Cellbalanseringstekniker och hur man använder dem

En nominell litiumcell är endast klassad för cirka 4,2 V, men i sina applikationer som EV, bärbar elektronik, bärbara datorer, kraftbanker etc behöver vi mycket högre spänning än dess nominella spänning. Detta är anledningen till att designers kombinerar mer än en cell i serie för att bilda ett batteripaket med högre spänningsvärden. Som vi vet från vår tidigare artikel om elbilsbatterier, när batterier kombineras i serie blir spänningsvärdet adderat. Till exempel när fyra litiumceller på 4,2 V är anslutna i serie blir den effektiva utspänningen för det resulterande batteripaketet 16,8 V.

Men du kan tänka dig att ansluta många celler i serie är som att montera många hästar på en vagn. Endast om alla hästar springer i samma hastighet kommer vagnen att köras med maximal effektivitet. Av fyra hästar om en häst springer långsamt, måste de andra tre också minska deras hastighet och därmed minska effektiviteten och om en häst springer snabbare skulle det så småningom skada sig själv genom att dra i de andra tre hästarnas last. På samma sätt, när fyra celler är anslutna i serie, bör spänningsvärdena för alla de fyra cellerna vara lika för att härleda batteripaketet med maximal effektivitet. Metoden för att upprätthålla alla cellspänningar lika är kallad för cellbalansering. I den här artikeln kommer vi att lära oss mer om cellbalansering och även kort om hur man använder dem på hårdvaru- och programvarunivå.

Varför behöver vi cellbalansering?

Cellbalansering är en teknik där spänningsnivåerna för varje enskild cell som är ansluten i serie för att bilda ett batteripaket bibehålls vara lika för att uppnå maximal effektivitet för batteripaketet. När olika celler kombineras för att bilda ett batteripaket ser man alltid till att de har samma kemi- och spänningsvärde. Men när paketet är installerat och utsätts för laddning och urladdning tenderar spänningsvärdena för de enskilda cellerna att variera på grund av några skäl som vi kommer att diskutera senare. Denna variation i spänningsnivåer orsakar cellbalansering vilket leder till ett av följande problem

Thermal Runaway

Det värsta som kan hända är termisk runaway. Som vi vet är litiumceller mycket känsliga för överladdning och överladdning. I en förpackning med fyra celler om en cell är 3,5V medan den andra är 3,2V laddas laddningen av alla celler tillsammans eftersom de är i serie och det laddar 3,5V-cellen till mer än rekommenderad spänning eftersom de andra batterierna fortfarande är kräver laddning.

Cellnedbrytning

När en litiumcell överladdas till och med något över det rekommenderade värdet minskas cellens effektivitet och livscykel. Till exempel kommer en liten ökning av laddningsspänningen från 4,2V till 4,25V att försämra batteriet snabbare med 30%. Så om cellbalansering inte är exakt, minskar även liten överladdning batteriets livslängd.

Ofullständig laddning av Pack

Eftersom batterierna i en förpackning blir äldre kan få celler vara svagare än dess närliggande celler. Dessa veckor kommer celler att vara ett stort problem eftersom de laddas och urladdas snabbare än en normal frisk cell. När du laddar ett batteripaket med serieceller bör laddningsprocessen stoppas även om en cell når maximal spänning. På så sätt laddas de två cellerna i ett batteripaket i veckan snabbare och därmed kommer de återstående cellerna inte att laddas maximalt enligt nedan.

Ofullständig användning av förpackningsenergi

På samma sätt i samma fall när batteripaketet laddas ur kommer de svagare cellerna att urladdas snabbare än den friska cellen och de kommer att nå minimispänningen snabbare än andra celler. Som vi lärde oss i vår BMS-artikel kommer paketet att kopplas bort från belastning även om en cell når minimispänningen. Detta leder till den oanvända kapaciteten hos förpackningsenergin som visas nedan.

Med hänsyn till alla ovanstående möjliga nackdelar kan vi dra slutsatsen att en cellbalansering skulle vara obligatorisk för att använda batteripaketet till dess maximala effektivitet. Det finns fortfarande få applikationer där initialkostnaden bör vara mycket låg och batteribyte inte är ett problem i dessa applikationer kan cellbalansering undvikas. Men i de flesta applikationer inklusive elektriska fordon är cellbalansering obligatorisk för att få ut maximal juice från batteripaketet.

Vad orsakar cellutjämning i batterier?

