Solujen tasapainottamistekniikat ja niiden käyttö

Nimellinen litiumkenno on mitoitettu vain noin 4,2 V: n jännitteelle, mutta sovelluksissa, kuten EV, kannettava elektroniikka, kannettavat tietokoneet, tehopankit jne., Vaaditaan paljon suurempaa jännitettä kuin sen nimellisjännite. Tämä on syy, miksi suunnittelijat yhdistävät useamman kuin yhden kennon sarjaan muodostaen korkeamman jännitteen akun. Kuten tiedämme edellisestä sähköajoneuvojen akkutuotteestamme, kun akut yhdistetään sarjaan, jännitteen arvo lasketaan yhteen. Esimerkiksi kun neljä 4,2 V: n litiumkennoa kytketään sarjaan, tuloksena olevan akun tehollinen lähtöjännite on 16,8 V.

Mutta voit kuvitella, että monien solujen yhdistäminen sarjaan on kuin monien hevosten kiinnittäminen vaunuihin. Vaunua ajetaan mahdollisimman tehokkaasti vain, jos kaikki hevoset juoksevat samalla nopeudella. Neljästä hevosesta, jos yksi hevonen juoksee hitaasti, myös muiden kolmen hevosen on vähennettävä nopeuttaan, mikä vähentää tehokkuutta ja jos yksi hevonen juoksee nopeammin, se vahingoittaisi itseään vetämällä kolmen muun hevosen kuorman. Vastaavasti, kun neljä kennoa kytketään sarjaan, kaikkien neljän kennon jännitearvojen tulisi olla yhtä suuret, jotta akku saadaan mahdollisimman tehokkaasti. Menetelmää kaikkien solujännitteiden pitämiseksi tasaisina kutsutaan solutasapainotukseksi. Tässä artikkelissa opitaan lisää solujen tasapainottamisesta ja myös lyhyesti siitä, miten niitä käytetään laitteisto- ja ohjelmistotasolla.

Miksi tarvitsemme solutasapainon?

Solutasapainotus on tekniikka, jossa jokaisen sarjassa akun muodostamiseksi kytketyn solun jännitetasot pidetään yhtä suurina akkuyksikön maksimaalisen hyötysuhteen saavuttamiseksi. Kun eri kennot yhdistetään yhteen akun muodostamiseksi, on aina varmistettava, että niiden kemia ja jännite ovat samat. Mutta kun paketti on asennettu ja altistettu lataukselle ja purkamiselle, yksittäisten kennojen jännite-arvot vaihtelevat joistakin syistä, joista keskustelemme myöhemmin. Tämä vaihtelu jännitetasoissa aiheuttaa solujen epätasapainon, mikä johtaa johonkin seuraavista ongelmista

Thermal Runaway

Pahin mitä voi tapahtua, on terminen pakeneminen. Kuten tiedämme, litium-solut ovat hyvin herkkiä ylikuormitukselle ja ylipurkaukselle. Neljän kennon pakkauksessa, jos yksi kenno on 3,5 V, kun taas toinen on 3,2 V, lataus lataa kaikki solut yhdessä, koska ne ovat sarjaan, ja se lataa 3,5 V: n kennon suositeltua suuremmalla jännitteellä, koska muut akut ovat vielä vaativat lataamista.

Solujen hajoaminen

Kun litiumkenno on ladattu edes hiukan suositellun arvon yläpuolella, solun tehokkuus ja elinkaari vähenevät. Esimerkiksi latausjännitteen pieni nousu 4,2 V: sta 4,25 V: seen heikentää akkua nopeammin 30%. Joten jos solujen tasapainotus ei ole tarkka, jopa pieni ylikuormitus lyhentää akun käyttöikää.

Pakkauksen keskeneräinen lataus

Pakkauksen paristojen vanhetessa harvat kennot saattavat olla heikompia kuin sen naapurisolut. Tämän viikon solut ovat valtava ongelma, koska ne latautuvat ja purkautuvat nopeammin kuin normaali terve solu. Ladattaessa akkua sarjakennoilla latausprosessi on lopetettava, vaikka yksi kenno saavuttaisi maksimijännitteen. Tällä tavalla, jos kaksi akun kennoa viikossa, ne latautuvat nopeammin, joten jäljellä olevia kennoja ei veloiteta enimmäismäärään alla olevan kuvan mukaisesti.

