- Miért van szükség a sejtek kiegyensúlyozására?
- Mi okozza a sejtek egyensúlyhiányát az akkumulátorokban?
- Az akkumulátorcellák kiegyensúlyozásának típusai
- 1. Passzív sejtek kiegyensúlyozása
- 2. Aktív sejtek kiegyensúlyozása
- 3. Veszteségmentes egyensúlyozás
- 4. Redox Shuttle
Egy névleges lítiumcellát csak kb. 4,2 V-ra lehet mérni, de olyan alkalmazásokban, mint az EV, a hordozható elektronika, a laptopok, az energiabankok stb., Sokkal nagyobb feszültségre van szükségünk, mint a névleges feszültsége. Ez az oka annak, hogy a tervezők egynél több cellát egyesítenek, így nagyobb feszültségértékű akkumulátort alkotnak. Ahogy azt az előző elektromos jármű akkumulátor cikkünkből tudjuk, az akkumulátorok sorba állításakor a feszültség értéke összeadódik. Például, ha négy, 4,2 V-os lítium cellát sorba kötnek, a kapott akkumulátor tényleges kimeneti feszültsége 16,8 V lesz.
De el lehet képzelni, hogy sok sejtet sorba kötünk, mint sok lovat egy szekérre. Csak akkor, ha az összes ló azonos sebességgel fut, a szekeret maximális hatékonysággal hajtják. Négy ló közül, ha az egyik ló lassan fut, akkor a másik háromnak is csökkentenie kell a sebességét, ezzel csökkentve a hatékonyságot, és ha az egyik ló gyorsabban fut, akkor végül a másik három ló terhének meghúzásával ártana magának. Hasonlóképpen, ha négy cellát sorba kötnek, akkor mind a négy cella feszültségértékének meg kell egyeznie az akkumulátor maximális hatékonyságú levezetéséhez. Az összes cellafeszültség egyenlőségének fenntartására szolgáló módszert cellabalanciaként nevezzük. Ebben a cikkben többet megtudhatunk a sejtek kiegyensúlyozásáról, és röviden arról is, hogyan kell azokat hardver és szoftver szinten használni.
Miért van szükség a sejtek kiegyensúlyozására?
A cellák kiegyensúlyozása egy olyan technika, amelyben az akkumulátoregység kialakításához sorba kapcsolt egyes cellák feszültségszintjei megegyeznek az akkumulátor maximális hatékonyságának elérése érdekében. Ha különböző cellákat egyesítünk egy akkumulátor egységgé, mindig ügyelni kell arra, hogy azonos kémiai és feszültségértékűek legyenek. De miután a csomagot telepítették és feltöltették és lemerítették, az egyes cellák feszültségértékei bizonyos okok miatt változhatnak, amelyeket később megbeszélünk. Ez a feszültségszint-változás a sejtek kiegyensúlyozatlanságát idézi elő, ami a következő problémák egyikéhez vezet
Thermal RunawayA legrosszabb, ami történhet, a termikus elszabadulás. Mint tudjuk, a lítiumsejtek nagyon érzékenyek a túltöltésre és a kisülésre. Négy cellás csomagban, ha az egyik cella 3,5 V, míg a másik 3,2 V, a töltés az összes cellát együtt tölti, mivel sorba vannak kapcsolva, és a 3,5 V-os cellát az ajánlottnál nagyobb feszültségre tölti, mivel a többi elem még mindig töltést igényelnek.
SejtbontásHa a lítium cella még az ajánlott értéknél is kissé meghaladja a túltöltést, a sejt hatékonysága és életciklusa csökken. Például a töltőfeszültség enyhe növekedése 4,2 V-ról 4,25 V-ra gyorsabban, 30% -kal rontja az akkumulátort. Tehát, ha a cellák kiegyensúlyozása nem pontos, még az enyhe túltöltés is csökkenti az akkumulátor élettartamát.
A Pack hiányos töltéseAhogy a csomagban lévő elemek elöregednek, néhány cella gyengébb lehet, mint a szomszédos cellák. Ezen a héten a sejtek hatalmas problémát jelentenek, mivel gyorsabban töltődnek és kisülnek, mint egy normál egészséges sejt. Miközben az akkumulátort soros cellákkal töltik, a töltési folyamatot akkor is le kell állítani, ha az egyik cella eléri a maximális feszültséget. Így ha egy akkumulátor két cellája hetet kap, akkor gyorsabban töltődnek fel, így a fennmaradó cellák nem töltődnek be maximálisan, amint az alább látható.
