Cell balansering teknikker og hvordan du bruker dem

En nominell litiumcelle er kun beregnet på rundt 4,2 V, men i applikasjoner som EV, bærbar elektronikk, bærbare datamaskiner, strømbanker osv. Trenger vi mye høyere spenning enn nominell spenning. Dette er grunnen til at designere kombinerer mer enn en celle i serie for å danne en batteripakke med høyere spenningsverdier. Som vi vet fra vår forrige artikkel om elektrisk kjøretøy, blir spenningsverdien lagt opp når batterier kombineres i serie. For eksempel når fire litiumceller på 4,2 V er koblet i serie, vil den effektive utgangsspenningen til den resulterende batteripakken være 16,8 V.

Men du kan forestille deg å koble mange celler i serie er som å montere mange hester til en vogn. Bare hvis alle hestene løper i samme hastighet, blir vognen kjørt med maksimal effektivitet. Av de fire hestene hvis en hest løper sakte, må de andre tre også redusere hastigheten og dermed redusere effektiviteten, og hvis en hest løper raskere, vil den til slutt skade seg selv ved å trekke belastningen til de andre tre hestene. Tilsvarende, når fire celler er koblet i serie, bør spenningsverdiene til alle de fire cellene være like for å utlede batteripakken med maksimal effektivitet. Metoden for å opprettholde alle cellespenningene er like, kalles cellebalansering. I denne artikkelen vil vi lære mer om cellebalansering og også kort om hvordan du bruker dem på maskinvare- og programvarenivå.

Hvorfor trenger vi Cell Balancing?

Cellebalansering er en teknikk der spenningsnivåene til hver enkelt celle som er koblet i serie for å danne en batteripakke, opprettholdes for å være lik for å oppnå maksimal effektivitet for batteripakken. Når forskjellige celler kombineres for å danne en batteripakke, sørges det alltid for at de har samme kjemi og spenningsverdi. Men når pakken er installert og utsatt for lading og utlading, har spenningsverdiene til de enkelte cellene en tendens til å variere på grunn av noen grunner som vi vil diskutere senere. Denne variasjonen i spenningsnivåer forårsaker ubalanse i celler, noe som vil føre til et av følgende problemer

Thermal Runaway

Det verste som kan skje er termisk rømling. Som vi vet er litiumceller veldig følsomme for overladning og for utladning. I en pakke med fire celler hvis en celle er 3,5V mens den andre er 3,2V, vil ladingen lade alle cellene sammen siden de er i serie, og den vil lade 3,5V-cellen til mer enn anbefalt spenning siden de andre batteriene fortsatt er krever lading.

Celledegradasjon

Når en litiumcelle er overladet til og med litt over den anbefalte verdien, reduseres effektiviteten og livssyklusen til cellen. For eksempel vil en liten økning i ladningsspenningen fra 4,2V til 4,25V nedbryte batteriet raskere med 30%. Så hvis cellebalansering ikke er nøyaktig, vil selv liten overlading redusere batteriets levetid.

Ufullstendig lading av Pack

Ettersom batteriene i en pakke blir eldre, kan få celler være svakere enn de nærliggende cellene. Disse ukescellene vil være et enormt problem, siden de vil lade og avlaste raskere enn en normal sunn celle. Når du lader en batteripakke med serieceller, bør ladeprosessen stoppes selv om en celle når maksimal spenning. På denne måten lades de raskere, hvis de to cellene i en batteripakke blir uke, og dermed blir de gjenværende cellene ikke ladet maksimalt som vist nedenfor.

Ufullstendig bruk av energi fra pakken

På samme måte i samme tilfelle når batteripakken blir utladet, vil de svakere cellene tømme raskere enn den sunne cellen, og de vil nå minimumsspenningen raskere enn andre celler. Som vi lærte i vår BMS-artikkel, blir pakken koblet fra belastning selv om en celle når minimumsspenningen. Dette fører til den ubrukte kapasiteten til pakkenergien som vist nedenfor.

Når vi tar hensyn til alle mulige ulemper ovenfor, kan vi konkludere med at en cellebalansering vil være obligatorisk for å bruke batteripakken til maksimal effektivitet. Det er fremdeles få applikasjoner der startkostnadene skal være veldig lave, og batteribytte ikke er et problem i disse applikasjonene. Cellbalansering kan unngås. Men i de fleste applikasjoner, inkludert elektriske kjøretøyer, er cellebalansering obligatorisk for å få maksimal juice fra batteripakken.

Hva forårsaker cellenes ubalanse i batteripakker?

