- Kāpēc mums ir nepieciešama šūnu balansēšana?
- Kas izraisa šūnu nelīdzsvarotību akumulatoros?
- Bateriju elementu balansēšanas veidi
- 1. Pasīvā šūnu līdzsvarošana
- 2. Aktīva šūnu līdzsvarošana
- 3. Līdzsvarošana bez zaudējumiem
- 4. Redox Shuttle
Nominālais litija elements ir paredzēts tikai aptuveni 4,2 V, taču tā lietojumos, piemēram, EV, portatīvajā elektronikā, klēpjdatoros, strāvas bankās utt., Mums ir nepieciešams daudz lielāks spriegums nekā tā nominālais spriegums. Tas ir iemesls, kāpēc dizaineri apvieno vairāk nekā vienu elementu virknē, lai izveidotu akumulatoru ar lielāku sprieguma vērtību. Kā mēs zinām no iepriekšējā raksta par elektrisko transportlīdzekļu akumulatoriem, kad akumulatori tiek kombinēti virknē, sprieguma vērtība tiek summēta. Piemēram, ja četras 4,2 V litija šūnas ir savienotas virknē, iegūtā akumulatora efektīvais izejas spriegums būs 16,8 V.
Bet jūs varat iedomāties, ka daudzas šūnas tiek savienotas sērijveidā, tāpat kā daudzus zirgus piestiprināt pie ratiem. Tikai tad, ja visi zirgi skrien vienādā ātrumā, rati tiks vadīti ar maksimālu efektivitāti. No četriem zirgiem, ja viens zirgs skrien lēni, tad arī pārējiem trim jāsamazina ātrums, tādējādi samazinot efektivitāti, un, ja viens zirgs skrien ātrāk, tas galu galā nodarītu sev pāri, velkot pārējo trīs zirgu slodzi. Līdzīgi, ja četras šūnas ir savienotas virknē, visu četru šūnu sprieguma vērtībām jābūt vienādām, lai ar maksimālu efektivitāti iegūtu akumulatoru. Visu šūnu spriegumu vienlīdzības uzturēšanas metodi sauc par šūnu balansēšanu. Šajā rakstā mēs uzzināsim vairāk par šūnu līdzsvarošanu, kā arī īsi par to izmantošanu aparatūras un programmatūras līmenī.
Kāpēc mums ir nepieciešama šūnu balansēšana?
Šūnu balansēšana ir paņēmiens, kurā katras atsevišķas šūnas, kas sērijveidā savienotas, veidojot akumulatoru, sprieguma līmeņi tiek uzturēti vienādi, lai sasniegtu akumulatora maksimālo efektivitāti. Ja dažādas šūnas tiek apvienotas kopā, veidojot akumulatoru, vienmēr tiek pārliecināts, ka tām ir viena un tā pati ķīmija un sprieguma vērtība. Bet, kad pakete ir uzstādīta un pakļauta uzlādēšanai un izlādei, atsevišķu šūnu sprieguma vērtības mēdz atšķirties dažu iemeslu dēļ, kurus mēs apspriedīsim vēlāk. Šī sprieguma līmeņa svārstības izraisa šūnu nelīdzsvarotību, kas radīs vienu no šīm problēmām
Termiskā bēgšanaSliktākais, kas var notikt, ir termiskā bēgšana. Kā mēs zinām, litija šūnas ir ļoti jutīgas pret pārslodzi un izlādi. Četru šūnu komplektā, ja viena šūna ir 3,5 V, bet otra - 3,2 V, maksa uzlādēs visas šūnas kopā, jo tās ir sērijveidā, un tā uzlādēs 3,5 V šūnu vairāk nekā ieteicamais spriegums, jo pārējās baterijas joprojām ir nepieciešama uzlāde.
Šūnu noārdīšanāsJa litija šūna tiek uzlādēta pat nedaudz virs tās ieteicamās vērtības, tiek samazināta šūnas efektivitāte un dzīves cikls. Piemēram, neliels uzlādes sprieguma pieaugums no 4,2 V līdz 4,25 V ātrāk degradēs akumulatoru par 30%. Tātad, ja šūnu balansēšana nav precīza, pat neliela pārslodze samazina akumulatora darbības laiku.