Hasonló módon, amikor az akkumulátor lemerül, a gyengébb cellák gyorsabban lemerülnek, mint az egészséges cellák, és gyorsabban érik el a minimális feszültséget, mint más cellák. Amint azt BMS cikkünkben megtudtuk, a csomag akkor is lekapcsolódik a terhelésről, ha az egyik cella eléri a minimális feszültséget. Ez a csomag energia kihasználatlan kapacitásához vezet, az alábbiak szerint.
Figyelembe véve a fenti lehetséges hátrányokat, arra a következtetésre juthatunk, hogy a cellák kiegyensúlyozása kötelező lenne az akkumulátor maximális hatékonyságának kihasználása érdekében. Még mindig kevés olyan alkalmazás van, ahol a kezdeti költségeknek nagyon alacsonyaknak kell lenniük, és az elemek cseréje nem jelent problémát ezekben az alkalmazásokban a cellák kiegyensúlyozása elkerülhető. De az alkalmazások többségében, beleértve az elektromos járműveket is, a cellák kiegyensúlyozása kötelező ahhoz, hogy a lehető legtöbb gyümölcslét hozza ki az akkumulátorból.
Mi okozza a sejtek egyensúlyhiányát az akkumulátorokban?
Most már tudjuk, miért fontos az összes cellát egyensúlyban tartani egy akkumulátorban. Ahhoz azonban, hogy a problémát megfelelően kezeljük, tudnunk kell, hogy a sejtek miért nem egyensúlyoznak eleve. Amint azt korábban elmondtuk, amikor az elemeket a cellák sorba helyezésével állítják elő, meg kell győződni arról, hogy az összes elem azonos feszültségszintű. Tehát egy friss akkumulátornak mindig kiegyensúlyozott cellái vannak. De a csomag használatba vételekor a sejtek kiegyensúlyozatlanná válnak a következő okok miatt.
SOC egyensúlyhiány
Egy cella SOC mérése bonyolult; ezért nagyon bonyolult mérni az egyes cellák SOC-ját egy elemben. Ideális sejtkiegyensúlyozási technikának meg kell egyeznie az azonos SOC cellákkal, azonos feszültség (OCV) szintek helyett. De mivel gyakorlatilag nem lehetséges, hogy a cellákat csak feszültségfeltételek alapján illesztik össze a csomag készítésekor, az SOC változása a megfelelő időben az OCV változásához vezethet.
Belső ellenállásváltozás
Nagyon nehéz azonos belső ellenállású (IR) cellákat találni, és ahogy az akkumulátor elöregszik, a cella IR-je is megváltozik, és így egy akkumulátorban nem minden cellának lesz ugyanaz az IR-je. Mint tudjuk, az IR hozzájárul a cella belső impedanciájához, amely meghatározza a cellán keresztül áramló áramot. Mivel az IR változik, a cellán keresztüli áram és annak feszültsége is változik.
Hőfok
A cella töltési és kisütési kapacitása a körülötte lévő hőmérséklettől is függ. Egy hatalmas akkumulátor-csomagban, mint például az EV-kben vagy a napelemekben, a cellák szét vannak osztva egy hulladékterületen, és előfordulhat, hogy maga a csomag között hőmérséklet-különbség van, ami miatt az egyik cella gyorsabban töltődik vagy kisül, mint a többi elem, ami egyensúlyhiányt okoz.
A fenti okokból egyértelmű, hogy nem akadályozhatjuk meg a sejtek egyensúlyhiányosodását a művelet során. Tehát az egyetlen megoldás egy olyan külső rendszer használata, amely arra kényszeríti a sejteket, hogy ismét egyensúlyba kerüljenek, miután kiegyensúlyozatlanok. Ezt a rendszert akkumulátor-kiegyensúlyozó rendszernek hívják. Számos különböző típusú hardver és szoftver technikát használnak az elemcellák kiegyensúlyozásához. Beszéljük meg a típusokat és a széles körben alkalmazott technikákat.
Az akkumulátorcellák kiegyensúlyozásának típusai
A sejtegyensúlyozási technikákat nagyjából a következő négy kategóriába sorolhatjuk, amelyeket alább felsorolunk. Megbeszéljük az egyes kategóriákat.
- Passzív sejtek kiegyensúlyozása
- Aktív sejtegyensúlyozás
- Veszteség nélküli sejtek kiegyensúlyozása
- Redox Shuttle
1. Passzív sejtek kiegyensúlyozása
A passzív sejtkiegyensúlyozási módszer a legegyszerűbb. Olyan helyeken használható, ahol a költség és a méret a fő korlátozó tényező. Az alábbiakban bemutatjuk a passzív sejtek kiegyensúlyozásának két típusát.
