- Защо се нуждаем от балансиране на клетките?
- Какво причинява небалансиране на клетките в батериите?
- Видове балансиране на клетките на батерията
- 1. Пасивно клетъчно балансиране
- 2. Активно клетъчно балансиране
- 3. Балансиране без загуби
- 4. Redox Shuttle
Номиналната литиева клетка е оценена само за около 4.2V, но в нейните приложения като EV, преносима електроника, лаптопи, батерии за захранване и т.н. ние изискваме много по-високо напрежение от номиналното напрежение. Това е причината, поради която дизайнерите комбинират повече от една клетка последователно, за да образуват батерия с по-високи стойности на напрежението. Както знаем от предишната ни статия за батерията за електрически превозни средства, когато батериите се комбинират последователно, стойността на напрежението се събира. Например, когато четири литиеви клетки от 4.2V са свързани последователно, ефективното изходно напрежение на получения акумулаторен пакет ще бъде 16.8V.
Но можете да си представите свързването на много клетки последователно е като да качите много коне на колесница. Само ако всички коне се движат с еднаква скорост, колесницата ще бъде управлявана с максимална ефективност. От четирите коня, ако единият кон тича бавно, тогава останалите три също трябва да намалят скоростта си, като по този начин намаляват ефективността и ако единият кон бяга по-бързо, в крайна сметка ще се нарани, като дърпа товара на другите три коня. По същия начин, когато четири клетки са свързани последователно, стойностите на напрежението на всичките четири клетки трябва да бъдат равни, за да се получи батерията с максимална ефективност. Методът за поддържане на всички клетъчни напрежения да бъдат равни се нарича балансиране на клетките. В тази статия ще научим повече за балансирането на клетките и накратко за това как да ги използваме на хардуерно и софтуерно ниво.
Защо се нуждаем от балансиране на клетките?
Балансирането на клетките е техника, при която нивата на напрежение на всяка отделна клетка, свързана последователно, за да образуват батерия, се поддържа, за да бъде равна, за да се постигне максимална ефективност на батерията. Когато различни клетки се комбинират заедно, за да образуват акумулаторна батерия, винаги се уверява, че те са с еднаква химия и напрежение. Но след като пакетът бъде инсталиран и подложен на зареждане и разреждане, стойностите на напрежението на отделните клетки обикновено варират поради някои причини, които ще обсъдим по-късно. Тази промяна в нивата на напрежение причинява дисбалансиране на клетките, което ще доведе до един от следните проблеми
Термално избягванеНай-лошото нещо, което може да се случи, е избягването на топлина. Както знаем, литиевите клетки са много чувствителни към презареждане и прекомерно разреждане. В пакет от четири клетки, ако едната клетка е 3.5V, докато другата е 3.2V, зарядът ще зареди всички клетки заедно, тъй като те са последователно и ще зареди 3.5V клетката до повече от препоръчаното напрежение, тъй като другите батерии все още изискват зареждане.
Разграждане на клеткитеКогато литиевата клетка е презаредена дори малко над препоръчителната й стойност, ефективността и жизненият цикъл на клетката намаляват. Например леко повишаване на зареждащото напрежение от 4.2V на 4.25V ще влоши батерията по-бързо с 30%. Така че, ако балансирането на клетките не е точно, дори лекото презареждане ще намали времето за живот на батерията.
Непълно зареждане на пакетТъй като батериите в пакет стареят, няколко клетки може да са по-слаби от съседните клетки. Тези седмични клетки ще бъдат огромен проблем, тъй като те ще се зареждат и разреждат по-бързо от нормалната здрава клетка. Докато зареждате батерия със серийни клетки, процесът на зареждане трябва да бъде спрян, дори ако една клетка достигне максималното напрежение. По този начин, ако две клетки в батерия получат седмица, те ще се зареждат по-бързо и по този начин останалите клетки няма да бъдат заредени максимално, както е показано по-долу.
По същия начин в същия случай, когато батерията се разрежда, по-слабите клетки ще се разреждат по-бързо от здравата клетка и ще достигнат минималното напрежение по-бързо от другите клетки. Както научихме в нашата статия за BMS, пакетът ще бъде изключен от товара, дори ако една клетка достигне минималното напрежение. Това води до неизползвания капацитет на опаковъчната енергия, както е показано по-долу.
Отчитайки всички гореспоменати възможни недостатъци, които можем да заключим, можем да заключим, че балансирането на клетките би било задължително, за да се използва акумулаторната батерия до максималната си ефективност. Все още има малко приложения, при които първоначалните разходи трябва да са много ниски и подмяната на батерията не е проблем, тъй като балансирането на клетките може да бъде избегнато. Но в повечето приложения, включително електрически превозни средства, балансирането на клетките е задължително, за да получите максимално количество сок от батерията.
