Tehnike uravnoteženja stanica i kako ih koristiti

Nominalna litijeva ćelija procijenjena je na oko 4,2 V, ali u njezinim primjenama poput EV-a, prijenosne elektronike, prijenosnih računala, napajanja itd. Potreban nam je puno veći napon od nominalnog napona. To je razlog zašto dizajneri kombiniraju više od jedne ćelije u seriji da bi stvorili bateriju viših naponskih vrijednosti. Kao što znamo iz našeg prethodnog članka o baterijama za električna vozila, kada se baterije kombiniraju u seriji, vrijednost napona se zbraja. Na primjer, kada su serijski spojene četiri litijeve ćelije od 4,2 V, efektivni izlazni napon rezultirajuće baterije bit će 16,8 V.

Ali možete zamisliti da je povezivanje mnogih stanica u seriji poput navođenja mnogih konja na kočiju. Samo ako svi konji trče istom brzinom, kočija će se voziti maksimalno učinkovito. Od četiri konja ako jedan konj trči polako, onda i ostala tri moraju smanjiti brzinu, smanjujući tako učinkovitost, a ako jedan konj trči brže, na kraju bi se ozlijedio povlačenjem tereta ostalih tri konja. Slično tome, kada su četiri ćelije spojene u seriju, vrijednosti napona sve četiri ćelije trebale bi biti jednake kako bi se baterija izvukla s maksimalnom učinkovitošću. Metoda održavanja svih naponima stanica jednakih naziva se uravnoteženje stanica. U ovom ćemo članku naučiti više o uravnoteženju stanica, a također ukratko o načinu njihove upotrebe na hardverskoj i softverskoj razini.

Zašto nam je potrebno balansiranje stanica?

Balansiranje ćelija je tehnika u kojoj se održava jednaka razina napona svake pojedinačne ćelije spojene u bateriju kako bi se postigla maksimalna učinkovitost baterijske jedinice. Kad se različite stanice kombiniraju u baterijski paket, uvijek se osigurava da imaju istu kemijsku i naponsku vrijednost. No, nakon što se paket instalira i podvrgne punjenju i pražnjenju, vrijednosti napona pojedinih ćelija imaju tendenciju varirati zbog nekih razloga o kojima ćemo kasnije razgovarati. Ova varijacija razine napona uzrokuje neravnotežu ćelija što će dovesti do jednog od sljedećih problema

Termalni odbjeg

Najgora stvar koja se može dogoditi je termalno bježanje. Kao što znamo, litijeve stanice su vrlo osjetljive na prekomjerno punjenje i prekomjerno pražnjenje. U pakiranju od četiri ćelije, ako je jedna ćelija 3,5 V, dok je druga 3,2 V, naboj će napuniti sve ćelije zajedno jer su u nizu i napunit će 3,5 V ćeliju na više od preporučenog napona, jer su ostale baterije i dalje zahtijevaju punjenje.

Degradacija stanica

Kada se litijeva stanica napuni i malo iznad preporučene vrijednosti, smanjuje se učinkovitost i životni ciklus stanice. Na primjer, lagano povećanje napona punjenja sa 4,2 V na 4,25 V brže će razgraditi bateriju za 30%. Dakle, ako uravnoteženje ćelija nije točno, čak i malo prekomjerno punjenje smanjit će vrijeme trajanja baterije.

Nepotpuno punjenje paketa

Kako se baterije u paketu stare, nekoliko ćelija može biti slabije od susjednih ćelija. Stanice će ovih tjedana predstavljati ogroman problem jer će se puniti i prazniti brže od normalne zdrave stanice. Tijekom punjenja baterija serijskim ćelijama postupak punjenja treba zaustaviti čak i ako jedna ćelija dosegne maksimalni napon. Na taj će se način, ako dvije stanice u bateriji dobivaju tjedan, brže puniti, a time se preostale stanice neće napuniti do maksimuma, kao što je prikazano u nastavku.

Nepotpuna upotreba energije paketa

Slično u istom slučaju kada se baterija prazni, slabije će se stanice isprazniti brže od zdrave stanice i postići će minimalni napon brže od ostalih ćelija. Kao što smo saznali u našem članku o BMS-u, paket će se odvojiti od opterećenja čak i ako jedna ćelija dosegne minimalni napon. To dovodi do neiskorištenog kapaciteta energije u paketu, kao što je prikazano dolje.