Töltési tolatás
Ebben a módszerben egy ellenálláshoz hasonló álterhelést használnak a túlfeszültség lemerítésére és más cellákkal történő kiegyenlítésére. Ezeket az ellenállásokat bypass ellenállásoknak vagy légtelenítő ellenállásoknak nevezik. Minden csomagban sorba kapcsolt cellának saját bypass-ellenállása lesz, amelyet egy kapcsolón keresztül csatlakoztatnak az alábbiak szerint.
A fenti minta áramkör négy cellát mutat, amelyek mindegyike két bypass ellenálláshoz van kapcsolva egy olyan kapcsolón keresztül, mint a MOSFET. A vezérlők megmérik mind a négy cella feszültségét, és bekapcsolják annak a cellának a mosfetjét, amelynek feszültsége magasabb, mint a többi cella. Amikor a mosfet be van kapcsolva, az a cella elkezd kisülni az ellenállásokon keresztül. Mivel tudjuk az ellenállások értékét, megjósolhatjuk, hogy mekkora töltést oszlat el a cella. A cellával párhuzamosan kapcsolt kondenzátor a feszültségcsúcsok szűrésére szolgál a kapcsolás során.
Ez a módszer nem túl hatékony, mert az elektromos energiát hőként elvezetik az ellenállások, és az áramkör a kapcsolási veszteségeket is figyelembe veszi. További hátrány, hogy a teljes kisülési áram átfolyik a mosfeten, amely többnyire a vezérlő IC-be van építve, és ezért a kisülési áramot alacsony értékekre kell korlátozni, ami növeli a kisütési időt. A hátrány leküzdésének egyik módja egy külső kapcsoló használata a kisülési áram növelésére az alábbiak szerint
A belső P-csatornás MOSFET-et a vezérlő váltja ki, amely a cella kisülését (I-torzítást) okozza az R1 és R2 ellenállásokon keresztül. Az R2 értékét úgy választjuk meg, hogy a kisütési áram áramlása (I-torzítás) miatt rajta keresztül bekövetkező feszültségesés elegendő legyen a második N-csatornás MOSFET kiváltására. Ezt a feszültséget kapu forrásfeszültségnek (Vgs), a MOSFET előfeszítéséhez szükséges áramot torzító áramnak (I-torzítás) nevezzük.
Az N-csatornás MOSFET bekapcsolása után az áram átfolyik az R-Bal kiegyenlítő ellenálláson. Ennek az ellenállásnak az értéke alacsony lehet, lehetővé téve több áram áthaladását és ezáltal az akkumulátor gyorsabb lemerülését. Ezt az áramot nevezzük lefolyó áramnak (I-drain). Ebben az áramkörben a teljes kisülési áram a lefolyó áram és az előfeszítő áram összege. Amikor a P-csatornás MOSFET-et kikapcsolja a vezérlő, az előfeszítő áram nulla, és így a Vgs feszültség is nulla lesz. Ez kikapcsolja az N-csatornás MOSFET-t, így az akkumulátor újra ideális lesz.
Passzív sejt kiegyensúlyozó IC-k
Annak ellenére, hogy a passzív kiegyensúlyozási technika nem hatékony, ezt az egyszerűség és alacsony költség miatt inkább használják. A hardver megtervezése helyett néhány könnyen elérhető IC-t is használhat, mint például az LTC6804 és a BQ77PL900 olyan neves gyártóktól, mint a Linear vagy Texas készülékek. Ezek az IC-k többféle cella megfigyelésével lépcsőzetesen fejleszthetők és költségmegtakaríthatók.
Díjkorlátozás
A töltéskorlátozási módszer a leghatékonyabb módszer az összes közül. Itt csak az akkumulátor biztonságát és élettartamát vesszük figyelembe, miközben feladjuk a hatékonyságot. Ebben a módszerben az egyes cellák feszültségeit folyamatosan figyeljük.
A töltési folyamat során, még akkor is, ha az egyik cella eléri a teljes töltési feszültséget, a töltés leáll, és a többi cellát félúton hagyja. Hasonlóképpen a lemerülés során, még akkor is, ha az egyik cella eléri a minimális megszakítási feszültséget, az akkumulátorcsomagot leválasztják a terhelésről, amíg a csomag újra fel nem töltődik.
Bár ez a módszer nem hatékony, csökkenti a költség- és méretigényt. Ezért olyan alkalmazásokban használják, ahol az akkumulátorokat gyakran lehet tölteni.