Какво причинява небалансиране на клетките в батериите?
Сега знаем защо е важно поддържането на баланса на всички клетки в батерия. Но за да се справим правилно с проблема, трябва да знаем защо клетките се разбалансират от първа ръка. Както беше казано по-рано, когато се формира батерия чрез последователно поставяне на клетките, се гарантира, че всички клетки са в еднакви нива на напрежение. Така че една нова батерия винаги ще има балансирани клетки. Но тъй като опаковката е пусната в употреба, клетките се разбалансират поради следните причини.
SOC дисбаланс
Измерването на SOC на клетката е сложно; следователно е много сложно да се измерва SOC на отделните клетки в батерията. Идеална техника за балансиране на клетките трябва да съответства на клетките на една и съща SOC вместо на същото ниво на напрежение (OCV). Но тъй като практически не е възможно клетките да се съчетават само по напрежение, когато се прави пакет, промяната в SOC може да доведе до промяна в OCV с течение на времето.
Изменение на вътрешното съпротивление
Много е трудно да се намерят клетки с една и съща вътрешна съпротива (IR) и тъй като батерията остарява, IR на клетката също се променя и по този начин в батерия не всички клетки ще имат една и съща IR. Както знаем, IR допринася за вътрешния импеданс на клетката, който определя тока, протичащ през клетка. Тъй като IR варира, токът през клетката и неговото напрежение също варират.
Температура
Капацитетът на зареждане и разреждане на клетката също зависи от температурата около нея. В огромен пакет батерии, като в електромобили или слънчеви решетки, клетките се разпределят върху зони за отпадъци и може да има температурна разлика между самия пакет, което да доведе до зареждане или разреждане на една клетка по-бързо от останалите клетки, което причинява дисбаланс.
От горните причини става ясно, че не можем да предотвратим дисбаланс на клетката по време на операцията. И така, единственото решение е да се използва външна система, която принуждава клетките да се балансират отново, след като се разбалансират. Тази система се нарича Система за балансиране на батерията. Има много различни видове хардуерни и софтуерни техники, използвани за балансиране на клетките на батерията. Нека обсъдим видовете и широко използваните техники.
Видове балансиране на клетките на батерията
Техниките за балансиране на клетки могат да бъдат класифицирани най-общо в следните четири категории, които са изброени по-долу. Ще обсъдим всяка категория.
- Пасивно клетъчно балансиране
- Активно клетъчно балансиране
- Балансиране на клетки без загуби
- Redox совалка
1. Пасивно клетъчно балансиране
Методът за пасивно клетъчно балансиране е най-простият метод от всички. Може да се използва на места, където разходите и размерът са основни ограничения. Следват двата вида пасивно клетъчно балансиране.
Зареждане на шунтиране
При този метод се използва фиктивно натоварване като резистор за разреждане на излишното напрежение и изравняването му с други клетки. Тези резистори се наричат байпасни резистори или резистори за кървене. Всяка клетка, свързана последователно в пакет, ще има свой собствен байпасен резистор, свързан чрез превключвател, както е показано по-долу.
Примерната схема по-горе показва четири клетки, всяка от които е свързана към два байпас резистора чрез превключвател като MOSFET. Контролерите измерват напрежението на всичките четири клетки и включват MOSFET за клетката, чието напрежение е по-високо от останалите клетки. Когато MOSFET е включен, тази конкретна клетка започва да се разрежда през резисторите. Тъй като знаем стойността на резисторите, можем да предскажем колко заряд се разсейва от клетката. Кондензаторът, свързан паралелно с клетката, се използва за филтриране на скокове на напрежението по време на превключване.
Този метод не е много ефективен, тъй като електрическата енергия се разсейва като топлина в резисторите и веригата също отчита загубите при превключване. Друг недостатък е, че целият разряден ток протича през MOSFET, който е вграден предимно в IC на контролера и следователно разрядният ток трябва да бъде ограничен до ниски стойности, което увеличава времето за разреждане. Един от начините за преодоляване на недостатъка е използването на външен превключвател за увеличаване на разрядния ток, както е показано по-долу
Вътрешният P-канал MOSFET ще се задейства от контролера, който кара клетката да се разреди (I-bias) през резисторите R1 и R2. Стойността на R2 е избрана по такъв начин, че спадът на напрежението, възникващ върху него поради потока на разрядния ток (I-bias), е достатъчен, за да задейства втория N-канален MOSFET. Това напрежение се нарича напрежение на източника на порта (Vgs) и токът, необходим за отклонение на MOSFET, се нарича като ток на отклонение (I-bias).
