíjení, i když jeden článek dosáhne plného nabíjecího napětí, nabíjení se zastaví a ostatní články zůstanou v polovině cesty. Podobně během vybíjení, i když jeden článek dosáhne minimálního mezního napětí, je akumulátor odpojen od zátěže, dokud se akumulátor znovu nenabije.

Ačkoli je tato metoda neefektivní, snižuje náklady a požadavky na velikost. Proto se používá v aplikacích, kde by se baterie mohly často nabíjet.

2. Aktivní vyvažování buněk

Při pasivním vyvážení buněk nebyl použit přebytečný poplatek, a proto je považován za neefektivní. Zatímco při aktivním vyrovnávání přebytečného náboje se jedna buňka přenáší do jiné buňky s nízkým nábojem, aby se vyrovnala. Toho je dosaženo využitím prvků pro ukládání náboje, jako jsou kondenzátory a induktory. Existuje mnoho metod k provedení aktivního vyvažování buněk, které umožňují diskutovat o běžně používaných metodách.

Charge Shuttles (Flying Capacitors)

Tato metoda využívá kondenzátory k přenosu náboje z článku vysokého napětí do článku nízkého napětí. Kondenzátor je připojen přes přepínače SPDT, nejprve spínač připojuje kondenzátor k vysokonapěťovému článku a jakmile je kondenzátor nabitý, přepínač jej připojí k nízkonapěťovému článku, kde náboj z kondenzátoru proudí do článku. Vzhledem k tomu, že náboj se pohybuje mezi buňkami, tato metoda se nazývá nabíjecí raketoplány. Níže uvedený obrázek by vám měl pomoci lépe porozumět.

Tyto kondenzátory se nazývají létající kondenzátory, protože létají mezi nízkonapěťovými a vysokonapěťovými články nesoucími nabíječky. Nevýhodou této metody je, že náboj lze přenášet pouze mezi sousedními buňkami. Také to trvá déle, protože kondenzátor musí být nabit a poté vybit, aby se přenesly náboje. Je to také velmi méně účinné, protože během nabíjení a vybíjení kondenzátoru dojde ke ztrátě energie a musí se také započítat ztráty při spínání. Níže uvedený obrázek ukazuje, jak bude létající kondenzátor připojen k baterii

Indukční převodník (metoda Buck Boost)

Další metodou aktivního vyvažování buněk je použití induktorů a spínacích obvodů. V této metodě se spínací obvod skládá z převodníku buck boost . Náboj z vysokonapěťového článku je čerpán v induktoru a poté vybírán do nízkonapěťového článku pomocí převodníku buck boost. Níže uvedený obrázek představuje indukční převodník s pouhými dvěma buňkami a převodníkem pro zvýšení jednosměrného zisku.

Ve výše uvedeném obvodu lze náboj přenášet z buňky 1 do buňky 2 přepínáním MOSFETŮ sw1 a sw2 následujícím způsobem. Nejprve je spínač SW1 sepnut, což způsobí, že náboj z článku 1 bude proudit do induktoru s proudovým I-nábojem. Jakmile je induktor plně nabitý, spínač SW1 se otevře a spínač sw2 sepne.

Nyní induktor, který je plně nabitý, obrátí svou polaritu a začne se vybíjet. Tentokrát náboj z induktoru proudí do článku 2 s proudovým I-výbojem. Jakmile je induktor zcela vybitý, spínač sw2 se otevře a spínač sw1 se sepne, aby se proces opakoval. Níže uvedené průběhy vám pomohou získat jasný obraz.

Během doby t0 je spínač sw1 sepnutý (zapnutý), což vede ke zvýšení proudu I nabíjení a ke zvýšení napětí na induktoru (VL). Poté, co je induktor plně nabitý v době t1, je spínač sw1 otevřen (vypnut), což induktoru způsobí vybití náboje, který se nahromadil v předchozím kroku. Když se induktor vybije, změní svou polaritu, proto je napětí VL zobrazeno záporně. Při vybíjení se vybíjecí proud (výboj I) snižuje z maximální hodnoty. Celý tento proud vstupuje do buňky 2, aby se nabil. Je povolen malý interval od času t2 do t3 a poté v t3 se celý cyklus znovu opakuje.

Tato metoda také trpí hlavní nevýhodou, že náboj lze přenášet pouze z vyšší buňky do nižší buňky. Rovněž je třeba vzít v úvahu ztrátu spínání a pokles napětí diody. Je však rychlejší a efektivnější než metoda kondenzátoru.