Pakkauksen energian puutteellinen käyttö

Vastaavasti samassa tapauksessa, kun akkua puretaan, heikommat kennot purkautuvat nopeammin kuin terve kennot ja ne saavuttavat minimijännitteen nopeammin kuin muut kennot. Kuten olemme oppineet BMS-artikkelistamme, pakkaus irrotetaan kuormituksesta, vaikka yksi kenno saavuttaisi minimijännitteen. Tämä johtaa pakkauksen energian käyttämättömään kapasiteettiin, kuten alla on esitetty.

Ottaen huomioon kaikki edellä mainitut mahdolliset haitat voidaan päätellä, että solujen tasapainottaminen olisi pakollista akun hyödyntämiseksi mahdollisimman tehokkaasti. Silti on olemassa muutamia sovelluksia, joissa alkukustannusten pitäisi olla hyvin alhaiset, ja paristojen vaihtaminen ei ole ongelma näissä sovelluksissa solujen tasapainottaminen voitaisiin välttää. Mutta useimmissa sovelluksissa, mukaan lukien sähköajoneuvot, solujen tasapainottaminen on pakollista, jotta saadaan mahdollisimman mehua akusta.

Mikä aiheuttaa solujen epätasapainon akuissa?

Nyt tiedämme, miksi kaikkien solujen pitäminen tasapainossa akussa on tärkeää. Mutta ongelman ratkaisemiseksi oikein meidän pitäisi tietää, miksi solut ovat epätasapainossa ensiksi. Kuten aiemmin kerrottiin, kun akku muodostetaan sijoittamalla kennot sarjaan, varmistetaan, että kaikki kennot ovat samalla jännitetasolla. Joten uudella akulla on aina tasapainoiset solut. Mutta kun pakkaus otetaan käyttöön, solut ovat epätasapainossa seuraavista syistä.

SOC-epätasapaino

Solun SOC-arvon mittaaminen on monimutkaista; näin ollen on erittäin monimutkaista mitata yksittäisten solujen SOC-arvoja akussa. Ihanteellisen solutasapainotustekniikan tulisi sopia saman SOC: n soluihin saman jännitetason (OCV) sijasta. Mutta koska käytännössä ei ole mahdollista, että soluja sovitetaan vain jänniteehdoilla pakkausta tehtäessä, SOC: n vaihtelu voi johtaa OCV: n muutokseen aikanaan.

Sisäinen vastuksen vaihtelu

On hyvin vaikea löytää saman sisäisen vastuksen (IR) soluja, ja pariston iän myötä myös solun IR muuttuu, joten akussa kaikilla soluilla ei ole samaa IR: ää. Kuten tiedämme, IR vaikuttaa solun sisäiseen impedanssiin, joka määrittää solun läpi virtaavan virran. Koska IR vaihtelee, kennon läpi kulkeva virta ja myös sen jännite vaihtelee.

Lämpötila

Solun lataus- ja purkuteho riippuu myös sen ympärillä olevasta lämpötilasta. Valtavassa akkuyksikössä, kuten sähköautoissa tai aurinkokennoissa, kennot jakautuvat jätealueille, ja itse pakkauksen välillä saattaa olla lämpötilaero, joka saa yhden solun latautumaan tai purkautumaan nopeammin kuin muut solut aiheuttavat epätasapainoa.

Edellä olevista syistä on selvää, että emme voi estää solujen epätasapainoa toiminnan aikana. Joten ainoa ratkaisu on käyttää ulkoista järjestelmää, joka pakottaa solut jälleen tasapainottumaan epätasapainon saavuttamisen jälkeen. Tätä järjestelmää kutsutaan akun tasapainotusjärjestelmäksi. Akkukennojen tasapainottamiseen käytetään monia erityyppisiä laitteisto- ja ohjelmistotekniikoita. Annetaan keskustella tyyppeistä ja laajasti käytetyistä tekniikoista.

Akkukennojen tasapainottamisen tyypit

Solutasapainotekniikat voidaan luokitella laajasti seuraaviin neljään luokkaan, jotka on lueteltu alla. Keskustelemme kustakin luokasta.

Passiivinen solutasapaino
Aktiivinen solujen tasapainotus
Häviötön solutasapaino
Redox-sukkula

1. Passiivinen solujen tasapainottaminen

Passiivinen solutasapainotusmenetelmä on yksinkertaisin menetelmä. Sitä voidaan käyttää paikoissa, joissa kustannukset ja koko ovat suurimpia rajoituksia. Seuraavat ovat passiivisen solutasapainon kahta tyyppiä.

Latauksen vaihtaminen

Tässä menetelmässä vastuksen kaltaista nuken kuormitusta käytetään ylijännitteen purkamiseen ja tasaamiseen muiden solujen kanssa. Näitä vastuksia kutsutaan ohitusvastuksiksi tai vuotaviksi vastuksiksi. Jokaisella sarjassa yhdistetyllä kennolla on oma ohitusvastus kytkettynä kytkimen kautta alla olevan kuvan mukaisesti.