Uzimajući u obzir sve gore navedene moguće nedostatke, možemo zaključiti da bi uravnoteživanje ćelija bilo obavezno kako bi se baterija iskoristila do svoje maksimalne učinkovitosti. Ipak, malo je aplikacija kod kojih bi početni trošak trebao biti vrlo nizak, a zamjena baterije nije problem jer bi se moglo izbjeći uravnoteženje stanica. Ali u većini aplikacija, uključujući električna vozila, balansiranje ćelija je obavezno kako bi se dobio maksimum soka iz baterije.

Što uzrokuje neuravnoteženost ćelija u baterijama?

Sada znamo zašto je važno održavati uravnotežene sve stanice u bateriji. Da bismo ispravno riješili problem, trebali bismo znati zašto stanice iz prve ruke postanu neuravnotežene. Kao što je ranije rečeno, kada se baterija formira postavljanjem ćelija u seriju, osigurava se da su sve ćelije u jednakim naponskim razinama. Tako će svježa baterija uvijek imati uravnotežene ćelije. No kako se paket stavlja u upotrebu, stanice se ne uravnotežuju iz sljedećih razloga.

SOC neravnoteža

Mjerenje SOC stanice je komplicirano; stoga je vrlo složeno mjeriti SOC pojedinih stanica u bateriji. Idealna tehnika uravnoteženja stanica trebala bi odgovarati stanicama iste SOC umjesto iste razine napona (OCV). No s obzirom da praktički nije moguće da se ćelije poklapaju samo pod naponom kada se izrađuje paket, varijacija SOC-a može s vremenom dovesti do promjene OCV-a.

Varijacija unutarnjeg otpora

Vrlo je teško pronaći stanice s istim unutarnjim otporom (IR), a kako se baterija stare, IR stanice se također mijenjaju, pa tako u baterijskom paketu neće sve stanice imati isti IR. Kao što znamo, IR pridonosi unutarnjoj impedanciji stanice koja određuje struju koja teče kroz ćeliju. Budući da je IR različit, struja kroz ćeliju i njegov napon također se mijenjaju.

Temperatura

Kapacitet punjenja i pražnjenja ćelije također ovisi o temperaturi oko nje. U ogromnom paketu baterija poput EV-a ili solarnih polja stanice se raspoređuju po otpadnim područjima i može postojati temperaturna razlika među samim paketom zbog čega se jedna stanica puni ili prazni brže od preostalih stanica što uzrokuje neravnotežu.

Iz gore navedenih razloga jasno je da ne možemo spriječiti da se stanica uravnoteži tijekom operacije. Dakle, jedino rješenje je uporaba vanjskog sustava koji prisiljava stanice da se ponovno uravnoteže nakon što postanu neuravnotežene. Taj se sustav naziva Sustav za uravnoteženje baterija. Postoji mnogo različitih vrsta hardverskih i softverskih tehnika koje se koriste za uravnoteženje baterija. Neka se raspravlja o vrstama i široko korištenim tehnikama.

Vrste uravnoteženja ćelija baterije

Tehnike uravnoteženja stanica mogu se široko klasificirati u sljedeće četiri kategorije koje su navedene u nastavku. Razgovarat ćemo o svakoj kategoriji.

Pasivno uravnoteženje stanica
Aktivno uravnoteženje stanica
Balansiranje stanica bez gubitaka
Redox shuttle

1. Pasivno uravnoteženje stanica

Metoda pasivnog uravnoteženja stanica najjednostavnija je metoda od svih. Može se koristiti na mjestima gdje su cijena i veličina glavna ograničenja. Slijede dvije vrste pasivnog uravnoteženja stanica.

Punjenje

U ovoj se metodi lažno opterećenje poput otpora koristi za pražnjenje viška napona i izjednačavanje s ostalim stanicama. Ti otpornici nazivaju se premosnici ili otpori na krvarenje. Svaka ćelija povezana u seriju u paketu imat će vlastiti bypass otpornik povezan preko prekidača kao što je prikazano dolje.