Indukční převodník (založený na zpětném letu)

Jak jsme diskutovali, metoda převaděče buck boost mohla přenášet náboje pouze z vyšší buňky do nižší buňky. Tomuto problému lze zabránit použitím převaděče Fly back a transformátoru. V převaděči typu flyback je primární strana vinutí připojena k bateriovému bloku a sekundární strana je připojena ke každému jednotlivému článku bateriového bloku, jak je znázorněno níže

Jak víme, baterie pracuje na stejnosměrný proud a transformátor nebude mít žádný účinek, dokud nebude přepnuto napětí. Pro zahájení procesu nabíjení je tedy přepnut spínač na straně primární cívky Sp. Tím se převede stejnosměrný proud na pulzní stejnosměrný proud a primární strana transformátoru se aktivuje.

Nyní na sekundární straně má každá buňka svůj vlastní přepínač a sekundární cívku. Přepnutím mosfetu nízkonapěťového článku můžeme tuto konkrétní cívku přimět, aby fungovala jako sekundární pro transformátor. Tímto způsobem je náboj z primární cívky přenesen do sekundární cívky. To způsobí, že se celkové napětí baterie vybije do slabého článku.

Největší výhodou této metody je, že jakýkoli slabý článek v baterii lze snadno nabít z napětí baterie a ne konkrétní článek je vybití. Ale protože v zahrnuje transformátor, zabírá velký prostor a složitost obvodu je vysoká.

3. Bezztrátové vyvažování

Lossless balancing je nedávno vyvinutá metoda, která snižuje ztráty snížením hardwarových komponent a poskytnutím větší kontroly softwaru. Díky tomu je systém jednodušší a návrh je jednodušší. Tato metoda používá maticový spínací obvod, který poskytuje schopnost přidat nebo odebrat článek ze sady během nabíjení a vybíjení. Níže je uveden jednoduchý maticový spínací obvod pro osm článků.

Během procesu nabíjení bude článek, který je pod vysokým napětím, vyjmut z baterie pomocí přepínačů. Na výše uvedeném obrázku je buňka 5 odstraněna z balíčku pomocí přepínačů. Kruhy červené čáry považujeme za otevřené spínače a kruh modré čáry za uzavřené spínače. Během procesu nabíjení se tak prodlužuje doba odpočinku slabších článků, aby se během nabíjení vyrovnaly. Nabíjecí napětí však musí být odpovídajícím způsobem upraveno. Stejnou techniku lze použít i při vybíjení.

4. Redox Shuttle

Konečná metoda není pro návrháře hardwaru, ale pro chemické inženýry. U olověných akumulátorů nemáme problém s vyvážením článků, protože při přebití olověných akumulátorů dochází k plynování, které znemožňuje jejich přebíjení. Myšlenkou Redox raketoplánu je pokusit se dosáhnout stejného účinku na lithiové články změnou chemie elektrolytu lithiového článku. Tento upravený elektrolyt by měl zabránit přebití článku.

Algoritmy pro vyvažování buněk

Efektivní technika vyvažování buněk by měla kombinovat hardware se správným algoritmem. Existuje mnoho algoritmů pro vyvažování buněk a záleží to na designu hardwaru. Ale typy lze scvrknout na dvě různé sekce.

Měření napětí naprázdno (OCV)

Toto je snadná a nejčastěji používaná metoda. Zde se měří napětí otevřených článků pro každý článek a obvod pro vyvažování článků pracuje na vyrovnání hodnot napětí všech článků zapojených do série. Je snadné měřit OCV (napětí naprázdno), a proto je složitost tohoto algoritmu menší.

Měření rychlosti nabíjení (SOC)

V této metodě jsou SOC buněk vyváženy. Jak již víme, měření SOC buňky je složitý úkol, protože pro výpočet hodnoty SOC musíme počítat s hodnotou napětí a proudu buňky po určitou dobu. Tento algoritmus je složitý a používá se v místech, kde je vyžadována vysoká účinnost a bezpečnost, jako v leteckém a kosmickém průmyslu.

Tím je článek uzavřen zde. Doufám, že nyní máte krátkou představu o tom, jaké je vyvažování buněk, jak je implementováno na hardwarové a softwarové úrovni. Pokud máte nějaké nápady nebo techniky, sdílejte je v sekci komentářů nebo použijte technickou podporu na fórech.