Yllä olevassa näytepiirissä on neljä solua, joista kukin on kytketty kahteen ohitusvastukseen kytkimen, kuten MOSFET, kautta. Ohjaimet mittaavat kaikkien neljän kennon jännitteen ja kytkevät päälle kennon mosfetin, jonka jännite on muita kennoja korkeampi. Kun mosfet kytketään päälle, kyseinen kenno alkaa purkautua vastusten läpi. Koska tiedämme vastusten arvon, voimme ennustaa, kuinka paljon varausta kenno hävittää. Kennon kanssa kytkettyä kondensaattoria käytetään suodattamaan jännitepiikkejä kytkennän aikana.

Tämä menetelmä ei ole kovin tehokas, koska sähköenergia haihtuu vastusten lämmönä ja piiri kattaa myös kytkentähäviöt. Toinen haittapuoli on, että koko purkausvirta virtaa mosfetin läpi, joka on enimmäkseen rakennettu ohjainpiiriin ja siten purkausvirta on rajoitettava pieniin arvoihin, mikä lisää purkausaikaa. Yksi tapa poistaa haittapuoli on käyttää ulkoista kytkintä purkausvirran lisäämiseksi alla olevan kuvan mukaisesti

Sisäinen P-kanavan MOSFET laukaisee ohjain, joka saa solun purkautumaan (I-bias) vastusten R1 ja R2 kautta. R2: n arvo valitaan siten, että purkausvirran virtauksesta johtuvan jännitteen pudotus (I-bias) riittää toisen N-kanavan MOSFET: n laukaisemiseen. Tätä jännitettä kutsutaan hilalähteen jännitteeksi (Vgs) ja virtaa, jota tarvitaan MOSFETin esijännittämiseen, kutsutaan esijännitysvirraksi (I-bias).

Kun N-kanavainen MOSFET on kytketty päälle, virta kulkee nyt tasausvastuksen R-Bal läpi . Tämän vastuksen arvo voi olla pieni, jolloin sen kautta kulkee enemmän virtaa ja purkautuu siten paristo nopeammin. Tätä virtaa kutsutaan tyhjennysvirraksi (I-tyhjennys). Tässä piirissä kokonaispurkausvirta on tyhjennysvirran ja esivirtauksen summa. Kun ohjain kytkee P-kanavan MOSFET-virran pois päältä, esijännitysvirta on nolla ja siten myös jännite Vgs saa nollan. Tämä kytkee N-kanavan MOSFET-virran pois päältä ja jättää akun ihanteelliseksi.

Passiiviset solujen tasapainottavat IC: t

Vaikka passiivinen tasapainotustekniikka ei ole tehokas, sitä käytetään yleisemmin tämän yksinkertaisuuden ja edullisuuden vuoksi. Laitteiston suunnittelun sijasta voit käyttää myös muutamia helposti saatavia mikropiirejä, kuten LTC6804 ja BQ77PL900 tunnetuilta valmistajilta, kuten Linear ja Texas instrumentit. Nämä IC: t voidaan kaskada seurata useita soluja ja säästää kehitysaikaa ja -kustannuksia.

Maksun rajoittaminen

Latausrajoitustapa on kaikista tehoton menetelmä. Tässä otetaan huomioon vain akun turvallisuus ja käyttöikä samalla kun luovutaan tehokkuudesta. Tässä menetelmässä yksittäisiä kennojännitteitä seurataan jatkuvasti.

Latausprosessin aikana, vaikka yksi kenno saavuttaisi täyden latausjännitteen, lataus lopetetaan jättäen muut kennot puoliväliin. Vastaavasti purkamisen aikana, vaikka yksi kenno saavuttaisi pienimmän katkaisujännitteen, akku irrotetaan kuormasta, kunnes paketti ladataan uudelleen.

Vaikka tämä menetelmä on tehoton, se vähentää kustannus- ja kokovaatimuksia. Siksi sitä käytetään sovelluksessa, jossa akkuja voidaan ladata usein.

2. Aktiivinen solujen tasapainotus

Passiivisessa solutasapainotuksessa ylimääräistä varausta ei käytetty, joten sen katsotaan olevan tehoton. Ottaa huomioon, että aktiivisen tasapainotus ollut liiallinen, muodostavat yhden solu siirretään toiseen soluun alhaisen varauksen tasaamiseksi niitä. Tämä saavutetaan käyttämällä varausta varastoivia elementtejä, kuten kondensaattoreita ja induktoreita. Aktiivisen solutasapainon suorittamiseksi on monia tapoja keskustella yleisesti käytetyistä.