След като N-каналният MOSFET се включи, токът сега преминава през балансиращия резистор R-Bal . Стойността на този резистор може да бъде ниска, позволявайки да премине повече ток и по този начин да разрежда батерията по-бързо. Този ток се нарича източен ток (I-drain). В тази верига общият разряден ток е сумата на тока на източване и тока на отклонение. Когато P-каналният MOSFET е изключен от контролера, токът на отклонение е нула и по този начин напрежението Vgs също получава нула. Това изключва N-каналния MOSFET, оставяйки батерията да стане идеална отново.
ИС за пасивно клетъчно балансиране
Въпреки че пасивната техника за балансиране не е ефективна, тя се използва по-често поради тази простота и ниска цена. Вместо да проектирате хардуера, можете също да използвате няколко лесно достъпни интегрални схеми като LTC6804 и BQ77PL900 от реномирани производители като Linear и Texas инструменти съответно. Тези интегрални схеми могат да бъдат каскадни за наблюдение на множество клетки и спестяват време и разходи за разработка.
Ограничаване на таксите
Методът за ограничаване на заряда е най-неефективният метод от всички. Тук се отчита само безопасността и живота на батерията, докато се отказвате от ефективността. При този метод отделните клетъчни напрежения се наблюдават непрекъснато.
По време на процеса на зареждане, дори ако една клетка достигне пълното напрежение на зареждане, зареждането спира, оставяйки останалите клетки наполовина. По същия начин по време на разреждането, дори ако една клетка достигне минималното прекъсващо напрежение, батерията се изключва от товара, докато се зарежда отново.
Въпреки че този метод е неефективен, той намалява изискванията за разходи и размери. Следователно се използва в приложение, където батериите често могат да се зареждат.
2. Активно клетъчно балансиране
При пасивното клетъчно балансиране излишният заряд не се използва, поради което се счита за неефективен. Докато при активното балансиране излишъкът от заряд от една клетка се прехвърля в друга клетка с нисък заряд, за да ги изравни. Това се постига чрез използване на елементи за съхранение на заряд като кондензатори и индуктори. Има много методи за извършване на Активно клетъчно балансиране, за да обсъдим често използваните.
Зареждане на совалки (летящи кондензатори)
Този метод използва кондензатори за прехвърляне на заряд от клетка с високо напрежение към клетка с ниско напрежение. Кондензаторът е свързан чрез SPDT превключватели първоначално превключвателят свързва кондензатора към клетката за високо напрежение и след като кондензаторът се зареди, превключвателят го свързва към клетката с ниско напрежение, където зарядът от кондензатора се влива в клетката. Тъй като зарядът се премества между клетките, този метод се нарича совалки за зареждане. Фигурата по-долу трябва да ви помогне да разберете по-добре.
Тези кондензатори се наричат летящи кондензатори, тъй като летят между клетките с ниско и високо напрежение, носещи зарядни устройства. Недостатъкът на този метод е, че зарядът може да се прехвърля само между съседни клетки. Също така отнема повече време, тъй като кондензаторът трябва да бъде зареден и след това разреден, за да прехвърли зарядите. Също така е много по-малко ефективен, тъй като ще има загуба на енергия по време на зареждането и разреждането на кондензатора и загубите от превключване също трябва да бъдат отчетени. Изображението по-долу показва как летящият кондензатор ще бъде свързан в батерия
Индуктивен преобразувател (метод Buck Boost)
Друг метод за активно балансиране на клетки е чрез използване на индуктори и превключващи вериги. При този метод комутационната верига се състои от преобразувател на усилващо напрежение . Зарядът от клетката за високо напрежение се изпомпва в индуктора и след това се изхвърля в клетката за ниско напрежение с помощта на преобразувател на усилвател. Фигурата по-долу представлява индуктивен преобразувател само с две клетки и преобразувател с единично усилване.
В горната схема зарядът може да бъде прехвърлен от клетка 1 към клетка 2 чрез превключване на MOSFETS sw1 и sw2 по следния начин. Първо превключвателят SW1 е затворен, това ще накара заряда от клетка 1 да потече в индуктора с токов I-заряд. След като индукторът е напълно зареден, превключвателят SW1 се отваря и превключвателят sw2 се затваря.
Сега, индукторът, който е напълно зареден, ще обърне полярността си и ще започне да се разрежда. Този път зарядът от индуктора се влива в клетката2 с токов I-разряд. След като индукторът е напълно разреден, превключвателят sw2 се отваря и превключвателят sw1 се затваря, за да повтори процеса. Формите на вълните по-долу ще ви помогнат да получите ясна картина.
