Методы балансировки ячеек в блоках аккумуляторов и как их использовать


Номинальное напряжение литиевого элемента составляет всего около 4,2 В, но в таких приложениях, как электромобили, портативная электроника, ноутбуки, блоки питания и т. д., нам требуется гораздо более высокое напряжение, чем его номинальное напряжение. По этой причине разработчики объединяют более одного элемента последовательно, чтобы сформировать аккумуляторную батарею с более высокими значениями напряжения. Как мы знаем, когда батареи соединяются последовательно, их значение напряжения суммируется. Например, когда четыре литиевых элемента по 4,2 В соединены последовательно, эффективное выходное напряжение полученного аккумуляторного блока составит 16,8 В.

Методы балансировки напряжения в блоках аккумуляторов и как их использовать

Но вы можете себе представить, что последовательное соединение множества аккумуляторов похоже на посадку множества лошадей в колесницу. Только если все лошади будут бежать с одинаковой скоростью, колесница будет двигаться с максимальной эффективностью. Если из четырех лошадей одна лошадь бежит медленно, то трем другим также приходится снижать скорость, тем самым снижая эффективность, а если одна лошадь бежит быстрее, она в конечном итоге повредит себя, потянув за собой груз трех других лошадей. Аналогичным образом, когда четыре элемента соединены последовательно, значения напряжения всех четырех элементов должны быть равны, чтобы аккумуляторная батарея работала с максимальной эффективностью. Метод поддержания одинакового напряжения всех ячеек (аккумуляторов) называется балансировкой ячеек (аккумуляторов). В этой статье мы узнаем больше о балансировке ячеек, а также кратко о том, как их использовать на аппаратном и программном уровне.

Зачем нам нужна балансировка ячеек?

Балансировка ячеек — это метод, при котором уровни напряжения каждой отдельной ячейки, соединенной последовательно, чтобы сформировать аккумуляторный блок, поддерживаются одинаковыми для достижения максимальной эффективности аккумуляторного блока. Когда разные элементы объединяются в аккумуляторную батарею, всегда необходимо убедиться, что они имеют одинаковый химический состав и значение напряжения. Но как только аккумулятор установлен и подвергается зарядке и разрядке, значения напряжения отдельных ячеек имеют тенденцию меняться по некоторым причинам, которые мы обсудим позже. Такое изменение уровней напряжения вызывает разбалансировку ячеек, что приводит к одной из следующих рассмотренных проблем.

Тепловой разгон

Самое худшее, что может случиться, это температурный разгон. Как мы знаем, литиевые элементы очень чувствительны к перезарядке и чрезмерной разрядке. В блоке из четырех элементов, если один элемент имеет напряжение 3,5 В, а другой - 3,2 В, заряд будет заряжать все элементы вместе, поскольку они включены последовательно, и зарядит элемент 3,5 В до напряжения, превышающего рекомендуемое, поскольку другие батареи все еще разряжены (требуют зарядки).

Деградация аккумуляторов

Когда литиевый элемент перезаряжается даже немного выше рекомендуемого значения, эффективность и срок службы элемента снижаются. Например, небольшое увеличение зарядного напряжения с 4,2 В до 4,25 В приведет к ускорению разрядки аккумулятора на 30%. Таким образом, если балансировка элементов в блоке аккумуляторов не точна, даже небольшая перезарядка (сверх нормы) сократит срок службы всей батареи.

Неполная зарядка аккумуляторов

По мере старения батарей в блоке несколько ячеек могут оказаться "слабее" соседних ячеек. Эти элементы станут огромной проблемой, поскольку они будут заряжаться и разряжаться быстрее, чем обычные "здоровые" аккумуляторы. При зарядке аккумуляторной батареи с последовательными элементами процесс зарядки следует остановить, даже если один элемент достигает максимального напряжения. Таким образом, если две ячейки в аккумуляторном блоке имеют меньшую емкость чем другие, они будут заряжаться быстрее, и, таким образом, оставшиеся ячейки не будут заряжаться до максимального уровня, как показано на следующем рисунке.