Nepilnīga Pack uzlādeTā kā baterijas iepakojumā kļūst vecākas, dažas šūnas var būt vājākas nekā tās kaimiņu šūnas. Šonedēļ šūnas būs milzīga problēma, jo tās uzlādēsies un izlādēsies ātrāk nekā normāla veselīga šūna. Lādējot akumulatoru ar sērijveida elementiem, uzlādes process ir jāpārtrauc, pat ja viena šūna sasniedz maksimālo spriegumu. Tādā veidā, ja divas akumulatora baterijas šūnas saņem nedēļu, tās lādēsies ātrāk, un tādējādi atlikušās šūnas netiks uzlādētas maksimāli, kā parādīts zemāk.
Līdzīgi tajā pašā gadījumā, kad akumulators tiek izlādēts, vājākās šūnas izlādēsies ātrāk nekā veselīgā šūna, un tās sasniegs minimālo spriegumu ātrāk nekā citas šūnas. Kā mēs uzzinājām mūsu BMS rakstā, iepakojums tiks atvienots no slodzes, pat ja viena šūna sasniegs minimālo spriegumu. Tas noved pie neizmantotās enerģijas enerģijas, kā parādīts zemāk.
Ņemot vērā visus iepriekš minētos iespējamos trūkumus, mēs varam secināt, ka šūnu līdzsvarošana būtu obligāta, lai maksimāli izmantotu akumulatoru. Tomēr joprojām ir maz lietojumprogrammu, kurās sākotnējām izmaksām vajadzētu būt ļoti zemām, un akumulatoru nomaiņa šajās lietojumprogrammās nav problēma. Var novērst šūnu līdzsvarošanu. Bet lielākajā daļā lietojumu, ieskaitot elektriskos transportlīdzekļus, šūnu balansēšana ir obligāta, lai maksimāli iegūtu sulu no akumulatora.
Kas izraisa šūnu nelīdzsvarotību akumulatoros?
Tagad mēs zinām, kāpēc ir svarīgi saglabāt visu šūnu līdzsvaru akumulatorā. Bet, lai pareizi risinātu problēmu, mums jāzina, kāpēc šūnas vispirms kļūst nelīdzsvarotas. Kā jau iepriekš stāstīts, kad akumulatoru komplekts tiek veidots, ievietojot šūnas virknē, tiek pārliecināts, ka visām šūnām ir vienāds sprieguma līmenis. Tātad svaigam akumulatoram vienmēr būs sabalansētas šūnas. Bet, kad iepakojums tiek nodots lietošanai, šūnas kļūst nelīdzsvarotas šādu iemeslu dēļ.
SOC nelīdzsvarotība
Šūnas SOC mērīšana ir sarežģīta; tāpēc ir ļoti sarežģīti noteikt atsevišķu šūnu SOC akumulatorā. Ideālai šūnu balansēšanas metodei jāsakrīt ar viena un tā paša SOC šūnām tā paša sprieguma (OCV) līmeņa vietā. Bet, tā kā, izgatavojot iepakojumu, praktiski nav iespējams, ka šūnas tiek saskaņotas tikai pēc sprieguma, SOC izmaiņas var noteiktā laikā mainīt OCV.
Iekšējās pretestības variācijas
Ir ļoti grūti atrast vienādas iekšējās pretestības (IR) šūnas, un, akumulatoram novecojot, mainās arī šūnas IR, un tādējādi akumulatorā ne visām šūnām būs vienāds IR. Kā mēs zinām, IR veicina šūnas iekšējo pretestību, kas nosaka strāvu, kas plūst caur šūnu. Tā kā IR mainās, strāva caur šūnu tiek mainīta, un mainās arī tās spriegums.