По време на времето t0 превключвателят sw1 е затворен (включен), което води до увеличаване на тока, който I зарежда, и напрежението на индуктора (VL) да се увеличава. След това, след като индукторът е напълно зареден в момент t1, превключвателят sw1 се отваря (изключва), което кара индуктора да разрежда заряда, натрупан в предишната стъпка. Когато индукторът се разреди, той променя полярността си, поради което напрежението VL се показва отрицателно. При разреждане разрядният ток (I разряд) намалява от максималната си стойност. Целият този ток влиза в клетката 2, за да го зареди. Позволява се малък интервал от време t2 до t3 и след това при t3 целият цикъл се повтаря отново.
Този метод също страда от голям недостатък, че зарядът може да се прехвърля само от по-горна клетка към долна клетка. Също така трябва да се има предвид загубата при превключване и падането на диодно напрежение. Но това е по-бързо и ефективно от кондензаторния метод.
Индуктивен преобразувател (Fly back based)
Както обсъдихме, методът за преобразуване на усилващия долар може да прехвърля само заряди от по-високата клетка в долната клетка. Този проблем може да бъде избегнат, като се използва конвертор Fly back и трансформатор. В преобразувател с обратен тип първичната страна на намотката е свързана към батерията, а вторичната страна е свързана към всяка отделна клетка на батерията, както е показано по-долу
Както знаем, батерията работи с постоянен ток и трансформаторът няма да има ефект, докато напрежението не бъде превключено. Така че, за да започне процесът на зареждане, превключвателят на страната на първичната намотка Sp е превключен. Това преобразува DC в импулсен DC и се активира основната страна на трансформатора.
Сега на вторичната страна всяка клетка има свой собствен ключ и вторичната намотка. Чрез превключване на MOSFET на клетката с ниско напрежение можем да направим тази бобина да действа като вторична за трансформатора. По този начин зарядът от първичната намотка се прехвърля към вторичната намотка. Това кара общото напрежение на батерията да се разреди в слабата клетка.
Най-голямото предимство на този метод е, че всяка слаба клетка в пакета може лесно да бъде заредена от напрежението на пакета, а не конкретната клетка се разрежда. Но тъй като включва трансформатор, той заема голямо пространство и сложността на веригата е висока.
3. Балансиране без загуби
Балансирането без загуби е наскоро разработен метод, който намалява загубите, като намалява хардуерните компоненти и осигурява повече софтуерен контрол. Това също прави системата по-опростена и по-лесна за проектиране. Този метод използва схема за превключване на матрица, която осигурява възможност за добавяне или премахване на клетка от пакет по време на зареждане и разреждане. Една проста матрична комутационна схема за осем клетки е показана по-долу.
По време на процеса на зареждане клетката, която е с високо напрежение, ще бъде извадена от пакета, използвайки превключвателите. На горната фигура клетката 5 се отстранява от пакета с помощта на превключвателите. Помислете за кръговете с червена линия за отворени превключватели, а за кръга със синя линия за затворени превключватели. По този начин времето за почивка на по-слабите клетки се увеличава по време на процеса на зареждане, така че да ги балансира по време на зареждане. Но зарядното напрежение трябва да се регулира съответно. Същата техника може да се следва и по време на разреждането.
4. Redox Shuttle
Последният метод не е за хардуерните дизайнери, а за химическите инженери. При оловно-киселинната батерия нямаме проблем с балансирането на клетките, тъй като когато оловно-киселинната батерия е презаредена, тя причинява газообразуване, което предотвратява нейното презареждане. Идеята зад Redox shuttle е да се опита да постигне същия ефект върху литиевите клетки чрез промяна на химията на електролита на литиевата клетка. Този модифициран електролит трябва да предотврати презареждането на клетката.
Алгоритми за балансиране на клетки
Ефективната техника за балансиране на клетките трябва да комбинира хардуера с подходящ алгоритъм. Има много алгоритми за балансиране на клетките и това зависи от хардуерния дизайн. Но типовете могат да се сведат до два различни раздела.
Измерване на напрежението в отворена верига (OCV)
Това е лесният и най-често следван метод. Тук напреженията на отворените клетки се измерват за всяка клетка и веригата за балансиране на клетките работи за изравняване на стойностите на напрежението на всички клетки, свързани последователно. Лесно е да се измери OCV (напрежение на отворена верига) и следователно сложността на този алгоритъм е по-малка.
Измервателно ниво на зареждане (SOC)
При този метод SOC на клетките са балансирани. Както вече знаем, измерването на SOC на клетка е сложна задача, тъй като трябва да отчитаме стойността на напрежението и тока на клетката за определен период от време, за да изчислим стойността на SOC. Този алгоритъм е сложен и се използва на места, където се изисква висока ефективност и безопасност, като в космическата и космическата индустрия.
Това завършва статията тук. Надявам се сега да имате кратка представа за това какво е балансирането на клетките как се прилага на хардуерно и софтуерно ниво. Ако имате някакви идеи или техники, споделете ги в раздела за коментари или използвайте форумите, за да получите техническа помощ.