Неполная зарядка блока аккумуляторов

Неполное использование энергии блока аккумуляторов

Аналогично, в том же случае, когда аккумуляторная батарея разряжается, более слабые элементы будут разряжаться быстрее, чем здоровые элементы, и они достигнут минимального напряжения быстрее, чем другие элементы. В этом случае блок будет отключен от нагрузки, даже если одна ячейка достигнет минимального напряжения. Это приводит к неиспользованной емкости остальных аккумуляторов, как показано на рисунке ниже.

Неполная разрядка блока аккумуляторов

Принимая во внимание все вышеперечисленные возможные недостатки, мы можем заключить, что балансировка ячеек будет обязательной для использования аккумуляторной батареи с максимальной эффективностью. Тем не менее, существует несколько приложений, где первоначальные затраты должны быть очень низкими, а замена батареи не является проблемой, и в этих приложениях балансировки ячеек можно избежать. Но в большинстве случаев, включая электромобили, балансировка ячеек обязательна, чтобы максимально эффективно использовать аккумулятор.

Что вызывает дисбаланс ячеек в аккумуляторных блоках?

Теперь мы знаем, почему важно поддерживать баланс всех ячеек в аккумуляторном блоке. Но чтобы правильно решить эту проблему, мы должны знать, почему ячейки становятся несбалансированными. Как говорилось ранее, когда аккумуляторный блок формируется путем последовательного размещения ячеек, необходимо убедиться, что все ячейки имеют одинаковые уровни напряжения. Таким образом, новый аккумуляторный блок всегда будет иметь сбалансированные элементы. Однако по мере эксплуатации блока его элементы разбалансируются по следующим причинам.

Дисбаланс SOC

SoC (State of Charge) – непосредственно показатель заряда, который измеряется в процентах и дает знать, сколько заряда доступно для использования. Очень сложно измерить SOC отдельных ячеек батареи. Идеальный метод балансировки ячеек должен соответствовать ячейкам с одинаковым SOC, а не с одинаковыми уровнями напряжения (OCV, Open Circuit Voltage). Но поскольку при изготовлении блока практически невозможно, чтобы элементы согласовывались только по напряжению, изменение SOC может со временем привести к изменению OCV.

Изменение внутреннего сопротивления

Очень сложно найти элементы с одинаковым внутренним сопротивлением (IR, Internal Resistance), и с возрастом батареи IR элемента также меняется, и поэтому в аккумуляторном блоке не все элементы будут иметь одинаковое IR. Как мы знаем, внутреннее сопротивление ячейки определяет ток, протекающий через ячейку. Поскольку IR изменяется, ток через элемент и его напряжение также меняются.

Температура

Зарядная и разрядная емкость элемента также зависит от температуры вокруг него. В огромном аккумуляторном блоке, например, в электромобилях или солнечных батареях, элементы распределены по различным местам, и между самой батареей может быть разница температур, из-за которой один элемент заряжается или разряжается быстрее, чем остальные элементы, что приводит к дисбалансу.

Из вышеизложенных причин ясно, что мы не можем предотвратить разбалансировку отдельных аккумуляторов в блоке в процессе его эксплуатации. Таким образом, единственное решение — использовать внешнюю систему, которая заставляет ячейки снова прийти в баланс после того, как они разбалансировались. Эта система называется системой балансировки аккумуляторов. Для балансировки аккумуляторных элементов используется множество различных типов аппаратных и программных методов. Давайте рассмотрим наиболее широко используемые из них.

Типы балансировки аккумуляторных ячеек

Методы балансировки ячеек можно в общих чертах разделить на следующие четыре категории:

  1. Пассивная балансировка ячеек.
  2. Активная балансировка ячеек.
  3. Балансировка ячеек без потерь.
  4. Redox Shuttle.

Рассмотрим каждую из этих категорий более подробно.

1. Пассивная балансировка ячеек

Метод пассивной балансировки ячеек — самый простой из всех. Его можно использовать там, где стоимость и размер являются основными ограничениями. Ниже приведены два типа пассивной балансировки ячеек.