Temperatūra
Šūnas uzlādes un izlādes spēja ir atkarīga arī no temperatūras ap to. Milzīgā akumulatoru blokā, piemēram, EV vai saules blokos, šūnas tiek sadalītas pa atkritumu laukumiem, un pašā iepakojumā var būt temperatūras starpība, kā rezultātā viena šūna uzlādējas vai izlādējas ātrāk nekā pārējās šūnas, izraisot nelīdzsvarotību.
No iepriekš minētajiem iemesliem ir skaidrs, ka mēs nevaram novērst šūnu nelīdzsvarotību operācijas laikā. Tātad, vienīgais risinājums ir izmantot ārēju sistēmu, kas liek šūnām atkal līdzsvaroties pēc to nelīdzsvarotības. Šo sistēmu sauc par akumulatora balansēšanas sistēmu. Bateriju šūnu līdzsvarošanai tiek izmantoti dažādi aparatūras un programmatūras veidi. Ļaujiet apspriest veidus un plaši izmantotās metodes.
Bateriju elementu balansēšanas veidi
Šūnu līdzsvarošanas paņēmienus var plaši iedalīt šādās četrās kategorijās, kas uzskaitītas turpmāk. Mēs apspriedīsim par katru kategoriju.
- Pasīvā šūnu līdzsvarošana
- Aktīva šūnu līdzsvarošana
- Šūnu līdzsvarošana bez zaudējumiem
- Redox Shuttle
1. Pasīvā šūnu līdzsvarošana
Pasīvā šūnu balansēšanas metode ir visvienkāršākā metode. To var izmantot vietās, kur izmaksas un izmērs ir galvenie ierobežojumi. Tālāk ir minēti divi pasīvās šūnu balansēšanas veidi.
Uzlāde Manevrēšana
Šajā metodē lieko spriegumu kā rezistoru izmanto, lai izlādētu lieko spriegumu un izlīdzinātu to ar citām šūnām. Šos rezistorus sauc par apvedceļa vai pretestības rezistoriem. Katrai šūnai, kas sērijveidā savienota iepakojumā, būs savs apvedceļa rezistors, kas savienots caur slēdzi, kā parādīts zemāk.
Iepriekš minētajā parauga ķēdē ir redzamas četras šūnas, no kurām katra ir savienota ar diviem apvedceļa rezistoriem, izmantojot slēdzi, piemēram, MOSFET. Kontrolieri mēra visu četru šūnu spriegumu un ieslēdz šūnas, kuras spriegums ir lielāks nekā pārējās šūnas, mosfetu. Kad mosfet ir ieslēgts, šī konkrētā šūna sāk izlādēties caur rezistoriem. Tā kā mēs zinām rezistoru vērtību, mēs varam paredzēt, cik lielu daudzumu šūna izkliedē. Kondensators, kas savienots paralēli kamerai, tiek izmantots sprieguma svārstību filtrēšanai pārslēgšanās laikā.
Šī metode nav ļoti efektīva, jo elektriskā enerģija tiek izkliedēta kā siltums rezistoros, un ķēde arī ņem vērā komutācijas zudumus. Vēl viens trūkums ir tāds, ka visa izlādes strāva plūst caur mosfetu, kas galvenokārt tiek iebūvēta kontroliera IC, un tāpēc izlādes strāva ir jāierobežo ar zemām vērtībām, kas palielina izlādes laiku. Viens no veidiem, kā novērst trūkumu, ir izmantot ārēju slēdzi, lai palielinātu izlādes strāvu, kā parādīts zemāk
Iekšējo P-kanāla MOSFET iedarbinās kontrolieris, kas izraisa šūnas izlādi (I-novirze) caur rezistoriem R1 un R2. R2 vērtība tiek izvēlēta tā, ka sprieguma kritums, kas notiek visā izlādes strāvas plūsmas dēļ (I-novirze), ir pietiekams, lai iedarbinātu otro N kanālu MOSFET. Šo spriegumu sauc par vārtu avota spriegumu (Vgs), un strāvu, kas nepieciešama MOSFET novirzīšanai, sauc par novirzes strāvu (I-slīpumu).