Lataussukkulat (lentävät kondensaattorit)

Tämä menetelmä käyttää kondensaattoreita varauksen siirtämiseksi suurjännitekennosta matalajännitekennoon. Kondensaattori on kytketty SPDT-kytkimien kautta. Kytkin kytkee aluksi suurjännitekennoon ja kun kondensaattori on ladattu, kytkin yhdistää sen matalajännitekennoon, jossa kondensaattorin varaus virtaa kennoon. Koska varaus kulkeutuu solujen välillä, tätä menetelmää kutsutaan varauksen sukkuloiksi. Alla olevan kuvan pitäisi auttaa sinua ymmärtämään paremmin.

Näitä kondensaattoreita kutsutaan lentäviksi kondensaattoreiksi, koska matalajännitteisten ja korkeajännitteisten kennojen välinen lentää latureita. Tämän menetelmän haittana on, että varaus voidaan siirtää vain vierekkäisten solujen välillä. Lisäksi se vie enemmän aikaa, koska kondensaattori on ladattava ja purettava sitten varausten siirtämiseksi. Se on myös erittäin vähemmän tehokas, koska kondensaattorin lataamisen ja purkamisen aikana tapahtuu energiahäviöitä, ja kytkentähäviöt on myös otettava huomioon. Alla olevassa kuvassa näkyy, kuinka lentävä kondensaattori liitetään akkuun

Induktiivinen muunnin (Buck Boost -menetelmä)

Toinen menetelmä aktiivisen solujen tasapainottamiseksi on käyttää induktoreita ja kytkentäpiirejä. Tässä menetelmässä kytkentäpiiri koostuu buck boost -muuntimesta . Suurjännitekennon varaus pumpataan induktoriin ja puretaan sitten pienjännitekennoon käyttämällä buck boost -muunninta. Alla oleva kuva edustaa induktiivista muunninta, jossa on vain kaksi solua ja yksi buck boost -muunnin.

Edellä olevassa piirissä varaus voidaan siirtää solusta 1 soluun 2 vaihtamalla MOSFETS sw1 ja sw2 seuraavalla tavalla. Ensin kytkin SW1 on suljettu, jolloin varaus solusta 1 virtaa induktoriin virran I-varauksella. Kun induktori on täysin ladattu, kytkin SW1 avataan ja kytkin sw2 suljetaan.

Täyteen ladattu induktori kääntää napaisuuden ja alkaa purkautua. Tällä kertaa varauksen muodosta induktori virtaa soluun2 nykyisellä I-purkauksella. Kun induktori on täysin purkautunut, kytkin sw2 avataan ja kytkin sw1 suljetaan prosessin toistamiseksi. Alla olevat aaltomuodot auttavat sinua saamaan selkeän kuvan.

Aikana t0 kytkin sw1 suljetaan (kytketään päälle), mikä johtaa siihen, että virran I lataus kasvaa ja jännite induktorin yli (VL) kasvaa. Sitten kun induktori on täyteen ladattu ajankohtana t1, kytkin sw1 avataan (sammutetaan), mikä saa induktorin purkamaan edellisessä vaiheessa kertyneen varauksen. Kun induktori purkautuu, se muuttaa napaisuuttaan, joten jännite VL näytetään negatiivisena. Poistettaessa purkausvirta (I purkaus) pienenee maksimiarvostaan. Kaikki tämä virta menee soluun 2 lataamaan sen. Pieni väli sallitaan ajankohdasta t2 - t3 ja sitten t3: lla koko sykli toistuu uudelleen.

Tällä menetelmällä on myös suuri haittapuoli, että varaus voidaan siirtää vain ylemmästä solusta alempaan soluun. Myös kytkentähäviöt ja diodien jännitehäviöt tulisi ottaa huomioon. Mutta se on nopeampi ja tehokas kuin kondensaattorimenetelmä.

Induktiivinen muunnin (lentää takaisin)

Kuten keskustelimme buck boost -muunninmenetelmästä, pystyttiin siirtämään vain ylemmän solun varaukset alempaan soluun. Tämä ongelma voidaan välttää käyttämällä Fly back -muunninta ja muuntajaa. Flyback-tyyppisessä muuntimessa käämin ensisijainen puoli on kytketty akkuun ja toissijainen puoli on kytketty akun kuhunkin yksittäiseen kennoon alla olevan kuvan mukaisesti

Kuten tiedämme, akku toimii tasavirralla ja muuntajalla ei ole vaikutusta, ennen kuin jännite on kytketty. Joten latausprosessin aloittamiseksi pääkäämin puolella oleva kytkin kytketään. Tämä muuntaa DC: n pulssi-DC: ksi ja muuntajan ensisijainen puoli aktivoituu.