Шунтирование заряда

В этом методе для разряда избыточного напряжения и выравнивания его с другими элементами используется искусственная нагрузка, такая как резистор. Эти резисторы называются шунтирующими резисторами или резисторами сброса напряжения. Каждая ячейка, соединенная последовательно в блоке, будет иметь свой собственный шунтирующий резистор, подключенный через переключатель, как показано ниже.

Пассивная балансировка ячеек с помощью шунтирующих резисторов

На приведенном рисунке показаны четыре ячейки, каждая из которых подключена к двум шунтирующим резисторам через переключатель типа MOSFET (МОП-транзистор). Контроллеры измеряют напряжение всех четырех ячеек и включают МОП-транзистор для ячейки, напряжение которой выше, чем у других ячеек. Когда МОП-транзистор включен, эта конкретная ячейка начинает разряжаться через резисторы. Поскольку мы знаем номинал резисторов, мы можем предсказать, сколько заряда рассеивается ячейкой. Конденсатор, подключенный параллельно ячейке, используется для фильтрации скачков напряжения во время переключения.

Этот метод не очень эффективен, поскольку электрическая энергия рассеивается в виде тепла в резисторах, а в схеме также учитываются потери на переключение. Другим недостатком является то, что весь ток разряда протекает через МОП-транзистор, который в основном встроен в микросхему контроллера, и, следовательно, ток разряда приходится ограничивать низкими значениями, что увеличивает время разряда. Одним из способов преодоления этого недостатка является использование внешнего переключателя для увеличения тока разряда, как показано ниже.

Использование внешнего переключателя для пассивной балансировки ячеек

Внутренний МОП-транзистор с P-каналом запускается контроллером, что вызывает разряд ячейки (I-смещение) через резисторы R1 и R2. Величина R2 выбрана таким образом, чтобы падение напряжения, возникающее на нем из-за протекания тока разряда (I-смещение), было достаточным для запуска второго N-канального МОП-транзистора. Это напряжение называется напряжением затвор-исток (Vgs), а ток, необходимый для смещения МОП-транзистора, называется током смещения (I-bias).

После включения N-канального МОП-транзистора ток течет через балансировочный резистор R-Bal. Значение этого резистора может быть низким, что позволяет пропускать больший ток и, таким образом, быстрее разряжать батарею. Этот ток называется током стока (I-сток). В этой схеме общий ток разряда представляет собой сумму тока стока и тока смещения. Когда P-канальный МОП-транзистор выключается контроллером, ток смещения равен нулю, и, следовательно, напряжение Vgs также становится равным нулю. Это отключает N-канальный МОП-транзистор, и батарея снова становится идеальной.

Микросхемы для пассивной балансировки ячеек

Несмотря на то, что метод пассивной балансировки неэффективен, он используется чаще из-за своей простоты и низкой стоимости. Вместо проектирования аппаратного обеспечения вы также можете использовать несколько доступных микросхем, таких как LTC6804 и BQ77PL900 от известных производителей, таких как Linear и Texas Instruments соответственно. Эти микросхемы можно каскадировать для мониторинга нескольких ячеек, что экономит время и затраты на разработку.

Ограничение заряда

Метод ограничения заряда — самый неэффективный метод из всех. Здесь учитываются только безопасность и срок службы батареи, при этом отказываясь от эффективности. В этом методе напряжение отдельных ячеек постоянно контролируется.

Во время процесса зарядки, даже если одна ячейка достигает напряжения полного заряда, зарядка прекращается, а остальные ячейки остаются на половине пути. Аналогичным образом, во время разрядки, даже если один элемент достигает минимального напряжения отключения, аккумуляторная батарея отключается от нагрузки до тех пор, пока батарея снова не будет заряжена.

Хотя этот метод неэффективен, он снижает требования к стоимости и размерам. Следовательно, он используется в приложениях, где батареи можно часто заряжать.

