Технике балансирања ћелија и како их користити

Номинална литијумска ћелија је процењена на око 4,2 В, али у њеним апликацијама попут ЕВ-а, преносиве електронике, преносних рачунара, напајања итд. Потребан нам је много већи напон од номиналног напона. То је разлог зашто дизајнери комбинују више од једне ћелије у серији да би формирали батерију виших напонских вредности. Као што знамо из претходног чланка о батеријама за електрична возила, када се батерије комбинују у серији, вредност напона се сабира. На пример, када су четири литијумске ћелије од 4,2В повезане у серију, ефективни излазни напон резултујућег батеријског пакета биће 16,8В.

Али можете да замислите да повезивање многих ћелија у серији је попут уздизања многих коња на кола. Само ако сви коњи трче истом брзином, кочија ће се возити максимално ефикасно. Од четири коња ако један коњ трчи полако, онда и остала три морају смањити брзину, смањујући на тај начин ефикасност, а ако један коњ трчи брже, на крају би се повредио повлачењем терета осталих три коња. Слично томе, када су четири ћелије повезане у серију, вредности напона све четири ћелије треба да буду једнаке како би се батерија добила са максималном ефикасношћу. Метод одржавања свих напонима ћелија једнаких назива се уравнотежење ћелија. У овом чланку ћемо сазнати више о балансирању ћелија и такође укратко о томе како их користити на хардверском и софтверском нивоу.

Зашто нам је потребно балансирање ћелија?

Балансирање ћелија је техника у којој се нивои напона сваке појединачне ћелије повезане у серију да би се створила батерија одржавају једнаким како би се постигла максимална ефикасност батерије. Када се различите ћелије комбинују у једну батерију, увек се осигурава да имају исту хемијску и напонску вредност. Али када се пакет инсталира и подвргне пуњењу и пражњењу, вредности напона појединих ћелија имају тенденцију да варирају из неких разлога о којима ћемо касније разговарати. Ова варијација нивоа напона доводи до неуравнотежености ћелија што ће довести до једног од следећих проблема

Тхермал Рунаваи

Најгоре што се може догодити је термално бекство. Као што знамо, литијумове ћелије су веома осетљиве на прекомерно пуњење и прекомерно пражњење. У пакету од четири ћелије, ако је једна ћелија 3,5 В, док је друга 3,2 В, пуњење ће напунити све ћелије заједно, јер су у серији, а 3,5 В ћелију ће напунити на више од препорученог напона, јер су остале батерије и даље захтевају пуњење.

Деградација ћелија

Када се литијумска ћелија напуни чак и мало изнад њене препоручене вредности, ефикасност и животни циклус ћелије се смањују. На пример, благи пораст напона за пуњење са 4,2 В на 4,25 В брже ће разградити батерију за 30%. Дакле, ако балансирање ћелија није тачно, чак и мало прекомерно пуњење ће смањити време трајања батерије.

Непотпуно пуњење пакета

Како се батерије у пакету старе, неколико ћелија може бити слабије од суседних ћелија. Ове недеље ћелије ће представљати велики проблем, јер ће се пунити и празнити брже од нормалне здраве ћелије. Током пуњења батерија серијским ћелијама, процес пуњења треба зауставити чак и ако једна ћелија достигне максимални напон. На овај начин, ако две ћелије у батерији добију недељу, пуниће се брже и самим тим преостале ћелије неће бити максимално напуњене, као што је приказано у наставку.

Непотпуна употреба енергије паковања

Слично томе, у истом случају када се батерија празни, слабије ћелије ће се испразнити брже од здраве ћелије и достићи ће минимални напон брже од осталих ћелија. Као што смо сазнали у нашем чланку о БМС-у, пакет ће бити искључен из оптерећења чак и ако једна ћелија достигне минимални напон. То доводи до неискоришћеног капацитета енергије у пакету, као што је приказано доле.

Узимајући у обзир све горе наведене могуће недостатке, можемо закључити да би балансирање ћелија било обавезно да би се батерија искористила до своје максималне ефикасности. Ипак, мало је апликација код којих би почетни трошак требао бити врло низак, а замена батерије није проблем јер би се могло избећи балансирање ћелија. Али у већини примена, укључујући електрична возила, балансирање ћелија је обавезно да би се добио максимум сока из батерије.

Шта узрокује неуравнотеженост ћелија у батеријама?