Nå vet vi hvorfor det er viktig å holde alle cellene balansert i en batteripakke. Men for å løse problemet ordentlig, bør vi vite hvorfor cellene blir ubalanserte fra første hånd. Som fortalt tidligere når en batteripakke dannes ved å plassere cellene i serie, sørger det for at alle cellene har samme spenningsnivå. Så en ny batteripakke vil alltid ha balanserte celler. Men når pakken tas i bruk, blir cellene ubalanserte på grunn av følgende årsaker.

SOC ubalanse

Å måle SOC av en celle er komplisert; Derfor er det veldig komplisert å måle SOC av individuelle celler i et batteri. En ideell cellebalanseringsteknikk skal matche cellene med samme SOC i stedet for de samme spenningsnivåene (OCV). Men siden det praktisk talt ikke er mulig at celler bare matches på spenningsbetingelser når de lager en pakke, kan variasjonen i SOC føre til endring i OCV etter hvert.

Intern motstandsvariasjon

Det er veldig vanskelig å finne celler med samme interne motstand (IR), og når batteriet blir eldre, blir også IR-en på cellen endret, og dermed vil ikke alle celler ha samme IR i en batteripakke. Som vi vet bidrar IR til den interne impedansen til cellen som bestemmer strømmen som strømmer gjennom en celle. Siden IR er variert, blir strømmen gjennom cellen og dens spenning også variert.

Temperatur

Lade- og utladningskapasiteten til cellen avhenger også av temperaturen rundt den. I en enorm batteripakke som i elbiler eller solcellepaneler fordeles cellene over avfallsområder, og det kan være temperaturforskjell blant selve pakken som forårsaker at en celle lades eller tømmes raskere enn de gjenværende cellene som forårsaker ubalanse.

Av ovennevnte årsaker er det klart at vi ikke kan forhindre at celle blir ubalansert under operasjonen. Så den eneste løsningen er å bruke et eksternt system som tvinger cellene til å balansere igjen etter at de blir ubalanserte. Dette systemet kalles Battery Balancing System. Det er mange forskjellige typer maskinvare- og programvareteknikker som brukes til balansering av battericeller. La oss diskutere typer og mye brukte teknikker.

Typer balansering av battericeller

Cellebalanseringsteknikker kan i stor grad klassifiseres i følgende fire kategorier som er oppført nedenfor. Vi vil diskutere om hver kategori.

Passiv cellebalansering
Aktiv cellebalansering
Lossless Cell Balancing
Redox Shuttle

1. Passiv cellebalansering

Passiv cellebalanseringsmetode er den enkleste metoden for alle. Den kan brukes på steder der kostnad og størrelse er store begrensninger. Følgende er de to typene passiv cellebalansering.

Charge Shunting

I denne metoden brukes en dummybelastning som en motstand for å avlaste overflødig spenning og utjevne den med andre celler. Disse motstandene kalles som bypass-motstand eller blødningsmotstand. Hver celle koblet i serie i en pakke vil ha sin egen bypass-motstand koblet til via en bryter som vist nedenfor.

Eksempelkretsen ovenfor viser fire celler som hver er koblet til to bypass-motstander gjennom en bryter som MOSFET. Kontrollerne måler spenningen til alle de fire cellene og slår på mosfetten for cellen hvis spenning er høyere enn de andre cellene. Når mosfet er slått på, begynner den aktuelle cellen å strømme ut gjennom motstandene. Siden vi vet verdien av motstander, kan vi forutsi hvor mye ladning som blir spredt av cellen. Kondensatoren som er koblet parallelt med cellen, brukes til å filtrere spenningspigger under bytte.

Denne metoden er ikke veldig effektiv fordi elektrisk energi blir spredt som varme i motstandene, og kretsen utgjør også svitsjetap. En annen ulempe er at hele utladningsstrømmen strømmer gjennom mosfet som hovedsakelig er bygd inn i kontrolleren IC, og derfor må utladningsstrømmen være begrenset til lave verdier som øker utladningstiden. En måte å overvinne ulempen på er å bruke en ekstern bryter for å øke utladningsstrømmen som vist nedenfor

Den interne P-kanal MOSFET vil bli utløst av kontrolleren som får cellen til å strømme ut (I-bias) gjennom motstandene R1 og R2. Verdien av R2 er valgt på en slik måte at spenningsfallet som skjer over den på grunn av strømmen av utladningsstrøm (I-bias) er nok til å utløse den andre N-kanal MOSFET. Denne spenningen kalles portkildespenningen (Vgs) og strømmen som kreves for å forspenne MOSFET kalles forspenningsstrøm (I-forspenning).