Gornji uzorak prikazuje četiri ćelije od kojih je svaka povezana na dva premosnica pomoću prekidača poput MOSFET-a. Kontrolori mjere napon sve četiri ćelije i uključuju MOSFET za ćeliju čiji je napon viši od ostalih ćelija. Kad je mosfet uključen, ta se ćelija počinje prazniti kroz otpore. Budući da znamo vrijednost otpornika, možemo predvidjeti koliki naboj ćelija rasipa. Kondenzator spojen paralelno sa ćelijom koristi se za filtriranje skokova napona tijekom prebacivanja.

Ova metoda nije vrlo učinkovita jer se električna energija u otporima rasipa kao toplina, a krug također uzima u obzir gubitke pri prebacivanju. Još jedan nedostatak je taj što cjelokupna struja pražnjenja teče kroz MOSFET koji se uglavnom ugrađuje u IC regulatora, pa stoga struja pražnjenja mora biti ograničena na male vrijednosti što povećava vrijeme pražnjenja. Jedan od načina za prevladavanje nedostatka je upotreba vanjskog prekidača za povećanje struje pražnjenja kao što je prikazano dolje

Interni P-kanalni MOSFET pokrenut će kontroler koji uzrokuje pražnjenje ćelije (I-bias) kroz otpore R1 i R2. Vrijednost R2 odabrana je na takav način da je pad napona koji se na njoj javlja uslijed protoka struje pražnjenja (I-bias) dovoljan da pokrene drugi N-kanalni MOSFET. Taj se napon naziva napon izvora na vratima (Vgs), a struja potrebna za pristranost MOSFET-a naziva se strujom prigušivanja (I-bias).

Jednom kad se N-kanalni MOSFET uključi, struja sada teče kroz balansirajući otpornik R-Bal . Vrijednost ovog otpora može biti niska, što omogućuje propuštanje više struje i time brže pražnjenje baterije. Ova se struja naziva odvodnom strujom (I-odvod). U ovom je krugu ukupna struja pražnjenja zbroj odvodne struje i struje pristranosti. Kada se P-kanalni MOSFET isključi pomoću regulatora, struja odstupanja je nula i tako napon Vgs također dobiva nulu. Ovo isključuje N-kanalni MOSFET, ostavljajući bateriju da ponovno postane idealan.

IC-i za pasivno uravnoteženje stanica

Iako tehnika pasivnog uravnoteženja nije učinkovita, ona se češće koristi zbog ove jednostavnosti i niske cijene. Umjesto dizajniranja hardvera, također možete koristiti nekoliko lako dostupnih IC-a poput LTC6804 i BQ77PL900 renomiranih proizvođača poput Linearnih i Texas instrumenata. Ovi IC-ovi mogu se kaskadno nadzirati više stanica i štede vrijeme i troškove razvoja.

Ograničavanje punjenja

Metoda ograničavanja naboja najneučinkovitija je metoda od svih. Ovdje se uzimaju u obzir samo sigurnost i životni vijek baterije dok se odustaje od učinkovitosti. U ovoj se metodi kontinuirano prate pojedinačni naponi ćelija.

Tijekom postupka punjenja, čak i ako jedna ćelija postigne puni napon punjenja, punjenje se zaustavlja, ostavljajući druge stanice na pola puta. Slično tome, tijekom pražnjenja, čak i ako jedna ćelija dosegne minimalni granični napon, baterija se odvaja od tereta dok se paket ponovno ne napuni.

Iako je ova metoda neučinkovita, smanjuje troškove i veličinu. Stoga se koristi u aplikaciji gdje se baterije često mogu puniti.

2. Aktivno uravnoteženje stanica

U pasivnom balansiranju ćelija višak naboja nije korišten, pa se smatra neučinkovitim. Dok se u aktivnom balansiranju višak naboja iz jedne stanice prenosi u drugu ćeliju s niskim nabojem kako bi se izjednačili. To se postiže korištenjem elemenata za pohranu naboja poput kondenzatora i prigušnica. Postoji mnogo metoda za izvođenje aktivnog uravnoteženja stanica kako bismo mogli razgovarati o onima koji se najčešće koriste.