Nu vet vi varför det är viktigt att hålla alla celler balanserade i ett batteripaket. Men för att lösa problemet ordentligt bör vi veta varför cellerna blir obalanserade i första hand. Som tidigare nämnts när ett batteripaket bildas genom att placera cellerna i serie, se till att alla celler har samma spänningsnivåer. Så ett nytt batteripaket kommer alltid att ha balanserade celler. Men när förpackningen tas i bruk blir cellerna obalanserade av följande skäl.

SOC obalans

Att mäta SOC för en cell är komplicerat; det är därför mycket komplext att mäta SOC för enskilda celler i ett batteri. En idealisk cellbalanseringsteknik bör matcha cellerna med samma SOC istället för samma spänningsnivåer (OCV). Men eftersom det praktiskt taget inte är möjligt att celler endast matchas på spänningsvillkor när de gör ett paket, kan variationen i SOC leda till förändring i OCV med tiden.

Intern motståndsvariation

Det är väldigt svårt att hitta celler med samma inre motstånd (IR) och när batteriet åldras ändras även IR: n i cellen och därför har inte alla celler samma IR i ett batteripaket. Som vi vet bidrar IR till den inre impedansen hos cellen som bestämmer strömmen som flyter genom en cell. Eftersom IR varierar strömmen genom cell och dess spänning också varieras.

Temperatur

Cellens laddnings- och urladdningskapacitet beror också på temperaturen runt den. I ett enormt batteripaket som i elbilar eller soluppsättningar fördelas cellerna över avfallsområden och det kan finnas temperaturskillnad mellan själva förpackningen som får en cell att ladda eller urladdas snabbare än de återstående cellerna som orsakar obalans.

Av ovanstående skäl är det tydligt att vi inte kan förhindra att celler blir obalanserade under operationen. Så den enda lösningen är att använda ett externt system som tvingar cellerna att balanseras igen efter att de har blivit obalanserade. Detta system kallas Battery Balancing System. Det finns många olika typer av hårdvaru- och programvarutekniker som används för att balansera battericeller. Låt oss diskutera typer och allmänt använda tekniker.

Typer av battericellbalansering

Cellbalanseringstekniker kan i stort sett klassificeras i följande fyra kategorier som listas nedan. Vi kommer att diskutera om varje kategori.

1. Passiv cellbalansering
2. Aktiv cellbalansering
3. Lossless Cell Balancing
4. Redox Shuttle

1. Passiv cellbalansering

Passiv cellbalanseringsmetod är den enklaste metoden för alla. Den kan användas på platser där kostnad och storlek är stora begränsningar. Följande är de två typerna av passiv cellbalansering.

Charge Shunting

I denna metod används en dummybelastning som ett motstånd för att urladda överspänningen och utjämna den med andra celler. Dessa motstånd kallas bypass-motstånd eller blödningsmotstånd. Varje cell som är ansluten i serie i ett paket kommer att ha sitt eget bypassmotstånd anslutet via en omkopplare enligt bilden nedan.

Provkretsen ovan visar fyra celler som var och en är ansluten till två bypassmotstånd via en omkopplare som MOSFET. Controllers mäter spänningen för alla de fyra cellerna och slår på mosfet för cellen vars spänning är högre än de andra cellerna. När mosfet slås på börjar den specifika cellen att tömmas genom motstånden. Eftersom vi vet värdet på motstånd kan vi förutsäga hur mycket laddning som släpps ut av cellen. Kondensatorn ansluten parallellt med cellen används för att filtrera spänningspiggar under omkoppling.

Denna metod är inte särskilt effektiv eftersom elektrisk energi släpps ut som värme i motstånden och kretsen står också för kopplingsförluster. En annan nackdel är att hela urladdningsströmmen strömmar genom mosfet som oftast är inbyggt i styrenhetens IC och därför måste urladdningsströmmen begränsas till låga värden vilket ökar urladdningstiden. Ett sätt att övervinna nackdelen är att använda en extern brytare för att öka urladdningsströmmen som visas nedan

Den interna P-kanalen MOSFET kommer att utlösas av styrenheten som får cellen att urladdas (I-förspänning) genom motstånden R1 och R2. Värdet på R2 väljs på ett sådant sätt att spänningsfallet som inträffar över det på grund av flödet av urladdningsströmmen (I-bias) är tillräckligt för att utlösa den andra N-kanalens MOSFET. Denna spänning kallas grindkällspänningen (Vgs) och den ström som krävs för att förspänna MOSFET kallas förspänningsström (I-förspänning).

När N-kanal MOSFET är påslagen strömmar nu strömmen genom balanseringsmotståndet R-Bal . Värdet på detta motstånd kan vara lågt så att mer ström kan passera genom det och därmed urladdar batteriet snabbare. Denna ström kallas som dräneringsström (I-drain). I denna krets är den totala urladdningsströmmen summan av dräneringsström och förspänningsström. När P-kanal MOSFET stängs av av styrenheten är förspänningsströmmen noll och därmed blir också spänningen Vgs noll. Detta stänger av N-kanals MOSFET och lämnar batteriet för att bli perfekt igen.