Kad N-kanāla MOSFET ir ieslēgts, strāva tagad plūst caur balansēšanas rezistoru R-Bal . Šī rezistora vērtība var būt zema, ļaujot tai iziet vairāk strāvas un tādējādi ātrāk izlādējot akumulatoru. Šo strāvu sauc par drenāžas strāvu (I-drenāža). Šajā ķēdē kopējā izlādes strāva ir iztukšošanas strāvas un novirzes strāvas summa. Kad kontrolieris izslēdz P-kanāla MOSFET, novirzes strāva ir nulle un līdz ar to arī spriegums Vgs kļūst nulle. Tas izslēdz N-kanālu MOSFET, atstājot akumulatoru, lai atkal iegūtu ideālu.
Pasīvo šūnu balansēšanas IC
Kaut arī pasīvās balansēšanas tehnika nav efektīva, šīs vienkāršības un zemo izmaksu dēļ to parasti izmanto. Aparatūras projektēšanas vietā varat izmantot arī dažus viegli pieejamus IC, piemēram, LTC6804 un BQ77PL900 no tādiem slaveniem ražotājiem kā Linear un Texas instrumenti. Šos IC var veikt kaskādē, lai uzraudzītu vairākas šūnas, un tiek ietaupīts izstrādes laiks un izmaksas.
Maksas ierobežošana
Lādēšanas ierobežošanas metode ir visneefektīvākā no visām. Šeit tiek ņemta vērā tikai akumulatora drošība un kalpošanas laiks, vienlaikus atsakoties no efektivitātes. Šajā metodē atsevišķu elementu spriegumi tiek nepārtraukti kontrolēti.
Lādēšanas procesā pat tad, ja viena šūna sasniedz pilnu uzlādes spriegumu, lādēšana tiek pārtraukta, atstājot pārējās šūnas pusi no ceļa. Līdzīgi izlādes laikā, pat ja viena šūna sasniedz minimālo izslēgšanās spriegumu, akumulatora komplekts tiek atvienots no slodzes, līdz pakete atkal tiek uzlādēta.
Lai gan šī metode ir neefektīva, tā samazina izmaksas un izmēru prasības. Tāpēc to izmanto lietojumprogrammā, kurā bieži var uzlādēt akumulatorus.
2. Aktīva šūnu līdzsvarošana
Pasīvās šūnas līdzsvarošanā netika izmantots liekais lādiņš, tāpēc tas tiek uzskatīts par neefektīvu. Tā kā aktīvajā līdzsvarošanā liekā lādiņa formā viena šūna tiek pārnesta uz citu mazu lādiņu, lai tās izlīdzinātu. Tas tiek panākts, izmantojot lādiņu uzkrāšanas elementus, piemēram, kondensatorus un induktorus. Ir daudzas metodes, kā veikt aktīvo šūnu līdzsvarošanu, ļaujot apspriest parasti izmantotās.
Uzlādes vilcieni (lidojošie kondensatori)
Šī metode izmanto kondensatorus, lai pārsūtītu lādiņu no augstsprieguma šūnas uz zema sprieguma šūnu. Kondensators ir savienots, izmantojot SPDT slēdžus. Sākotnēji slēdzis savieno kondensatoru ar augstsprieguma elementu, un, tiklīdz kondensators ir uzlādēts, slēdzis to savieno ar zemsprieguma šūnu, kur maksa no kondensatora ieplūst šūnā. Tā kā maksa tiek pārvietota starp šūnām, šo metodi sauc par lādiņu pārvietošanu. Zemāk redzamajam attēlam vajadzētu palīdzēt labāk saprast.