Šatlovi za punjenje (leteći kondenzatori)

Ova metoda koristi kondenzatore za prijenos naboja od visokonaponske ćelije do niskonaponske ćelije. Kondenzator je povezan preko SPDT prekidača u početku prekidač povezuje kondenzator s visokonaponskom ćelijom, a kad se kondenzator napuni, sklopka ga povezuje s niskonaponskom ćelijom gdje naboj iz kondenzatora teče u ćeliju. Budući da se naboj prebacuje između ćelija, ova metoda se naziva shuttle shuttle. Donja slika trebala bi vam pomoći da bolje razumijete.

Ti se kondenzatori nazivaju letećim kondenzatorima jer lete između niskonaponskih i visokonaponskih ćelija koje nose punjače. Nedostatak ove metode je što se naboj može prenositi samo između susjednih ćelija. Također treba više vremena jer se kondenzator mora napuniti, a zatim isprazniti da bi se prenio punjenje. Također je vrlo manje učinkovit jer će doći do gubitka energije tijekom punjenja i pražnjenja kondenzatora, a također se moraju uzeti u obzir i gubici pri prebacivanju. Slika ispod prikazuje kako će leteći kondenzator biti povezan u bateriju

Induktivni pretvarač (Buck Boost metoda)

Druga metoda aktivnog uravnoteženja ćelija je upotreba prigušnica i sklopnih krugova. U ovoj se metodi sklopni sklop sastoji od pretvarača za pojačanu cijev . Naboj iz visokonaponske ćelije pumpa se u prigušnicu, a zatim izbacuje u niskonaponsku ćeliju pomoću pretvarača za povišenje napona. Sljedeća slika predstavlja induktivni pretvarač sa samo dvije ćelije i pretvaračem za povišenu cijev.

U gore navedenom krugu naboj se može prenijeti iz ćelije 1 u ćeliju 2 prebacivanjem MOSFET-ova sw1 i sw2 na sljedeći način. Prvo se sklopka SW1 zatvori, čime će naboj iz ćelije 1 teći u induktor s trenutnim I-nabojem. Nakon što se induktor potpuno napuni, prekidač SW1 se otvara, a prekidač sw2 zatvara.

Sada će induktor koji je potpuno napunjen preokrenuti svoj polaritet i početi se prazniti. Ovaj put naboj iz induktora teče u ćeliju2 s trenutnim I-pražnjenjem. Nakon što se induktor potpuno isprazni, prekidač sw2 se otvara i prekidač sw1 zatvara da bi se ponovio postupak. Donji valni oblici pomoći će vam da dobijete jasnu sliku.

Tijekom vremena t0 sklopka sw1 je zatvorena (uključena) što dovodi do povećanja napunjenosti struje i povećanja napona na induktivitetu (VL). Zatim kada se induktor potpuno napuni u trenutku t1, prekidač sw1 se otvori (isključi), zbog čega induktor prazni naboj koji se nakupio u prethodnom koraku. Kad se induktor isprazni, mijenja svoj polaritet, pa je napon VL prikazan negativno. Pri pražnjenju struje pražnjenja (I pražnjenje) smanjite se od svoje maksimalne vrijednosti. Sva ta struja ulazi u ćeliju 2 da je napuni. Dopušten je mali interval od vremena t2 do t3, a zatim se u t3 cijeli ciklus ponovno ponavlja.

Ova metoda također pati od velikog nedostatka što se naboj mogao prenositi samo iz više stanice u donju ćeliju. Također treba uzeti u obzir gubitak u prebacivanju i pad napona diode. Ali je brži i učinkovitiji od kondenzatorske metode.

Induktivni pretvarač (letenje natrag)

Kao što smo razgovarali, metoda pretvarača buck boost mogla je samo prenositi naboje iz više ćelije u donju ćeliju. Ovaj se problem može izbjeći korištenjem pretvarača za letenje unatrag i transformatora. U pretvaraču tipa letenja primarna strana namota spojena je na baterijski sklop, a sekundarna na svaku pojedinu ćeliju baterijskog sklopa kako je prikazano dolje

Kao što znamo, baterija radi s istosmjernom strujom i transformator neće imati učinka dok se napon ne prebaci. Da bi se započeo postupak punjenja, prekidač na strani primarne zavojnice Sp je uključen. To pretvara istosmjernu u impulsnu istosmjernu i aktivira se primarna strana transformatora.

