- Warum brauchen wir Cell Balancing?
- Was verursacht ein Ungleichgewicht der Zellen in Akkus?
- Arten des Batteriezellenausgleichs
- 1. Passiver Zellausgleich
- 2. Aktiver Zellausgleich
- 3. Verlustfreies Auswuchten
- 4. Redox Shuttle
Eine nominelle Lithiumzelle ist nur für etwa 4,2 V ausgelegt, aber für Anwendungen wie Elektrofahrzeuge, tragbare Elektronik, Laptops, Powerbanks usw. benötigen wir eine viel höhere Spannung als ihre nominelle Spannung. Dies ist der Grund, warum Entwickler mehr als eine Zelle in Reihe kombinieren, um einen Akku mit höheren Spannungswerten zu bilden. Wie wir aus unserem vorherigen Artikel über Batterien für Elektrofahrzeuge wissen, wird der Spannungswert addiert, wenn Batterien in Reihe geschaltet werden. Wenn beispielsweise vier Lithiumzellen mit 4,2 V in Reihe geschaltet sind, beträgt die effektive Ausgangsspannung des resultierenden Batteriepacks 16,8 V.
Aber Sie können sich vorstellen, viele Zellen in Reihe zu schalten, als würden Sie viele Pferde an einen Streitwagen montieren. Nur wenn alle Pferde mit der gleichen Geschwindigkeit laufen, wird der Streitwagen mit maximaler Effizienz gefahren. Wenn von vier Pferden ein Pferd langsam läuft, müssen auch die anderen drei ihre Geschwindigkeit verringern, wodurch die Effizienz verringert wird. Wenn ein Pferd schneller läuft, würde es sich schließlich selbst verletzen, wenn die Last der anderen drei Pferde gezogen wird. In ähnlicher Weise, wenn vier Zellen in Reihe sollten die Spannungswerte aller vier Zellen verbunden sind, dass sie gleich den Akku mit maximaler Effizienz abzuleiten. Die Methode, alle Zellenspannungen gleich zu halten, wird als Zellausgleich bezeichnet. In diesem Artikel erfahren Sie mehr über den Zellausgleich und kurz, wie Sie sie auf Hardware- und Softwareebene verwenden können.
Warum brauchen wir Cell Balancing?
Der Zellenausgleich ist eine Technik, bei der die Spannungspegel jeder einzelnen Zelle, die zur Bildung eines Batteriepacks in Reihe geschaltet sind, gleich gehalten werden, um die maximale Effizienz des Batteriepacks zu erreichen. Wenn verschiedene Zellen zu einem Batteriepack kombiniert werden, wird immer sichergestellt, dass sie den gleichen Chemie- und Spannungswert haben. Sobald die Packung installiert und geladen und entladen ist, variieren die Spannungswerte der einzelnen Zellen aus einigen Gründen, die wir später diskutieren werden. Diese Variation der Spannungspegel führt zu einem Ungleichgewicht der Zellen, was zu einem der folgenden Probleme führt
Thermal RunawayDas Schlimmste, was passieren kann, ist ein thermisches Durchgehen. Wie wir wissen, reagieren Lithiumzellen sehr empfindlich auf Überladung und Überentladung. Wenn in einer Packung mit vier Zellen eine Zelle 3,5 V und die andere 3,2 V beträgt, werden alle Zellen zusammen aufgeladen, da sie in Reihe geschaltet sind, und die 3,5-V-Zelle wird auf mehr als die empfohlene Spannung aufgeladen, da die anderen Batterien noch vorhanden sind Aufladen erforderlich.
ZellabbauWenn eine Lithiumzelle sogar geringfügig über ihrem empfohlenen Wert überladen wird, werden die Effizienz und der Lebenszyklus der Zelle verringert. Zum Beispiel wird die Batterie durch einen leichten Anstieg der Ladespannung von 4,2 V auf 4,25 V um 30% schneller verschlechtert. Wenn der Zellenausgleich nicht genau ist, verkürzt bereits eine leichte Überladung die Batterielebensdauer.
Unvollständiges Aufladen des PacksWenn die Batterien in einer Packung älter werden, sind möglicherweise einige Zellen schwächer als die benachbarten Zellen. Diese Woche werden Zellen ein großes Problem sein, da sie sich schneller laden und entladen als eine normale gesunde Zelle. Während des Ladens eines Akkus mit Serienzellen sollte der Ladevorgang gestoppt werden, auch wenn eine Zelle die maximale Spannung erreicht. Auf diese Weise werden zwei Zellen in einem Akku, wenn sie eine Woche alt werden, schneller aufgeladen, und die verbleibenden Zellen werden nicht wie unten gezeigt maximal aufgeladen.