Сада знамо зашто је важно одржавати све ћелије уравнотеженима у батеријском пакету. Да бисмо правилно решили проблем, требали бисмо знати зашто ћелије постају неуравнотежене у првој руци. Као што је раније речено, када се батерија формира постављањем ћелија у серију, осигурава се да су све ћелије у једнаким нивоима напона. Тако ће свежа батерија увек имати уравнотежене ћелије. Али како се пакет ставља у употребу, ћелије постају неуравнотежене из следећих разлога.

СОЦ неравнотежа

Мерење СОЦ ћелије је компликовано; стога је врло сложено мерити СОЦ појединих ћелија у батерији. Идеална техника балансирања ћелија треба да се подудара са ћелијама истог СОЦ-а уместо истог нивоа напона (ОЦВ). Али пошто практично није могуће да се ћелије поклапају само на основу напона приликом прављења паковања, варијација СОЦ-а може с временом довести до промене ОЦВ-а.

Варијација унутрашњег отпора

Веома је тешко пронаћи ћелије истог Унутрашњег отпора (ИР), а како се батерија старе, ИР ћелије се такође мењају, тако да у батеријском пакету неће све ћелије имати исти ИР. Као што знамо, ИР доприноси унутрашњој импеданси ћелије која одређује струју која тече кроз ћелију. Пошто је ИР променљив, струја кроз ћелију и његов напон такође варирају.

Температура

Капацитет пуњења и пражњења ћелије такође зависи од температуре око ње. У огромном пакету батерија попут ЕВ-а или соларних низова, ћелије се распоређују по отпадним површинама и може доћи до температурне разлике међу самим пакетом због чега се једна ћелија пуни или празни брже од преосталих ћелија што доводи до неравнотеже.

Из горе наведених разлога јасно је да не можемо спречити да се ћелија не уравнотежи током операције. Дакле, једино решење је употреба спољног система који присиљава ћелије да се поново уравнотеже након што постану неуравнотежене. Овај систем назива се систем за уравнотежење батерија. Постоји много различитих врста хардверских и софтверских техника које се користе за уравнотежење батерија. Нека се разговара о врстама и широко коришћеним техникама.

Врсте балансирања ћелија батерија

Технике балансирања ћелија могу се широко класификовати у следеће четири категорије које су наведене у наставку. Разговараћемо о свакој категорији.

Пасивно балансирање ћелија
Активно балансирање ћелија
Балансирање ћелија без губитака
Редок Схуттле

1. Пасивно балансирање ћелија

Метода пасивног уравнотежења ћелија је најједноставнија метода од свих. Може се користити на местима где су трошкови и величина главна ограничења. Следе две врсте пасивног балансирања ћелија.

Цхарге Схунтинг

У овој методи се лажно оптерећење попут отпорника користи за пражњење вишка напона и изједначавање са осталим ћелијама. Ови отпорници називају се премосници или отпори на крварење. Свака ћелија повезана у серију у пакету имаће свој властити бипасс отпорник повезан преко прекидача као што је приказано доле.

Горњи круг узорка приказује четири ћелије од којих је свака повезана на два премосница помоћу прекидача попут МОСФЕТ-а. Контролори мере напон све четири ћелије и укључују МОСФЕТ за ћелију чији је напон већи од осталих ћелија. Када је мосфет укључен, та одређена ћелија почиње да се празни кроз отпорнике. Пошто знамо вредност отпорника, можемо предвидети колики набој ћелија расипа. Кондензатор повезан паралелно са ћелијом користи се за филтрирање скокова напона током пребацивања.

Ова метода није врло ефикасна јер се електрична енергија у отпорницима расипа као топлота, а коло такође узима у обзир губитке при пребацивању. Још један недостатак је тај што целокупна струја пражњења тече кроз МОСФЕТ који је углавном уграђен у ИЦ регулатора, па стога струја пражњења мора бити ограничена на мале вредности што повећава време пражњења. Један од начина да се превазиђе недостатак је употреба спољног прекидача за повећање струје пражњења, као што је приказано доле

Интерни П-канални МОСФЕТ покреће контролер који доводи до пражњења ћелије (И-биас) кроз отпорнике Р1 и Р2. Вредност Р2 је изабрана на такав начин да је пад напона који се јавља на њој услед протока струје пражњења (И-биас) довољан да покрене други Н-канални МОСФЕТ. Овај напон се назива напон извора на капији (Вгс), а струја потребна за пристраност МОСФЕТ-а назива се струјом одступања (И-биас).

Једном када се Н-канални МОСФЕТ укључи струја сада тече кроз балансирајући отпорник Р-Бал . Вредност овог отпорника може бити мала, омогућавајући да више струје пролази кроз њега и тако брже празни батерију. Ова струја се назива одводна струја (И-драин). У овом колу укупна струја пражњења је зброј одводне струје и струје одступања. Када се П-канални МОСФЕТ искључи помоћу регулатора, струја одступања је нула и самим тим и напон Вгс такође добија нулу. Ово искључује Н-канални МОСФЕТ, остављајући батерију да поново постане идеалан.