2. Активная балансировка ячеек

При балансировке пассивных ячеек избыточный заряд не использовался, поэтому он считается неэффективным. Тогда как при активной балансировке избыточный заряд из одной ячейки переносится в другую ячейку с низким зарядом для их выравнивания. Это достигается за счет использования элементов хранения заряда, таких как конденсаторы и индукторы. Существует множество методов выполнения активной балансировки ячеек. Давайте обсудим наиболее часто используемые из них.

Зарядные "челноки" ("летающие" конденсаторы)

В этом методе используются конденсаторы для передачи заряда от ячейки высокого напряжения к ячейке низкого напряжения. Конденсатор подключается через однополюсные переключатели. Первоначально переключатель соединяет конденсатор с ячейкой высокого напряжения, а как только конденсатор заряжается, переключатель соединяет его с ячейкой низкого напряжения, где заряд конденсатора перетекает в ячейку. Поскольку заряд перемещается между ячейками, этот метод называется переносом заряда. Рисунок ниже должен помочь вам лучше понять этот принцип.

Активная балансировка ячеек с помощью "летающих" конденсаторов

Эти конденсаторы называются летающими конденсаторами, поскольку они летают между элементами низкого и высокого напряжения, несущими зарядные устройства. Недостатком этого метода является то, что заряд может передаваться только между соседними ячейками. Кроме того, для передачи заряда требуется больше времени, поскольку конденсатор необходимо зарядить, а затем разряжать. Это также не очень эффективно, поскольку во время зарядки и разрядки конденсатора будут потери энергии, а также необходимо учитывать потери на переключение. На изображении ниже показано, как летающий конденсатор будет подключен к аккумуляторной батарее.

Способ подключения летающего конденсатора к батарее

Индуктивный преобразователь (метод Buck Boost)

Другой метод балансировки активных ячеек — использование индукторов и переключающих схем. В этом методе схема переключения состоит из понижающего повышающего преобразователя. Заряд из ячейки высокого напряжения нагнетается в индуктор, а затем разряжается в ячейку низкого напряжения с помощью повышающего преобразователя. На рисунке ниже представлен индуктивный преобразователь только с двумя ячейками и одним понижающим повышающим преобразователем.

Активная балансировка ячеек с помощью индуктивного преобразователя

В приведенной схеме заряд может быть перенесен из ячейки 1 в ячейку 2 путем переключения МОП-транзисторов sw1 и sw2 следующим образом. Сначала переключатель SW1 замыкается, это заставляет заряд из ячейки 1 течь в индуктор с током I-заряда. Как только индуктор полностью заряжен, переключатель SW1 размыкается, а переключатель SW2 закрывается.

Теперь полностью заряженный индуктор изменит полярность и начнет разряжаться. На этот раз заряд из индуктора перетекает в ячейку 2 с током I-разряда. Как только индуктор полностью разряжается, переключатель SW2 размыкается, а переключатель SW1 закрывается, чтобы повторить процесс. Приведенные ниже графики помогут вам лучше понять эти процессы.

Графики изменения заряда в индуктивном преобразователе

В течение времени t0 переключатель sw1 замыкается (включается), что приводит к увеличению тока заряда I и увеличению напряжения на катушке индуктивности (VL). Затем, как только индуктор полностью заряжен в момент времени t1, переключатель sw1 размыкается (выключается), что заставляет индуктор разряжать заряд, накопленный на предыдущем этапе. Когда индуктор разряжается, он меняет свою полярность, поэтому напряжение VL отображается отрицательным. При разряде ток разряда (I разряда) уменьшается от максимального значения. Весь этот ток поступает в элемент 2 для его зарядки. Допускается небольшой интервал от времени t2 до t3, а затем в момент t3 весь цикл повторяется снова.

Этот метод также имеет существенный недостаток: заряд может передаваться только от ячейки более высокого уровня к ячейке более низкого уровня. Также следует учитывать потери при переключении и падение напряжения на диоде. Но это быстрее и эффективнее, чем конденсаторный метод.