2. Aktív sejtek kiegyensúlyozása
A passzív cellák kiegyensúlyozásában a felesleges töltést nem használták fel, ezért hatástalannak tekintik. Míg az aktív kiegyenlítés során a többlet töltésforma egy cellát egy másik alacsony töltésű cellába visz, hogy kiegyenlítse őket. Ezt olyan töltéstároló elemek felhasználásával érik el, mint a kondenzátorok és az induktorok. Számos módszer létezik az Aktív sejtegyensúlyozás elvégzésére, amely megvitatja a gyakran használtakat.
Töltési ingák (repülő kondenzátorok)
Ez a módszer kondenzátorokat használ a töltés átvitelére a nagyfeszültségű celláról a kisfeszültségű cellára. A kondenzátort SPDT kapcsolókon keresztül csatlakoztatják, kezdetben a kapcsoló összeköti a kondenzátort a nagyfeszültségű cellával, és miután a kondenzátort feltöltik, a kapcsoló összeköti azt a kisfeszültségű cellával, ahol a kondenzátor töltése a cellába áramlik. Mivel a töltés a cellák között ingázik, ezt a módszert töltéssiklóknak nevezzük. Az alábbi ábra segít jobban megérteni.
Ezeket a kondenzátorokat repülő kondenzátoroknak nevezzük, mivel a töltőket szállító kisfeszültségű és nagyfeszültségű cellák közötti repülés. Ennek a módszernek az a hátránya, hogy a töltés csak a szomszédos cellák között vihető át. Több időbe telik, mióta a kondenzátort fel kell tölteni, majd kisütni a töltések átadásához. Ez nagyon kevésbé hatékony, mivel a kondenzátor töltése és kisütése során energiaveszteség lép fel, és a kapcsolási veszteségeket is figyelembe kell venni. Az alábbi kép azt mutatja, hogy a repülő kondenzátor hogyan lesz csatlakoztatva egy akkumulátorhoz
Induktív átalakító (Buck Boost módszer)
Az aktív cellák kiegyensúlyozásának másik módszere induktorok és kapcsoló áramkörök használata. Ennél a módszernél a kapcsoló áramkör egy buck boost átalakítóból áll . A nagyfeszültségű cella töltését az induktorba pumpálják, majd a buck boost konverter segítségével a kisfeszültségű cellába ürítik. Az alábbi ábra egy induktív átalakítót ábrázol, amely csak két cellával és egyetlen buck boost konverterrel rendelkezik.
A fenti áramkörben a töltés átvihető az 1. cellából a 2. cellába az sw1 és sw2 MOSFETS következő kapcsolásával. Először az SW1 kapcsoló zárva van, ezáltal az 1. cella töltése áramlani kezd az induktorba áram I töltéssel. Miután az induktor teljesen feltöltődött, az SW1 kapcsoló nyitva van, és az sw2 kapcsoló zárva van.
Most a teljesen feltöltött induktor megfordítja polaritását és elkezd kisütni. Ezúttal az induktor töltése az I-kisütéssel áramlik a cellába. Miután az induktor teljesen lemerült, az eljárás megismételése érdekében az sw2 kapcsoló kinyílik és az sw1 kapcsoló zárva van. Az alábbi hullámformák segítenek tiszta képet kapni.
A t0 időtartam alatt az sw1 kapcsoló zárva van (be van kapcsolva), ami az I töltés áramának növekedéséhez és az induktivitáson áteső feszültség növekedéséhez vezet. Majd miután az induktor teljesen fel van töltve a t1 időpontban, az sw1 kapcsoló kinyílik (kikapcsol), ami arra készteti az induktort, hogy lemerítse az előző lépésben felhalmozott töltetet. Amikor egy induktor kisül, megváltoztatja a polaritását, ezért a VL feszültség negatívan jelenik meg. Kisütéskor a kisülési áram (I kisülés) csökken a maximális értékétől. Mindez az áram belép a 2. cellába, hogy feltöltse. Egy kis intervallum megengedett a t2 és a t3 között, majd t3 időpontban az egész ciklus ismétlődik.
Ez a módszer szintén jelentős hátrányt szenved, mivel a töltés csak a magasabb cellából az alacsonyabb cellába vezethető át. Figyelembe kell venni a kapcsolási veszteséget és a dióda feszültségesését is. De gyorsabb és hatékonyabb, mint a kondenzátoros módszer.
Induktív átalakító (Fly back alapú)
Amint megbeszéltük, a buck boost konverter módszer csak a magasabb cellából származó töltéseket tudta átvinni az alsó cellába. Ez a probléma elkerülhető Fly Fly átalakító és transzformátor használatával. Flyback típusú átalakítóban a tekercs elsődleges oldala az akkumulátorhoz csatlakozik, a másodlagos oldal pedig az akkumulátor minden egyes cellájához csatlakozik az alábbiak szerint
Mint tudjuk, az akkumulátor egyenárammal működik, és a transzformátornak nincs hatása a feszültség átkapcsolásáig. Tehát a töltési folyamat megkezdéséhez az elsődleges tekercs Sp oldalán lévő kapcsolót kapcsoljuk. Ez átalakítja a DC-t impulzusos DC-vé, és a transzformátor elsődleges oldala aktiválódik.
Most a szekunder oldalon minden cellának megvan a saját kapcsolója és a szekunder tekercs. A kisfeszültségű cella mosfet-jének átkapcsolásával az adott tekercset a transzformátor szekunder funkciójaként működtethetjük. Így az elsődleges tekercsből származó töltés átkerül a másodlagos tekercsbe. Ezáltal az akkumulátor teljes feszültsége kisül a gyenge cellába.
A módszer legnagyobb előnye, hogy a csomag bármelyik gyenge cellája könnyen feltölthető a csomag feszültségéből, és nem egy adott cella kisül. De mivel egy transzformátort tartalmaz, nagy helyet foglal el, és az áramkör bonyolultsága nagy.
3. Veszteségmentes egyensúlyozás
A veszteségmentes kiegyensúlyozás egy nemrégiben kifejlesztett módszer, amely csökkenti a veszteségeket azáltal, hogy csökkenti a hardver alkatrészeit és nagyobb szoftveres irányítást biztosít. Ez a rendszert is egyszerűbbé és könnyebben megtervezhetővé teszi. Ez a módszer egy mátrixkapcsoló áramkört használ, amely lehetőséget nyújt cellák hozzáadására vagy eltávolítására a csomagból töltés és kisütés közben. Az alábbiakban egy nyolc cellára vonatkozó egyszerű mátrix kapcsoló áramkört mutatunk be.
A töltési folyamat során a nagyfeszültségű cellát a kapcsolóelrendezéssel eltávolítják a csomagból. A fenti ábrán az 5 cellát a kapcsolók segítségével eltávolítjuk a csomagból. Tekintsük, hogy a piros vonal körök nyitott kapcsolók, a kék vonal körök pedig bezárt kapcsolók. Így a gyengébb cellák pihenőideje megnő a töltési folyamat során, hogy kiegyenlítsék őket a töltés során. De a töltési feszültséget ennek megfelelően kell beállítani. Ugyanez a technika követhető a lemerítés során is.
4. Redox Shuttle
A végső módszer nem a hardvertervezőknek szól, hanem a vegyészmérnököknek. Az ólomakkumulátorban nincs problémánk a cellák kiegyensúlyozásával, mert az ólomsav akkumulátor túltöltésekor gázosodást okoz, amely megakadályozza, hogy túltöltse. A Redox shuttle ötlete az, hogy megpróbálja elérni ugyanazt a hatást a lítium sejtekre a lítium sejt elektrolitjának kémiájának megváltoztatásával. Ennek a módosított elektrolitnak meg kell akadályoznia a cella túltöltését.
Sejtkiegyensúlyozó algoritmusok
A hatékony sejtkiegyensúlyozási technikának össze kell kapcsolnia a hardvert egy megfelelő algoritmussal. Számos algoritmus létezik a sejtek kiegyensúlyozására, és ez a hardver tervezésétől függ. De a típusok két különböző szakaszra bonthatók.
A nyitott áramkör feszültségének (OCV) mérése
Ez a könnyű és leggyakrabban követett módszer. Itt minden cellához megmérik a nyitott cellás feszültséget, és a cella kiegyensúlyozó áramkör úgy működik, hogy kiegyenlítse az összes sorba kapcsolt cella feszültségértékeit. Könnyű megmérni az OCV-t (nyitott áramú feszültség), ezért ennek az algoritmusnak a bonyolultsága kisebb.
A töltés (SOC) mérése
Ebben a módszerben a sejtek SOC-ja kiegyensúlyozott. Mint azt már tudjuk, egy cella SOC mérése összetett feladat, mivel a SOC értékének kiszámításához egy bizonyos idő alatt figyelembe kell vennünk a cella feszültségét és áramértékét. Ez az algoritmus összetett és olyan helyeken használják, ahol nagy hatékonyságra és biztonságra van szükség, mint például az űriparban és az űriparban.
Ezzel a cikk itt zárul. Remélem, most már kapott egy rövid képet arról, hogy mi a cellák kiegyensúlyozása hogyan valósul meg hardver és szoftver szinten. Ha bármilyen ötlete vagy technikája van, ossza meg őket a megjegyzés részben, vagy használja a fórumokat technikai segítségért.