Når N-kanal MOSFET er slått på strømmer nå strømmen gjennom balansemotstanden R-Bal . Verdien på denne motstanden kan være lav, slik at mer strøm kan passere gjennom den og dermed lade ut batteriet raskere. Denne strømmen kalles avløpsstrøm (I-avløp). I denne kretsen er den totale utladningsstrømmen summen av avløpsstrøm og forspenningsstrøm. Når P-kanal MOSFET er slått av av kontrolleren, er forspenningsstrømmen null og dermed blir også spenningen Vgs null. Dette slår av N-kanal MOSFET og etterlater batteriet for å bli ideelt igjen.

Passiv cellebalansering IC

Selv om den passive balanseringsteknikken ikke er effektiv, brukes den oftere på grunn av denne enkelheten og lave kostnader. I stedet for å designe maskinvaren kan du også bruke få lett tilgjengelige IC-er som LTC6804 og BQ77PL900 fra anerkjente produsenter som henholdsvis Linear og Texas-instrumenter. Disse IC-ene kan kaskades for å overvåke flere celler og sparer utviklingstid og kostnader.

Belastningsbegrensning

Ladningsbegrensningsmetoden er den mest ineffektive metoden av alle. Her vurderes bare batteriets sikkerhet og levetid mens man gir opp effektiviteten. I denne metoden overvåkes de enkelte cellespenningene kontinuerlig.

Selv om en celle når full ladningsspenning under ladeprosessen, stoppes ladingen og etterlater de andre cellene halvveis. Tilsvarende under utladning, selv om en celle når minimum kuttespenning, blir batteripakken koblet fra lasten til den er ladet igjen.

Selv om denne metoden er ineffektiv, reduserer den kostnadene og størrelseskravene. Derfor brukes den i en applikasjon der batterier ofte kan lades.

2. Aktiv cellebalansering

I passiv cellebalansering ble ikke overflødig kostnad brukt, derfor anses den å være ineffektiv. Mens i aktiv balansering overskuddsformen overføres en celle til en annen celle med lav ladning for å utjevne dem. Dette oppnås ved å bruke ladelagringselementer som kondensatorer og induktorer. Det er mange metoder for å utføre aktiv cellebalansering, kan vi diskutere de ofte brukte.

Ladestasjoner (flygende kondensatorer)

Denne metoden bruker kondensatorer til å overføre ladning fra høyspenningscelle til lavspenningscelle. Kondensatoren er koblet gjennom SPDT-brytere, kobler bryteren først kondensatoren til høyspenningscellen, og når kondensatoren er ladet, kobler bryteren den til lavspenningscellen der ladningen fra kondensatoren strømmer inn i cellen. Siden ladningen skifter mellom cellene, kalles denne metoden som ladeskyter. Figuren nedenfor skal hjelpe deg med å forstå bedre.

Disse kondensatorene kalles flygende kondensatorer siden flyet mellom lavspennings- og høyspenningsceller som bærer ladere. Ulempen med denne metoden er at ladning bare kan overføres mellom tilstøtende celler. Det tar også mer tid siden kondensatoren må lades og deretter lades ut for å overføre ladningene. Det er også veldig mindre effektivt siden det vil være tap av energi under lading og utlading av kondensatoren, og koblingstapene må også regnskapsføres. Bildet nedenfor viser hvordan den flygende kondensatoren skal kobles til i en batteripakke

Induktiv omformer (Buck Boost-metode)

En annen metode for aktiv cellebalansering er ved å bruke induktorer og bytte kretser. I denne metoden består bryterkretsen av en buck boost-omformer . Ladningen fra høyspenningscellen pumpes i induktoren og deretter ledes ut i lavspenningscellen ved hjelp av buck boost-omformeren. Figuren nedenfor representerer en induktiv omformer med bare to celler og boost-omformer med én bukk.

I den ovennevnte krets kan ladningen overføres fra celle 1 til celle 2 ved å bytte MOSFETS sw1 og sw2 på følgende måte. Først er bryteren SW1 lukket, dette vil gjøre at ladningen fra celle 1 strømmer inn i induktoren med gjeldende I-ladning. Når induktoren er fulladet, åpnes bryteren SW1 og bryteren sw2 lukkes.

Nå vil induktoren som er fulladet snu polariteten og begynne å tømme. Denne gangen spenner ladningen fra induktoren inn i cellen2 med nåværende I-utladning. Når induktoren er fullstendig utladet, åpnes bryteren sw2 og bryteren sw1 lukkes for å gjenta prosessen. Bølgeformene nedenfor hjelper deg med å få et klart bilde.