Šos kondensatorus sauc par lidojošajiem kondensatoriem, jo lidojums starp zemsprieguma un augstsprieguma šūnām, kas pārvadā lādētājus. Šīs metodes trūkums ir tāds, ka lādiņu var pārnest tikai starp blakus esošajām šūnām. Tas prasa arī vairāk laika, jo kondensators ir jāuzlādē un pēc tam jāizlādē, lai pārsūtītu lādiņus. Tas ir arī ļoti mazefektīvs, jo kondensatora uzlādes un izlādes laikā tiks zaudēti enerģija, un ir jāņem vērā arī komutācijas zudumi. Zemāk redzamajā attēlā parādīts, kā lidojošais kondensators tiks savienots akumulatorā
Induktīvais pārveidotājs (Buck Boost metode)
Vēl viena aktīvās šūnu balansēšanas metode ir induktoru un komutācijas ķēžu izmantošana. Šajā metodē komutācijas ķēde sastāv no spraugas pārveidotāja . Lādiņš no augstsprieguma šūnas tiek iesūknēts induktorā un pēc tam tiek izvadīts zemsprieguma šūnā, izmantojot spraugas pārveidotāju. Zemāk redzamais attēls attēlo induktīvo pārveidotāju, kurā ir tikai divas šūnas un viens spraugas pārveidotājs.
Iepriekšminētajā ķēdē lādiņu var pārsūtīt no 1. šūnas uz 2. šūnu, pārslēdzot MOSFETS sw1 un sw2 šādā veidā. Vispirms slēdzis SW1 ir aizvērts, tāpēc lādiņš no 1. kameras ieplūst induktorā ar strāvas I lādiņu. Kad induktors ir pilnībā uzlādēts, SW1 slēdzis tiek atvērts un slēdzis sw2 ir aizvērts.
Tagad pilnībā uzlādēts induktors mainīs polaritāti un sāks izlādēties. Šoreiz lādiņa forma induktors ieplūst šūnā2 ar pašreizējo I izlādi. Kad induktors ir pilnībā izlādējies, slēdzis sw2 tiek atvērts un slēdzis sw1 ir aizvērts, lai atkārtotu procesu. Zemāk redzamās viļņu formas palīdzēs jums iegūt skaidru priekšstatu.
Laikā t0 slēdzis sw1 ir aizvērts (ieslēgts), kas noved pie tā, ka palielinās strāva, kuru es uzlādēju, un palielinās induktora spriegums (VL). Tad, kad induktors ir pilnībā uzlādēts laikā t1, slēdzis sw1 tiek atvērts (izslēgts), kas liek induktoram izlādēt iepriekšējā solī uzkrāto lādiņu. Kad induktors izlādējas, tas maina polaritāti, tāpēc spriegums VL tiek parādīts negatīvā. Izlādējot izlādes strāvu (I izlāde) samazinās no tās maksimālās vērtības. Visa šī strāva nonāk šūnā 2, lai to uzlādētu. Ir atļauts neliels intervāls no laika t2 līdz t3, un pēc tam pie t3 viss cikls atkārtojas vēlreiz.
Arī šai metodei ir liels trūkums, ka lādiņu varēja pārnest tikai no augstākas šūnas uz zemāku šūnu. Jāņem vērā arī komutācijas zudumi un diodes sprieguma kritums. Bet tas ir ātrāks un efektīvāks nekā kondensatora metode.
Induktīvais pārveidotājs (lidojums atpakaļ)
Kā mēs apspriedām buka palielināšanas pārveidotāja metodi, lādiņus no augstākas šūnas varēja pārsūtīt tikai no zemākās šūnas. Šo problēmu var novērst, izmantojot Fly back pārveidotāju un transformatoru. Flyback tipa pārveidotājā tinuma galvenā puse ir savienota ar akumulatoru un sekundārā puse ir pievienota katrai atsevišķai akumulatora šūnai, kā parādīts zemāk
Kā mēs zinām, akumulators darbojas ar līdzstrāvu, un transformatoram nebūs ietekmes, kamēr spriegums nav pārslēgts. Tātad, lai sāktu uzlādes procesu, tiek ieslēgts slēdzis primārās spoles pusē Sp. Tas pārveido līdzstrāvu par impulsa līdzstrāvu un tiek aktivizēta transformatora primārā puse.
Tagad sekundārajā pusē katrai šūnai ir savs slēdzis un sekundārā spole. Pārslēdzot zemsprieguma šūnas mosfetu, mēs varam panākt, lai konkrētā spole darbotos kā sekundāra transformatoram. Tādā veidā lādiņš no primārās spoles tiek pārnests uz sekundāro spoli. Tas noved pie tā, ka akumulatora bloka kopējais spriegums izlādējas vājā šūnā.