Sada na sekundarnoj strani svaka stanica ima svoj prekidač i sekundarnu zavojnicu. Prebacivanjem mosfet-a niskonaponske ćelije možemo napraviti određenu zavojnicu da djeluje kao sekundarna za transformator. Na taj se način naboj iz primarne zavojnice prenosi na sekundarnu zavojnicu. To dovodi do pražnjenja ukupnog napona baterija u slabu ćeliju.

Najveća prednost ove metode je u tome što se bilo koja slaba ćelija u paketu može lako napuniti naponom paketa, a ne prazne se određene ćelije. Ali budući da uključuje transformator, on zauzima velik prostor i složenost je kruga velika.

3. Balansiranje bez gubitaka

Balansiranje bez gubitaka nedavno je razvijena metoda koja smanjuje gubitke smanjenjem hardverskih komponenata i pružanjem više softverske kontrole. To također čini sustav jednostavnijim i jednostavnijim za dizajn. Ova metoda koristi matrični sklopni sklop koji pruža mogućnost dodavanja ili uklanjanja ćelije iz paketa tijekom punjenja i pražnjenja. Jednostavan matrični sklopni sklop za osam ćelija prikazan je u nastavku.

Tijekom postupka punjenja ćelija koja je pod visokim naponom uklonit će se iz paketa pomoću sklopnih uređaja. Na gornjoj slici ćelija 5 uklanja se iz paketa pomoću prekidača. Smatrajte da su krugovi crvene linije otvoreni prekidači, a krugovi plave crte zatvoreni. Tako se vrijeme odmora slabijih ćelija povećava tijekom postupka punjenja kako bi se uravnotežile tijekom punjenja. Ali napon punjenja mora se prilagoditi u skladu s tim. Ista tehnika može se slijediti i tijekom pražnjenja.

4. Redox Shuttle

Konačna metoda nije za dizajnere hardvera već za kemijske inženjere. U olovnoj bateriji nemamo problema s balansiranjem stanica, jer kada je olovna baterija prenapunjena uzrokuje stvaranje plina što sprječava njezino prekomjerno punjenje. Ideja Redox shuttlea je pokušati postići isti učinak na litijeve stanice mijenjanjem kemije elektrolita litijeve stanice. Ovaj modificirani elektrolit trebao bi spriječiti prekomjerno punjenje stanice.

Algoritmi za uravnoteženje stanica

Učinkovita tehnika uravnoteženja stanica trebala bi kombinirati hardver s odgovarajućim algoritmom. Postoji mnogo algoritama za uravnoteženje stanica i to ovisi o dizajnu hardvera. Ali vrste se mogu svesti na dva različita odjeljka.

Mjerenje napona prekinutog kruga (OCV)

Ovo je jednostavna i najčešće slijeđena metoda. Ovdje se mjere naponi otvorenih ćelija za svaku ćeliju, a krug za uravnoteženje ćelija radi na izjednačavanju vrijednosti napona svih serijski povezanih ćelija. Jednostavno je izmjeriti OCV (napon otvorenog kruga) i stoga je složenost ovog algoritma manja.

Mjerno punjenje (SOC)

U ovoj metodi SOC stanica je uravnotežen. Kao što već znamo, mjerenje SOC stanice složen je zadatak jer moramo izračunati vrijednost napona i struje ćelije tijekom određenog vremenskog razdoblja. Ovaj algoritam je složen i koristi se na mjestima gdje se zahtijeva visoka učinkovitost i sigurnost, poput u zrakoplovnoj i svemirskoj industriji.

Ovim se završava članak ovdje. Nadam se da ste sada dobili kratku ideju o tome što je balansiranje stanica kako je implementirano na hardverskoj i softverskoj razini. Ako imate bilo kakvih ideja ili tehnika, podijelite ih u odjeljku za komentare ili na forumima potražite tehničku pomoć.