Индуктивный преобразователь (на основе обратного хода)

Как мы уже рассмотрели, метод повышающего преобразователя может передавать заряды только из ячейки более высокого уровня в ячейку более низкого уровня. Этой проблемы можно избежать, используя обратноходовой преобразователь и трансформатор. В преобразователе обратноходового типа первичная сторона обмотки подключена к аккумуляторной батарее, а вторичная сторона подключена к каждой отдельной ячейке аккумуляторной батареи, как показано ниже.

Метод с индуктивным преобразователем на основе обратного хода

Как мы знаем, батарея работает от постоянного тока, и трансформатор не будет действовать, пока не будет переключено напряжение. Итак, чтобы начать процесс зарядки, переключатель на стороне первичной катушки Sp переключается. При этом постоянный ток преобразуется в импульсный, и активируется первичная обмотка трансформатора.

Теперь на вторичной стороне каждая ячейка имеет свой переключатель и вторичную катушку. Переключив МОП-транзистор низковольтной ячейки, мы можем заставить эту конкретную катушку работать в качестве вторичной обмотки трансформатора. Таким образом, заряд из первичной обмотки передается во вторичную. Это приводит к тому, что общее напряжение аккумуляторной батареи разряжается в слабый элемент.

Самым большим преимуществом этого метода является то, что любой слабый элемент в аккумуляторе можно легко зарядить от напряжения аккумулятора, а не конкретный элемент разряжается. Но поскольку в схеме используется трансформатор, он занимает большое пространство и поэтому сложность схемы высока.

3. Балансировка без потерь

Балансировка без потерь — это недавно разработанный метод, который снижает потери за счет уменьшения количества аппаратных компонентов и обеспечения большего программного контроля. Это также упрощает проектирование системы. В этом методе используется схема матричного переключения, которая обеспечивает возможность добавлять или удалять элементы из аккумулятора во время зарядки и разрядки. Простая схема включения матрицы на восемь ячеек показана ниже.

Принцип балансировки ячеек без потерь

Во время процесса зарядки элемент, находящийся под высоким напряжением, будет отключен из аккумулятора с помощью переключателей. На рисунке выше ячейка 5 отключается из блока с помощью переключателей. Считайте, что круги красной линии — это открытые переключатели, а круг синей линии — закрытые переключатели. Таким образом, время отдыха более слабых ячеек увеличивается во время процесса зарядки, чтобы сбалансировать их во время зарядки. Но напряжение зарядки должно быть соответствующим образом отрегулировано. Эту же технику можно использовать и во время разрядки.

4. Redox Shuttle

Последний метод предназначен не для разработчиков оборудования, а для инженеров-химиков. В свинцово-кислотных батареях нет проблем с балансировкой ячеек, потому что когда свинцово-кислотный аккумулятор излишне заряжен, это вызывает выделение газа, что предотвращает его перезаряд. Идея Redox Shuttle заключается в том, чтобы попытаться добиться того же эффекта на литиевых элементах, изменив химический состав электролита литиевого элемента. Этот модифицированный электролит должен предотвратить излишнюю зарядку элемента.

Алгоритмы балансировки ячеек

Эффективный метод балансировки ячеек должен сочетать аппаратное обеспечение с правильным алгоритмом. Существует множество алгоритмов балансировки ячеек, определяемых конструкцией оборудования. Но все это множество алгоритмов можно свести к двум основным типам.

Измерение напряжения холостого хода (OCV)

Это самый простой и наиболее часто используемый метод. Здесь напряжения открытых ячеек измеряются для каждой ячейки, и схема балансировки ячеек работает для выравнивания значений напряжения всех ячеек, соединенных последовательно. Измерить OCV (Open circuit voltage - напряжение холостого хода) просто, и, следовательно, сложность этого алгоритма меньше.

Измерение уровня заряда (SOC)

В этом методе SOC (State Of Charge - уровень заряда) ячеек сбалансирован. Как мы уже знаем, измерение SOC ячейки является сложной задачей, поскольку для расчета значения SOC нам необходимо учитывать значение напряжения и тока ячейки за определенный период времени. Этот алгоритм сложен и используется там, где требуется высокая эффективность и безопасность, например, в аэрокосмической и космической промышленности.

(Проголосуй первым!)
Загрузка...
155 просмотров

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *