Celbalanceringstechnieken en hoe ze te gebruiken

Een nominale lithiumcel heeft slechts een nominale spanning van ongeveer 4,2 V, maar in zijn toepassingen zoals EV, draagbare elektronica, laptops, powerbanks enz. Hebben we een veel hogere spanning nodig dan de nominale spanning. Dit is de reden waarom ontwerpers meer dan één cel in serie combineren om een batterijpakket met hogere spanningswaarden te vormen. Zoals we weten uit ons vorige artikel over accu's voor elektrische voertuigen, wordt de spanningswaarde opgeteld wanneer accu's in serie worden gecombineerd. Als bijvoorbeeld vier lithiumcellen van 4,2 V in serie zijn geschakeld, is de effectieve uitgangsspanning van het resulterende batterijpakket 16,8 V.

Maar je kunt je voorstellen dat het in serie verbinden van veel cellen is alsof je veel paarden op een wagen zet. Alleen als alle paarden met dezelfde snelheid rennen, zal de wagen met maximale efficiëntie worden bestuurd. Van de vier paarden als een paard langzaam loopt, dan moeten de andere drie ook hun snelheid verlagen waardoor de efficiëntie afneemt en als een paard sneller loopt, zou het zichzelf uiteindelijk bezeren door de last van de andere drie paarden te trekken. Evenzo, wanneer vier cellen in serie zijn geschakeld, moeten de spanningswaarden van alle vier de cellen gelijk zijn om het batterijpakket met maximale efficiëntie af te leiden. De methode om alle celspanningen gelijk te houden, wordt celbalancering genoemd. In dit artikel zullen we meer leren over celbalancering en ook kort over het gebruik ervan op hardware- en softwareniveau.

Waarom hebben we Cell Balancing nodig?

Celbalancering is een techniek waarbij het spanningsniveau van elke individuele cel die in serie is geschakeld om een batterijpakket te vormen, gelijk wordt gehouden om de maximale efficiëntie van het batterijpakket te bereiken. Wanneer verschillende cellen worden gecombineerd om een batterijpakket te vormen, wordt er altijd voor gezorgd dat ze dezelfde chemie en spanningswaarde hebben. Maar als het pakket eenmaal is geïnstalleerd en onderworpen is aan opladen en ontladen, hebben de spanningswaarden van de afzonderlijke cellen de neiging om te variëren vanwege een aantal redenen die we later zullen bespreken. Deze variatie in spanningsniveaus veroorzaakt onbalans van de cel, wat tot een van de volgende problemen zal leiden

Thermische op hol geslagen

Het ergste dat kan gebeuren, is thermisch weglopen. Zoals we weten zijn lithiumcellen erg gevoelig voor overladen en ontladen. In een pakket van vier cellen, als de ene cel 3,5 V is en de andere 3,2 V, laadt de lading alle cellen tegelijk op omdat ze in serie zijn geschakeld en wordt de 3,5 V-cel opgeladen tot een hoger dan aanbevolen voltage, aangezien de andere batterijen nog steeds werken. moeten worden opgeladen.

Celafbraak

Wanneer een lithiumcel zelfs iets boven de aanbevolen waarde wordt overladen, worden de efficiëntie en de levensduur van de cel verkort. Een lichte stijging van de laadspanning van 4.2V naar 4.25V zal de batterij bijvoorbeeld met 30% sneller doen verslechteren. Dus als de celbalancering niet nauwkeurig is, zal zelfs een lichte overbelasting de levensduur van de batterij verkorten.

Onvolledig opladen van Pack

Aangezien de batterijen in een pakket ouder worden, kunnen enkele cellen zwakker zijn dan de aangrenzende cellen. De cellen van deze week zullen een enorm probleem vormen, omdat ze sneller zullen opladen en ontladen dan een normale gezonde cel. Tijdens het opladen van een accu met seriecellen moet het laadproces worden gestopt, zelfs als een cel de maximale spanning bereikt. Op deze manier zullen de als twee cellen in een accupack een week krijgen ze sneller opladen en dus zullen de resterende cellen niet maximaal worden opgeladen zoals hieronder weergegeven.

Onvolledig gebruik van Pack-energie

Evenzo in hetzelfde geval, wanneer het batterijpakket wordt ontladen, zullen de zwakkere cellen sneller ontladen dan de gezonde cel en zullen ze de minimumspanning sneller bereiken dan andere cellen. Zoals we in ons BMS-artikel hebben geleerd, wordt het pakket losgekoppeld van de belasting, zelfs als een cel de minimumspanning bereikt. Dit leidt tot de ongebruikte capaciteit van de pack-energie zoals hieronder weergegeven.

Rekening houdend met alle bovengenoemde mogelijke nadelen, kunnen we concluderen dat een celbalancering verplicht zou zijn om het batterijpakket maximaal te gebruiken. Toch zijn er maar weinig toepassingen waarbij de initiële kosten erg laag zouden moeten zijn en het vervangen van de batterij geen probleem is in die toepassingen kan celbalancering worden vermeden. Maar in de meeste toepassingen, waaronder elektrische voertuigen, is celbalancering verplicht om het maximale uit het batterijpakket te halen.

Wat veroorzaakt een onbalans van de cellen in batterijpakketten?

Nu weten we waarom het belangrijk is om alle cellen in een batterijpakket in evenwicht te houden. Maar om het probleem goed aan te pakken, moeten we weten waarom de cellen in de eerste hand uit balans raken. Zoals eerder verteld, wanneer een batterijpakket wordt gevormd door de cellen in serie te plaatsen, wordt ervoor gezorgd dat alle cellen op hetzelfde spanningsniveau staan. Een nieuw accupakket heeft dus altijd uitgebalanceerde cellen. Maar als het pakket in gebruik wordt genomen, raken de cellen uit balans vanwege de volgende redenen.

SOC-onbalans

Het meten van de SOC van een cel is ingewikkeld; daarom is het erg complex om de SOC van individuele cellen in een batterij te meten. Een ideale celbalanceringstechniek moet overeenkomen met de cellen van dezelfde SOC in plaats van dezelfde spanningsniveaus (OCV). Maar aangezien het praktisch niet mogelijk is dat cellen bij het maken van een pack alleen op spanningsvoorwaarden worden gematcht, kan de variatie in SOC te zijner tijd leiden tot verandering in OCV.

Variatie in interne weerstand

Het is erg moeilijk om cellen met dezelfde interne weerstand (IR) te vinden en naarmate de batterij ouder wordt, verandert ook de IR van de cel en dus zullen in een batterijpakket niet alle cellen dezelfde IR hebben. Zoals we weten, draagt de IR bij aan de interne impedantie van de cel die de stroom bepaalt die door een cel vloeit. Omdat de IR wordt gevarieerd, wordt de stroom door de cel en de spanning ook gevarieerd.

Temperatuur

Het laad- en ontlaadvermogen van de cel is ook afhankelijk van de temperatuur eromheen. In een enorm batterijpakket, zoals in EV's of zonnepanelen, zijn de cellen verdeeld over afvalgebieden en kan er een temperatuurverschil zijn tussen het pakket zelf, waardoor een cel sneller wordt opgeladen of ontladen dan de overige cellen, wat een onbalans veroorzaakt.

Uit de bovenstaande redenen is het duidelijk dat we niet kunnen voorkomen dat de cel tijdens de operatie uit balans raakt. Dus de enige oplossing is om een extern systeem te gebruiken dat de cellen dwingt om weer in balans te komen nadat ze uit balans zijn geraakt. Dit systeem wordt het Battery Balancing System genoemd. Er worden veel verschillende soorten hardware- en softwaretechnieken gebruikt voor het balanceren van batterijcellen. Laten we de soorten en veelgebruikte technieken bespreken.

Soorten batterijcelbalancering

Celbalanceringstechnieken kunnen grofweg worden ingedeeld in de volgende vier categorieën die hieronder worden opgesomd. We bespreken over elke categorie.

Passieve celbalancering
Actieve celbalancering
Lossless celbalancering
Redox-shuttle

1. Passieve celbalancering

De passieve celbalanceringsmethode is de eenvoudigste methode van allemaal. Het kan worden gebruikt op plaatsen waar kosten en omvang grote beperkingen zijn. Hieronder volgen de twee soorten passieve celbalancering.

Lading rangeren

Bij deze methode wordt een schijnbelasting zoals een weerstand gebruikt om de overtollige spanning te ontladen en gelijk te maken met andere cellen. Deze weerstanden worden bypass-weerstanden of ontluchtingsweerstanden genoemd. Elke cel die in serie in een pakket is aangesloten, heeft zijn eigen bypass-weerstand die is aangesloten via een schakelaar, zoals hieronder wordt weergegeven.

Het bovenstaande voorbeeldcircuit toont vier cellen die elk zijn verbonden met twee bypass-weerstanden via een schakelaar zoals MOSFET. De controllers meten de spanning van alle vier de cellen en schakelen de mosfet in voor de cel waarvan de spanning hoger is dan de andere cellen. Wanneer mosfet wordt ingeschakeld, begint die specifieke cel te ontladen via de weerstanden. Omdat we de waarde van weerstanden kennen, kunnen we voorspellen hoeveel lading door de cel wordt gedissipeerd. De condensator die parallel met de cel is geschakeld, wordt gebruikt om spanningspieken tijdens het schakelen te filteren.

Deze methode is niet erg efficiënt omdat elektrische energie als warmte in de weerstanden wordt gedissipeerd en het circuit ook rekening houdt met schakelverliezen. Een ander nadeel is dat de gehele ontlaadstroom door de mosfet loopt die grotendeels in de controller IC is ingebouwd en daarom moet de ontlaadstroom beperkt worden tot lage waarden wat de ontlaadtijd verlengt. Een manier om het nadeel te ondervangen, is door een externe schakelaar te gebruiken om de ontlaadstroom te verhogen, zoals hieronder weergegeven

De interne P-kanaal MOSFET wordt geactiveerd door de controller die ervoor zorgt dat de cel ontlaadt (I-bias) via de weerstanden R1 en R2. De waarde van R2 wordt zo gekozen dat de spanningsval die er overheen treedt als gevolg van de stroom van ontlaadstroom (I-bias) voldoende is om de tweede N-kanaal MOSFET te activeren. Deze spanning wordt de poortbronspanning (Vgs) genoemd en de stroom die nodig is om de MOSFET voor te spannen, wordt de voorspanningsstroom (I-bias) genoemd.

Zodra de N-kanaal-MOSFET is ingeschakeld, stroomt de stroom nu door de balansweerstand R-Bal . De waarde van deze weerstand kan laag zijn waardoor er meer stroom doorheen kan gaan en zo de batterij sneller ontlaadt. Deze stroom wordt afvoerstroom (I-afvoer) genoemd. In dit circuit is de totale ontlaadstroom de som van de afvoerstroom en de instelstroom. Wanneer de P-kanaal MOSFET wordt uitgeschakeld door de controller, is de instelstroom nul en dus wordt de spanning Vgs ook nul. Hierdoor wordt de N-kanaals MOSFET uitgeschakeld, waardoor de batterij weer ideaal wordt.

Passieve celbalancerende IC's

Hoewel de passieve balanceringstechniek niet efficiënt is, wordt deze vanwege deze eenvoud en lage kosten vaker gebruikt. In plaats van de hardware te ontwerpen, kun je ook een paar direct verkrijgbare IC's gebruiken, zoals LTC6804 en BQ77PL900 van gerenommeerde fabrikanten zoals respectievelijk Linear en Texas instrumenten. Deze IC's kunnen in cascade worden geplaatst om meerdere cellen te bewaken en besparen ontwikkeltijd en kosten.

Kostenbeperking

De kostenbeperkende methode is de meest inefficiënte methode van allemaal. Hier wordt alleen rekening gehouden met de veiligheid en levensduur van de batterij, terwijl de efficiëntie wordt opgegeven. Bij deze methode worden de individuele celspanningen continu bewaakt.

Tijdens het laadproces, zelfs als een cel de volledige laadspanning bereikt, wordt het opladen gestopt en blijven de andere cellen halverwege. Evenzo wordt tijdens het ontladen, zelfs als een cel de minimale uitschakelspanning bereikt, het batterijpakket losgekoppeld van de belasting totdat het pakket weer is opgeladen.

Hoewel deze methode inefficiënt is, worden de kosten en de afmetingen verminderd. Daarom wordt het gebruikt in een toepassing waar batterijen vaak kunnen worden opgeladen.

2. Actieve celbalancering

Bij passieve celbalancering werd de overtollige lading niet gebruikt, daarom wordt deze als inefficiënt beschouwd. Terwijl bij het actief balanceren de overtollige ladingvorm een cel wordt overgebracht naar een andere cel met een lage lading om ze te egaliseren. Dit wordt bereikt door ladingsopslagelementen zoals condensatoren en inductoren te gebruiken. Er zijn veel methoden om actieve celbalancering uit te voeren, laten we de meest gebruikte bespreken.

Charge Shuttles (vliegende condensatoren)

Deze methode maakt gebruik van condensatoren om lading over te brengen van de hoogspanningscel naar de laagspanningscel. De condensator is verbonden via SPDT-schakelaars, aanvankelijk verbindt de schakelaar de condensator met de hoogspanningscel en zodra de condensator is opgeladen, verbindt de schakelaar deze met de laagspanningscel waar de lading van de condensator in de cel stroomt. Omdat de lading tussen de cellen heen en weer gaat, wordt deze methode ladingsshuttles genoemd. De onderstaande afbeelding zou u moeten helpen om het beter te begrijpen.

Deze condensatoren worden de vliegende condensatoren genoemd omdat de vlieg tussen de laagspannings- en hoogspanningscellen die laders dragen. Het nadeel van deze methode is dat lading alleen tussen aangrenzende cellen kan worden overgedragen. Het kost ook meer tijd omdat de condensator moet worden opgeladen en vervolgens moet worden ontladen om de ladingen over te dragen. Het is ook erg minder efficiënt aangezien er energieverlies zal optreden tijdens het laden en ontladen van de condensator en ook met de schakelverliezen moet rekening worden gehouden. De onderstaande afbeelding laat zien hoe de vliegende condensator wordt aangesloten in een batterijpakket

Inductieve converter (Buck Boost-methode)

Een andere methode van actieve celbalancering is door inductoren en schakelcircuits te gebruiken. Bij deze methode bestaat het schakelcircuit uit een buck boost-omzetter . De lading van de hoogspanningscel wordt in de inductor gepompt en vervolgens met behulp van de buck boost-omzetter in de laagspanningscel afgevoerd. De onderstaande afbeelding stelt een inductieve omzetter voor met slechts twee cellen en een enkele buck boost-omzetter.

In het bovenstaande circuit kan lading worden overgedragen van cel 1 naar cel 2 door de MOSFETS sw1 en sw2 op de volgende manier te schakelen. Eerst wordt de schakelaar SW1 gesloten, hierdoor zal de lading van cel 1 met de huidige I-lading in de inductor stromen. Zodra de inductor volledig is opgeladen, wordt schakelaar SW1 geopend en wordt schakelaar sw2 gesloten.

Nu zal de inductor die volledig is opgeladen, zijn polariteit omkeren en beginnen te ontladen. Dit keer stroomt de lading van de inductor de cel2 binnen met de huidige I-ontlading. Zodra de inductor volledig is ontladen, wordt schakelaar sw2 geopend en wordt schakelaar sw1 gesloten om het proces te herhalen. De onderstaande golfvormen helpen u een duidelijk beeld te krijgen.

Gedurende de tijd t0 is de schakelaar sw1 gesloten (ingeschakeld), wat ertoe leidt dat de stroom I-lading toeneemt en de spanning over de inductor (VL) toeneemt. Zodra de inductor volledig is opgeladen op tijdstip t1, wordt de schakelaar sw1 geopend (uitgeschakeld), waardoor de inductor de lading ontlaadt die deze in de vorige stap heeft verzameld. Wanneer een inductor ontlaadt, verandert deze van polariteit, vandaar dat de spanning VL negatief wordt weergegeven. Bij het ontladen neemt de ontlaadstroom (I ontlading) af van de maximale waarde. Al deze stroom komt de cel 2 binnen om hem op te laden. Een klein interval is toegestaan van tijd t2 tot t3 en dan op t3 herhaalt de hele cyclus zich opnieuw.

Deze methode heeft ook het grote nadeel dat lading alleen van hogere cel naar lagere cel kan worden overgedragen. Ook moet rekening worden gehouden met het verlies in schakeling en diodespanning. Maar het is sneller en efficiënter dan de condensatormethode.

Inductieve converter (gebaseerd op Fly back)

Zoals we bespraken, kon de buck boost-convertermethode alleen ladingen van de hogere cel naar de lagere cel overbrengen. Dit probleem kan worden vermeden door een Fly back-omzetter en een transformator te gebruiken. Bij een omzetter van het flyback-type is de primaire zijde van de wikkeling verbonden met het batterijpakket en de secundaire zijde is verbonden met elke individuele cel van het batterijpakket, zoals hieronder weergegeven

Zoals we weten werkt de batterij op gelijkstroom en heeft de transformator geen effect totdat de spanning wordt geschakeld. Om het laadproces te beginnen, wordt de schakelaar aan de zijde van de primaire spoel Sp omgeschakeld. Dit zet gelijkstroom om in gepulste gelijkstroom en de primaire zijde van de transformator wordt geactiveerd.

Nu heeft aan de secundaire zijde elke cel zijn eigen schakelaar en de secundaire spoel. Door de mosfet van de laagspanningscel om te schakelen, kunnen we ervoor zorgen dat die specifieke spoel als secundaire voor de transformator fungeert. Op deze manier wordt de lading van de primaire spoel overgebracht naar de secundaire spoel. Dit zorgt ervoor dat de algehele spanning van het batterijpakket in de zwakke cel wordt ontladen.

Het grootste voordeel van deze methode is dat elke zwakke cel in het pakket gemakkelijk kan worden opgeladen vanuit de pakketspanning en niet een bepaalde cel ontlaadt. Maar omdat het om een transformator gaat, neemt deze een grote ruimte in en is de complexiteit van het circuit hoog.

3. Verliesloos balanceren

Lossless balancing is een recent ontwikkelde methode die verliezen vermindert door de hardwarecomponenten te verminderen en meer softwarecontrole te bieden. Dit maakt het systeem ook eenvoudiger en gemakkelijker te ontwerpen. Deze methode maakt gebruik van een matrixschakelcircuit dat de mogelijkheid biedt om een cel toe te voegen aan of te verwijderen uit een pakket tijdens het opladen en ontladen. Een eenvoudig matrixschakelcircuit voor acht cellen wordt hieronder getoond.

Tijdens het laadproces wordt de cel met hoge spanning uit de verpakking verwijderd met behulp van de schakelaars. In bovenstaande figuur wordt cel 5 uit de verpakking gehaald door middel van de schakelaars. Beschouw de rode lijncirkels als open schakelaars en de blauwe lijncirkel als gesloten schakelaars. De rusttijd van de zwakkere cellen wordt dus tijdens het laadproces verlengd om ze tijdens het laden in evenwicht te brengen. Maar de laadspanning moet dienovereenkomstig worden aangepast. Dezelfde techniek kan ook tijdens het ontladen worden gevolgd.

4. Redox-shuttle

De laatste methode is niet voor hardware-ontwerpers, maar voor chemische ingenieurs. In loodzuuraccu's hebben we niet het probleem van celbalancering, want wanneer een loodzuuraccu wordt overladen, veroorzaakt dit gasvorming waardoor deze niet te lang wordt opgeladen. Het idee achter Redox-shuttle is om hetzelfde effect op lithiumcellen te bereiken door de chemie van de elektrolyt van de lithiumcel te veranderen. Deze gemodificeerde elektrolyt moet voorkomen dat de cel overbelast raakt.

Algoritmen voor celbalancering

Een effectieve celbalanceringstechniek zou de hardware moeten combineren tot een goed algoritme. Er zijn veel algoritmen voor celbalancering en dit hangt af van het hardwareontwerp. Maar de soorten kunnen worden ingekookt tot twee verschillende secties.

Meting van de nullastspanning (OCV)

Dit is de gemakkelijke en meest gebruikte methode. Hier worden de open-celspanningen gemeten voor elke cel en het celbalanceringscircuit werkt om de spanningswaarden van alle in serie geschakelde cellen gelijk te maken. Het is eenvoudig om OCV (Open circuit voltage) te meten en daardoor is de complexiteit van dit algoritme minder.

Sate of charge (SOC) meten

Bij deze methode wordt de SOC van de cellen in evenwicht gebracht. Zoals we al weten, is het meten van de SOC van een cel een complexe taak, aangezien we rekening moeten houden met de spanning en stroomwaarde van de cel gedurende een bepaalde periode om de waarde van SOC te berekenen. Dit algoritme is complex en wordt gebruikt op plaatsen waar hoge efficiëntie en veiligheid vereist zijn, zoals in de lucht- en ruimtevaartindustrie.

Hiermee is het artikel hier afgesloten. Ik hoop dat je nu een kort idee hebt van wat celbalancering is, hoe het wordt geïmplementeerd op hardware- en softwareniveau. Als je ideeën of technieken hebt, deel ze dan in het commentaargedeelte of gebruik de forums voor technische hulp.