Nyt toissijaisella puolella kullakin kennolla on oma kytkin ja toissijainen kela. Kytkemällä pienjännitekennon mosfetin voimme saada tietyn kelan toimimaan toissijaisena muuntajalle. Tällä tavoin primäärikäämin varauksen muoto siirretään toissijaiseen kelaan. Tämä saa akun kokonaisjännitteen purkautumaan heikkoon kennoon.

Tämän menetelmän suurin etu on, että mikä tahansa pakkauksen heikko kenno voidaan ladata helposti pakkauksen jännitteestä, eikä yksittäinen kenno ole purkautumista. Mutta koska siinä on muuntaja, se vie suuren tilan ja piirin monimutkaisuus on suuri.

3. Häviötön tasapainotus

Häviötön tasapainotus on äskettäin kehitetty menetelmä, joka vähentää tappioita vähentämällä laitteistokomponentteja ja tarjoamalla enemmän ohjelmistojen hallintaa. Tämä tekee myös järjestelmästä yksinkertaisemman ja helpommin suunniteltavan. Tässä menetelmässä käytetään matriisikytkentäpiiriä, joka tarjoaa kyvyn lisätä tai poistaa solu pakkauksesta latauksen ja purkamisen aikana. Alla on esitetty yksinkertainen matriisikytkentäpiiri kahdeksalle solulle.

Latausprosessin aikana suurjännitteinen kenno poistetaan pakkauksesta kytkinjärjestelyjen avulla. Yllä olevassa kuvassa solu 5 poistetaan pakkauksesta kytkimillä. Pidä punaisen viivan ympyröitä avoimina kytkiminä ja sinisen viivan ympyränä suljettuina kytkiminä. Siten heikompien solujen lepoaikaa pidennetään latausprosessin aikana niiden tasapainottamiseksi latauksen aikana. Latausjännitettä on kuitenkin säädettävä vastaavasti. Samaa tekniikkaa voidaan noudattaa myös purkamisen aikana.

4. Redox-sukkula

Lopullinen menetelmä ei ole laitteistosuunnittelijoille vaan kemianinsinööreille. Lyijyhappoakussa meillä ei ole solujen tasapainottamisen ongelmaa, koska lyijyhappoakun ylilataus aiheuttaa kaasutusta, joka estää sen latautumisen. Redox-sukkulan idea on yrittää saavuttaa sama vaikutus litiumkennoihin muuttamalla litiumkennon elektrolyytin kemiaa. Tämän modifioidun elektrolyytin tulisi estää kennon ylikuormitus.

Solutasapainotusalgoritmit

Tehokkaalla solutasapainotustekniikalla tulisi yhdistää laitteisto oikeaan algoritmiin. Solutasapainotusta varten on monia algoritmeja, ja se riippuu laitteiston suunnittelusta. Mutta tyypit voidaan keittää kahteen eri osaan.

Avoimen piirin jännitteen (OCV) mittaaminen

Tämä on helppo ja yleisimmin seurattava menetelmä. Tässä mitataan avoimen kennon jännitteet kullekin kennolle ja kennojen tasapainotuspiiri toimii tasaamaan kaikkien sarjaan kytkettyjen kennojen jännitearvot. OCV: n (avoimen piirin jännite) mittaaminen on helppoa, joten tämän algoritmin monimutkaisuus on pienempi.

Latausajan (SOC) mittaaminen

Tässä menetelmässä solujen SOC tasapainotetaan. Kuten tiedämme jo, solun SOC: n mittaaminen on monimutkainen tehtävä, koska meidän on otettava huomioon solun jännite ja virta-arvo tietyn ajanjakson ajan SOC-arvon laskemiseksi. Tämä algoritmi on monimutkainen ja sitä käytetään paikoissa, joissa vaaditaan korkeaa tehokkuutta ja turvallisuutta, kuten ilmailu- ja avaruusteollisuudessa.

Tämä artikkeli on täällä. Toivottavasti nyt sinulla on lyhyt käsitys solujen tasapainottamisesta, miten se toteutetaan laitteisto- ja ohjelmistotasolla. Jos sinulla on ideoita tai tekniikoita, jaa ne kommenttiosassa tai käytä foorumeita saadaksesi teknistä apua.