Šīs metodes lielākā priekšrocība ir tā, ka jebkuru vāju šūnu iepakojumā var viegli uzlādēt no iepakojuma sprieguma, nevis konkrēta šūna ir izlāde. Bet, tā kā tas ir saistīts ar transformatoru, tas aizņem lielu vietu un ķēdes sarežģītība ir augsta.
3. Līdzsvarošana bez zaudējumiem
Balansēšana bez zaudējumiem ir nesen izstrādāta metode, kas samazina zaudējumus, samazinot aparatūras komponentus un nodrošinot lielāku programmatūras kontroli. Tas arī padara sistēmu vienkāršāku un vieglāk noformējamu. Šajā metodē tiek izmantota matricas komutācijas shēma, kas nodrošina iespēju pievienot vai izņemt šūnu no iepakojuma uzlādes un izlādes laikā. Zemāk parādīta vienkārša matricas komutācijas ķēde astoņām šūnām.
Lādēšanas laikā augstsprieguma šūna tiks noņemta no iepakojuma, izmantojot slēdža kārtību. Iepriekš redzamajā attēlā šūna 5 tiek izņemta no iepakojuma, izmantojot slēdžus. Uzskatiet, ka sarkanās līnijas apļi ir atvērti slēdži, un zilās līnijas apļi - slēgtie slēdži. Tādējādi lādēšanas laikā vājāko šūnu atpūtas laiks tiek palielināts, lai tās līdzsvarotu uzlādes laikā. Bet lādēšanas spriegums ir attiecīgi jāpielāgo. To pašu paņēmienu var ievērot arī izlādes laikā.
4. Redox Shuttle
Galīgā metode nav paredzēta aparatūras dizaineriem, bet gan ķīmijas inženieriem. Svina skābes akumulatorā mums nav šūnu līdzsvarošanas problēmu, jo, kad svina skābes akumulators ir pārāk uzlādēts, tas izraisa gāzu veidošanos, kas neļauj tai pārmērīgi uzlādēt. Redox shuttle ideja ir mēģināt panākt tādu pašu efektu uz litija šūnām, mainot litija šūnas elektrolīta ķīmiju. Šim modificētajam elektrolītam jānovērš šūnas pārmērīga uzlāde.
Šūnu līdzsvarošanas algoritmi
Efektīvai šūnu līdzsvarošanas tehnikai aparatūra jāapvieno ar pareizu algoritmu. Šūnu līdzsvarošanai ir daudz algoritmu, un tas ir atkarīgs no aparatūras dizaina. Bet veidus var sadalīt divās dažādās sadaļās.
Atvērtās ķēdes sprieguma (OCV) mērīšana
Šī ir vieglākā un visbiežāk izmantotā metode. Šeit katrai šūnai mēra atvērto šūnu spriegumu, un šūnu balansēšanas ķēde darbojas, lai izlīdzinātu visu virknē savienoto šūnu sprieguma vērtības. Ir viegli izmērīt OCV (atvērtās ķēdes spriegumu), tāpēc šī algoritma sarežģītība ir mazāka.
Uzlādes laika (SOC) mērīšana
Šajā metodē šūnu SOC ir līdzsvaroti. Kā mēs jau zinām, šūnas SOC mērīšana ir sarežģīts uzdevums, jo mums ir jāņem vērā šūnas spriegums un strāva noteiktā laika periodā, lai aprēķinātu SOC vērtību. Šis algoritms ir sarežģīts un tiek izmantots vietās, kur nepieciešama augsta efektivitāte un drošība, piemēram, kosmosa un kosmosa rūpniecībā.
Ar to šeit ir pabeigts raksts. Ceru, ka tagad jums ir īsa ideja par to, kāda ir šūnu līdzsvarošana, kā to īsteno aparatūras un programmatūras līmenī. Ja jums ir kādas idejas vai paņēmieni, kopīgojiet tos komentāru sadaļā vai izmantojiet forumus, lai saņemtu tehnisko palīdzību.