Passiva cellbalanserings-IC: er

Även om den passiva balanseringstekniken inte är effektiv används den oftare på grund av denna enkelhet och låga kostnad. Istället för att designa hårdvaran kan du också använda några lätta tillgängliga IC: er som LTC6804 och BQ77PL900 från kända tillverkare som Linear respektive Texas instrument. Dessa IC kan kaskaderas för att övervaka flera celler och sparar utvecklingstid och kostnad.

Avgiftsbegränsning

Laddningsbegränsningsmetoden är den mest ineffektiva metoden av alla. Här beaktas endast batteriets säkerhet och livslängd medan man ger upp effektiviteten. I denna metod övervakas de enskilda cellspänningarna kontinuerligt.

Även om en cell når full laddningsspänning under laddningsprocessen stoppas laddningen och lämnar de andra cellerna halva vägen. På samma sätt under urladdningen, även om en cell når den minsta avstängningsspänningen, kopplas batteripaketet från laddningen tills batteriet laddas igen.

Även om den här metoden är ineffektiv minskar den kraven på kostnader och storlek. Därför används den i en applikation där batterier ofta kan laddas.

2. Aktiv cellbalansering

Vid passiv cellbalansering användes inte överskottsladdningen, varför den anses vara ineffektiv. Medan vid aktiv balansering av överskottsladdningen överförs en cell till en annan cell med låg laddning för att utjämna dem. Detta uppnås genom att använda laddningselement som kondensatorer och induktorer. Det finns många metoder för att utföra aktiv cellbalansering kan diskutera de vanliga.

Charge Shuttles (flygande kondensatorer)

Denna metod använder kondensatorer för att överföra laddning från högspänningscell till lågspänningscell. Kondensatorn är ansluten via SPDT-omkopplare initialt kopplar strömbrytaren kondensatorn till högspänningscellen och när kondensatorn är laddad ansluter strömbrytaren den till lågspänningscellen där laddningen från kondensatorn strömmar in i cellen. Eftersom laddningen skiftar mellan cellerna kallas denna metod som laddningsskyttlar. Nedanstående figur ska hjälpa dig att förstå bättre.

Dessa kondensatorer kallas flygkondensatorer eftersom flyget mellan lågspännings- och högspänningsceller som bär laddare. Nackdelen med denna metod är att laddning endast kan överföras mellan intilliggande celler. Det tar också mer tid eftersom kondensatorn måste laddas och sedan urladdas för att överföra laddningarna. Det är också mycket mindre effektivt eftersom det kommer att bli energiförluster under laddning och urladdning av kondensatorn och kopplingsförlusterna måste också redovisas. Bilden nedan visar hur flygkondensatorn kommer att anslutas i ett batteripaket

Induktiv omvandlare (Buck Boost-metod)

En annan metod för aktiv cellbalansering är att använda induktorer och omkopplingskretsar. I denna metod består omkopplingskretsen av en buck boost-omvandlare . Laddningen från högspänningscellen pumpas i induktorn och laddas sedan ut i lågspänningscellen med hjälp av buck boost-omvandlaren. Nedanstående figur representerar en induktiv omvandlare med endast två celler och en enda buck boost-omvandlare.

I ovanstående krets kan laddning överföras från cell 1 till cell 2 genom att växla MOSFETS swl och sw2 på följande sätt. Först stängs omkopplaren SW1, vilket gör att laddningen från cell 1 strömmar in i induktorn med aktuell I-laddning. När induktorn är fulladdad öppnas omkopplaren SW1 och omkopplaren sw2 stängs.

Nu kommer induktorn som är fulladdad att vända polariteten och börja urladdas. Den här gången strömmar laddningen från induktorn till cell2 med nuvarande I-urladdning. När induktorn är helt urladdad öppnas omkopplaren sw2 och omkopplaren swl stängs för att upprepa processen. Nedanstående vågformer hjälper dig att få en tydlig bild.

Under tiden t0 är omkopplaren sw1 stängd (påslagen) vilket leder till att strömmen I laddar för att öka och spänningen över induktorn (VL) ökar. Så snart induktorn är fulladdad vid tidpunkten t1 öppnas omkopplaren swl (avstängd) vilket får induktorn att ladda ur laddningen som den ackumulerade i föregående steg. När en induktor laddar ut ändrar den sin polaritet, varför spänningen VL visas negativt. Vid urladdning minskar urladdningsströmmen (I urladdning) från dess maximala värde. All denna ström kommer in i cell 2 för att ladda upp den. Ett litet intervall tillåts från tid t2 till t3 och sedan vid t3 upprepas hela cykeln igen.