I løpet av tiden t0 er bryteren sw1 lukket (slått på), noe som fører til at strømmen jeg lader for å øke og spenningen over induktoren (VL) øker. Så snart induktoren er fulladet på tidspunktet t1, blir bryteren sw1 åpnet (slått av) som får induktoren til å tømme ladningen den akkumulerte i forrige trinn. Når en induktor tømmes, endrer den polariteten, og spenningen VL vises derfor negativt. Ved utladning reduseres (I-utladning) fra maksimumsverdien. All denne strømmen kommer inn i celle 2 for å lade den opp. Et lite intervall er tillatt fra tid t2 til t3, og deretter gjentas hele syklusen igjen ved t3.

Denne metoden lider også av en stor ulempe at ladning bare kan overføres fra høyere celle til lavere celle. Også tapet i bytte og diodespenningsfall bør vurderes. Men det er raskere og effektivt enn kondensatormetoden.

Induktiv omformer (Fly back based)

Som vi diskuterte, kunne buck boost converter-metoden bare overføre ladninger fra den høyere cellen til den nedre cellen. Dette problemet kan unngås ved å bruke en Fly back-omformer og en transformator. I en omformer av flyback-typen er den primære siden av viklingen koblet til batteripakken og sekundærsiden er koblet til hver enkelt celle i batteripakken som vist nedenfor

Som vi vet fungerer batteriet med DC, og transformatoren vil ikke ha noen effekt før spenningen blir slått. Så for å starte ladeprosessen byttes bryteren på primærspolesiden Sp. Dette konverterer DC til pulserende DC, og transformatorens primærside aktiveres.

Nå på sekundærsiden har hver celle sin egen bryter og sekundærspolen. Ved å bytte mosfet til lavspenningscellen kan vi få den spesielle spolen til å fungere som et sekundær for transformatoren. På denne måten overføres ladningen fra primærspolen til sekundærspolen. Dette fører til at den totale spenningen i batteripakken strømmer ut i den svake cellen.

Den største fordelen med denne metoden er at en hvilken som helst svak celle i pakken lett kan lades fra pakkespenningen og ikke spesiell celle utlades. Men siden det involverer en transformator, opptar den et stort rom og kretsens kompleksitet er høy.

3. Tapfri balansering

Lossless balancing er en nylig utviklet metode som reduserer tap ved å redusere maskinvarekomponentene og gi mer programvarekontroll. Dette gjør systemet også enklere og enklere å designe. Denne metoden bruker en matrisebryterkrets som gir muligheten til å legge til eller fjerne en celle fra en pakke under lading og utlading. En enkel matrisebryter for åtte celler er vist nedenfor.

Under ladeprosessen vil cellen med høy spenning bli fjernet fra pakken ved hjelp av bryterarrangementene. I figuren ovenfor fjernes celle 5 fra pakken ved hjelp av bryterne. Betrakt de røde linjesirklene som åpne brytere og den blå linjesirkelen som lukkede brytere. Dermed økes hviletiden til de svakere cellene under ladeprosessen for å balansere dem under lading. Men ladespenningen må justeres tilsvarende. Den samme teknikken kan følges under tømming også.

4. Redox Shuttle

Den endelige metoden er ikke for maskinvaredesignere, men for kjemiske ingeniører. I blybatteri har vi ikke problemet med cellebalansering, fordi når et blybatteri er overladet, forårsaker det gassing som forhindrer at det blir overoppladet. Ideen bak Redox shuttle er å prøve å oppnå den samme effekten på litiumceller ved å endre kjemien til elektrolytten i litiumcellen. Denne modifiserte elektrolytten skal forhindre at cellen blir overladet.

Cell Balancing algoritmer

En effektiv cellebalanseringsteknikk bør kombinere maskinvaren til en riktig algoritme. Det er mange algoritmer for cellebalansering, og det avhenger av maskinvaredesignet. Men typene kan kokes ned til to forskjellige seksjoner.

Måling av åpen kretsspenning (OCV)

Dette er den enkle og mest fulgte metoden. Her måles de åpne cellespenningene for hver celle, og cellebalanseringskrets fungerer for å utjevne spenningsverdiene til alle cellene som er koblet i serie. Det er enkelt å måle OCV (Open circuit voltage) og derfor er kompleksiteten til denne algoritmen mindre.

Måle ladetilstand (SOC)

I denne metoden balanseres SOC av cellene. Som vi allerede vet, er måling av SOC for en celle en kompleks oppgave siden vi må ta hensyn til spenningen og strømverdien til cellen over en periode for å beregne verdien av SOC. Denne algoritmen er kompleks og brukes på steder der det kreves høy effektivitet og sikkerhet, som i luftfart og romindustri.

Dette avslutter artikkelen her. Håper du nå fikk en kort ide om hva cellebalansering er hvordan den implementeres på maskinvare- og programvarenivå. Hvis du har noen ideer eller teknikker, kan du dele dem i kommentarseksjonen eller bruke forumene for å få teknisk hjelp.