Пасивне ћелије за уравнотежење ћелија

Иако техника пасивног балансирања није ефикасна, она се чешће користи због ове једноставности и ниске цене. Уместо да дизајнирате хардвер, можете користити и неколико лако доступних ИЦ-а попут ЛТЦ6804 и БК77ПЛ900 реномираних произвођача попут Линеарних и Текас инструмената. Ови ИЦ могу бити каскадни за надгледање више ћелија и штеде време и трошкове развоја.

Ограничење пуњења

Метода ограничавања наелектрисања је најефикаснија од свих метода. Овде се узимају у обзир само сигурност и животни век батерије док се одустаје од ефикасности. У овој методи појединачни напон ћелије се континуирано прати.

Током процеса пуњења, чак и ако једна ћелија достигне пуни напон пуњења, пуњење се зауставља, остављајући друге ћелије на пола пута. Слично томе, током пражњења, чак и ако једна ћелија достигне минимални гранични напон, батерија се одваја од терета док се пакет поново не напуни.

Иако је овај метод неефикасан, смањује трошкове и захтеве за величином. Због тога се користи у апликацији где се батерије често могу пунити.

2. Активно балансирање ћелија

У пасивном балансирању ћелија вишак наелектрисања није искоришћен, па се стога сматра неефикасним. Док се у активном балансирању вишак наелектрисања из једне ћелије преноси у другу ћелију са малим наелектрисањем како би се изједначили. То се постиже употребом елемената за чување наелектрисања попут кондензатора и пригушница. Постоји много метода за извођење активног балансирања ћелија како бисмо могли да разговарамо о онима који се најчешће користе.

Цхатле схуттле (летећи кондензатори)

Ова метода користи кондензаторе за пренос наелектрисања из високонапонске ћелије у ћелију ниског напона. Кондензатор је повезан преко СПДТ прекидача. Прекидач повезује кондензатор са високонапонском ћелијом, а када се кондензатор напуни, прекидач га повезује са нисконапонском ћелијом где наелектрисање из кондензатора тече у ћелију. Будући да се наелектрисање пребацује између ћелија, овај метод се назива шатлом. Доња слика би требало да вам помогне да боље разумете.

Ови кондензатори се називају летећим кондензаторима, јер лете између нисконапонских и високонапонских ћелија које носе пуњаче. Недостатак ове методе је што се наелектрисање може преносити само између суседних ћелија. Такође је потребно више времена јер се кондензатор мора напунити, а затим испразнити да би се преносио наелектрисање. Такође је врло мање ефикасан, јер ће доћи до губитка енергије током пуњења и пражњења кондензатора, а губици при преклапању такође се морају узети у обзир. Слика испод приказује како ће летећи кондензатор бити повезан у батерију

Индуктивни претварач (Буцк Боост метода)

Још један метод активног балансирања ћелија је коришћење индуктора и комутационих кола. У овој методи комутациони круг се састоји од претварача за појачану буцк . Набој из високонапонске ћелије пумпа се у пригушницу и затим празни у нисконапонску ћелију помоћу претварача за повишење притиска. Доња слика представља индуктивни претварач са само две ћелије и једним претварачем за појачање.

У горе наведеном колу пуњење се може пренети из ћелије 1 у ћелију 2 пребацивањем МОСФЕТ-а св1 и св2 на следећи начин. Прво се прекидач СВ1 затвори, чиме ће набој из ћелије 1 тећи у индуктор са тренутним И-наелектрисањем. Након што се индуктор потпуно напуни, прекидач СВ1 се отвара и прекидач СВ2 затвара.

Сада ће индуктор који је потпуно напуњен преокренути свој поларитет и почети да се празни. Овог пута набој из индуктора тече у ћелију2 тренутним И-пражњењем. Када се индуктор потпуно испразни, прекидач св2 се отвара и прекидач св1 затвара да би се поновио поступак. Доњи таласни облици ће вам помоћи да добијете јасну слику.

Током времена т0 прекидач св1 је затворен (укључен) што доводи до повећања наелектрисане струје и повећања напона на индуктору (ВЛ). Затим када се индуктор потпуно напуни у тренутку т1, прекидач св1 се отвори (искључи), што доводи до тога да индуктор празни наелектрисање које се акумулирало у претходном кораку. Када се индуктор испразни, он мења свој поларитет, па је напон ВЛ приказан негативно. При пражњењу струје пражњења (И пражњење) смањите се од максималне вредности. Сва ова струја улази у ћелију 2 да би је напунила. Дозвољен је мали интервал од времена т2 до т3, а затим се у т3 цео циклус поново понавља.

Ова метода такође пати од великог недостатка што се наелектрисање може преносити само са више ћелије на доњу ћелију. Такође би требало узети у обзир губитак у комутацији и пад напона диоде. Али је бржи и ефикаснији од кондензаторске методе.

Индуктивни претварач (летење уназад)

Као што смо разговарали, метод претварача буцк боост могао је само преносити набоје из више ћелије у доњу ћелију. Овај проблем се може избећи коришћењем Фли бацк претварача и трансформатора. У претварачу типа летења примарна страна намотаја је повезана са батеријом, а секундарна са сваком појединачном ћелијом батерија, као што је приказано доле

Као што знамо, батерија ради са једносмерном струјом и трансформатор неће имати ефекта док се не пребаци напон. Дакле, да би започео поступак пуњења, прекидач на страни примарне завојнице Сп је пребачен. Ово претвара једносмерну у импулсну једносмерну струју и активира се примарна страна трансформатора.

Сада на секундарној страни свака ћелија има свој прекидач и секундарну завојницу. Пребацивањем мосфет-а нисконапонске ћелије можемо да направимо да та посебна завојница делује као секундарна за трансформатор. На овај начин се наелектрисање из примарне завојнице преноси у секундарну завојницу. То доводи до пражњења укупног напона батерија у слабу ћелију.

Највећа предност ове методе је што се било која слаба ћелија у пакету може лако напунити напоном пакета, а не празне се одређене ћелије. Али пошто укључује трансформатор, он заузима велики простор и сложеност кола је велика.

3. Балансирање без губитака

Балансирање без губитака је недавно развијена метода која смањује губитке смањењем хардверских компоненти и обезбеђивањем више софтверске контроле. Ово такође чини систем једноставнијим и лакшим за пројектовање. Ова метода користи матрично комутационо коло које пружа могућност додавања или уклањања ћелије из пакета током пуњења и пражњења. Једноставно матрично склопно коло за осам ћелија приказано је испод.

Током процеса пуњења ћелија која је под високим напоном уклониће се из пакета помоћу склопних уређаја. На горњој слици ћелија 5 уклања се из пакета помоћу прекидача. Сматрајте да су кругови црвене линије отворени прекидачи, а кругови плаве линије затворени. Тако се време одмора слабијих ћелија повећава током процеса пуњења како би се уравнотежиле током пуњења. Али напон пуњења мора се прилагодити у складу с тим. Иста техника се може следити и током пражњења.

4. Редок Схуттле

Коначна метода није за дизајнере хардвера, већ за хемијске инжењере. У оловној батерији немамо проблема са балансирањем ћелија, јер када се оловна батерија прекомерно напуни, она ствара гасове који спречавају њено прекомерно пуњење. Идеја иза Редок схуттле-а је да покуша да постигне исти ефекат на литијумове ћелије променом хемије хемијског електролита у литијумовој ћелији. Овај модификовани електролит треба да спречи прекомерно пуњење ћелије.

Алгоритми за уравнотежење ћелија

Ефикасна техника балансирања ћелија треба да комбинује хардвер са одговарајућим алгоритмом. Постоји много алгоритама за балансирање ћелија и то зависи од дизајна хардвера. Али типови се могу свести на два различита одељка.

Мерење напона отвореног круга (ОЦВ)

Ово је лака и најчешће праћена метода. Овде се мере напони отворених ћелија за сваку ћелију и коло за уравнотежење ћелија ради на изједначавању вредности напона свих ћелија повезаних у серију. Једноставно је измерити ОЦВ (напон отвореног круга) и самим тим је сложеност овог алгоритма мања.

Мјерно пуњење (СОЦ)

У овој методи СОЦ ћелија је уравнотежен. Као што већ знамо, мерење СОЦ ћелије је сложен задатак, јер морамо рачунати вредност напона и струје ћелије током одређеног временског периода да бисмо израчунали вредност СОЦ. Овај алгоритам је сложен и користи се на местима где се захтева висока ефикасност и сигурност, као у ваздухопловној и свемирској индустрији.

Овим се завршава чланак овде. Надам се да сте сада добили кратку идеју о томе шта је балансирање ћелија како се оно примењује на хардверском и софтверском нивоу. Ако имате било какве идеје или технике, поделите их у одељку за коментаре или користите форуме да бисте добили техничку помоћ.