Denna metod lider också av en stor nackdel att laddning endast kan överföras från högre celler till lägre celler. Förlusten av omkoppling och diodspänningsfall bör också beaktas. Men det är snabbare och effektivare än kondensatormetoden.

Induktiv omvandlare (Fly back based)

Som vi diskuterade kunde metoden för boost-boost-omvandlare bara överföra laddningar från den högre cellen till den nedre cellen. Detta problem kan undvikas med hjälp av en Fly back-omvandlare och en transformator. I en omvandlare av flyback-typ är den primära sidan av lindningen ansluten till batteripaketet och sekundärsidan är ansluten till varje enskild cell i batteripaketet som visas nedan

Som vi vet fungerar batteriet med likström och transformatorn har ingen effekt förrän spänningen kopplas om. Så för att starta laddningsprocessen växlas omkopplaren på den primära spolesidan Sp. Detta omvandlar DC till pulserad DC och transformatorns primära sida aktiveras.

Nu på sekundärsidan har varje cell sin egen omkopplare och sekundärspolen. Genom att byta mosfet till lågspänningscellen kan vi få den speciella spolen att fungera som en sekundär för transformatorn. På detta sätt överförs laddningen från den primära spolen till den sekundära spolen. Detta gör att batteriets totala spänning laddas ur i den svaga cellen.

Den största fördelen med denna metod är att alla svaga celler i förpackningen enkelt kan laddas från packningsspänningen och att ingen speciell cell är urladdningar. Men eftersom det involverar en transformator upptar den ett stort utrymme och kretsens komplexitet är hög.

3. Förlustfri balans

Lossless balansering är en nyligen utvecklad metod som minskar förluster genom att minska hårdvarukomponenterna och ge mer programvarukontroll. Detta gör systemet också enklare och enklare att utforma. Denna metod använder en matrisomkopplingskrets som ger möjlighet att lägga till eller ta bort en cell från ett paket under laddning och urladdning. En enkel matrisomkopplingskrets för åtta celler visas nedan.

Under laddningsprocessen kommer cellen med hög spänning att tas bort från förpackningen med hjälp av omkopplararrangemangen. I figuren ovan avlägsnas cellen 5 från förpackningen med hjälp av omkopplarna. Tänk på att de röda linjecirklarna är öppna brytare och den blå linjecirkeln som stängda omkopplare. Således ökar vilotiden för de svagare cellerna under laddningsprocessen för att balansera dem under laddning. Men laddningsspänningen måste justeras därefter. Samma teknik kan följas vid urladdning också.

4. Redox Shuttle

Den slutliga metoden är inte för hårdvarudesigners utan för kemitekniker. I blybatteri har vi inte problemet med cellbalansering, för när ett blybatteri är överladdat orsakar det gasning vilket förhindrar att det laddas för mycket. Tanken bakom Redox shuttle är att försöka uppnå samma effekt på litiumceller genom att ändra kemin i elektrolyten i litiumcellen. Denna modifierade elektrolyt bör förhindra att cellen blir överladdad.

Cellbalanseringsalgoritmer

En effektiv cellbalanseringsteknik bör kombinera hårdvaran med en korrekt algoritm. Det finns många algoritmer för cellbalansering och det beror på hårdvarudesignen. Men typerna kan kokas ner till två olika sektioner.

Mätning av öppen kretsspänning (OCV)

Detta är den enkla och vanligaste metoden. Här mäts de öppna cellspänningarna för varje cell och cellbalanseringskretsen fungerar för att utjämna spänningsvärdena för alla celler som är anslutna i serie. Det är enkelt att mäta OCV (öppen kretsspänning) och därför är komplexiteten hos denna algoritm mindre.

Measuring Sate of charge (SOC)

I denna metod balanseras cellernas SOC. Som vi redan vet är mätning av en cells SOC en komplex uppgift eftersom vi måste ta hänsyn till cellens spänning och strömvärde under en tidsperiod för att beräkna värdet på SOC. Denna algoritm är komplex och används på platser där hög effektivitet och säkerhet krävs som inom flyg- och rymdindustrin.

Detta avslutar artikeln här. Hoppas att du nu får en kort uppfattning om vad cellbalansering är hur det implementeras på hårdvaru- och programvarunivå. Om du har några idéer eller tekniker kan du dela dem i kommentarsektionen eller använda forumen för att få teknisk hjälp.