Unvollständige Nutzung der PackenergieIn ähnlicher Weise entladen sich im schwächeren Fall, wenn der Akku entladen wird, die schwächeren Zellen schneller als die gesunde Zelle und erreichen die minimale Spannung schneller als andere Zellen. Wie wir in unserem BMS-Artikel erfahren haben, wird das Pack auch dann von der Last getrennt, wenn eine Zelle die Mindestspannung erreicht. Dies führt zu der nicht genutzten Kapazität der Packungsenergie, wie unten gezeigt.
Unter Berücksichtigung aller oben genannten möglichen Nachteile können wir den Schluss ziehen, dass ein Zellenausgleich obligatorisch wäre, um den Akku mit maximaler Effizienz zu nutzen. Dennoch gibt es nur wenige Anwendungen, bei denen die anfänglichen Kosten sehr niedrig sein sollten und der Batteriewechsel in diesen Anwendungen kein Problem darstellt. Ein Zellenausgleich könnte vermieden werden. In den meisten Anwendungen, einschließlich Elektrofahrzeugen, ist der Zellausgleich jedoch obligatorisch, um den maximalen Saft aus dem Akkupack zu erhalten.
Was verursacht ein Ungleichgewicht der Zellen in Akkus?
Jetzt wissen wir, warum es wichtig ist, alle Zellen in einem Akkupack im Gleichgewicht zu halten. Aber um das Problem richtig anzugehen, sollten wir wissen, warum die Zellen aus erster Hand aus dem Gleichgewicht geraten. Wie bereits erwähnt, wird beim Bilden eines Akkus durch Reihenschaltung der Zellen sichergestellt, dass alle Zellen die gleichen Spannungspegel aufweisen. Ein frischer Akku hat also immer ausgeglichene Zellen. Wenn die Packung in Betrieb genommen wird, geraten die Zellen aus den folgenden Gründen aus dem Gleichgewicht.
SOC-Ungleichgewicht
Das Messen des SOC einer Zelle ist kompliziert; Daher ist es sehr komplex, den SOC einzelner Zellen in einer Batterie zu messen. Eine ideale Zellausgleichstechnik sollte mit den Zellen des gleichen SOC anstelle der gleichen Spannungspegel (OCV) übereinstimmen. Da es jedoch praktisch nicht möglich ist, dass Zellen bei der Herstellung eines Packs nur unter Spannungsbedingungen übereinstimmen, kann die Änderung des SOC zu gegebener Zeit zu einer Änderung des OCV führen.
Variation des Innenwiderstands
Es ist sehr schwierig, Zellen mit demselben Innenwiderstand (IR) zu finden, und mit zunehmendem Alter der Batterie ändert sich auch die IR der Zelle, sodass in einem Batteriepack nicht alle Zellen dieselbe IR haben. Wie wir wissen, trägt das IR zur internen Impedanz der Zelle bei, die den durch eine Zelle fließenden Strom bestimmt. Da der IR variiert wird, wird auch der Strom durch die Zelle und ihre Spannung variiert.
Temperatur
Die Lade- und Entladekapazität der Zelle hängt auch von der Temperatur um sie herum ab. In einem riesigen Akkupack wie in Elektrofahrzeugen oder Solaranlagen sind die Zellen über Abfallbereiche verteilt, und es kann zu Temperaturunterschieden zwischen den Akkus kommen, die dazu führen, dass eine Zelle schneller geladen oder entladen wird als die übrigen Zellen, was zu einem Ungleichgewicht führt.
Aus den oben genannten Gründen ist es klar, dass wir nicht verhindern können, dass die Zelle während der Operation aus dem Gleichgewicht gerät. So ist die einzige Lösung, die ein externes System zu verwenden, dass die Zellen Kräfte wieder ausgeglichen zu bekommen, nachdem sie unausgeglichen bekommen. Dieses System wird als Batterieausgleichssystem bezeichnet. Es gibt viele verschiedene Arten von Hardware- und Softwaretechniken, die zum Ausgleich von Batteriezellen verwendet werden. Lassen Sie uns die Typen und weit verbreiteten Techniken diskutieren.
Arten des Batteriezellenausgleichs
Zellausgleichstechniken können grob in die folgenden vier Kategorien eingeteilt werden, die unten aufgeführt sind. Wir werden über jede Kategorie diskutieren.
- Passiver Zellausgleich
- Aktiver Zellausgleich
- Verlustfreier Zellausgleich
- Redox Shuttle
1. Passiver Zellausgleich
Die Methode des passiven Zellausgleichs ist die einfachste von allen. Es kann an Orten eingesetzt werden, an denen Kosten und Größe die Hauptbeschränkungen darstellen. Im Folgenden sind die beiden Arten des passiven Zellenausgleichs aufgeführt.
Ladungsshunt
Bei diesem Verfahren wird eine Blindlast wie ein Widerstand verwendet, um die Überspannung zu entladen und mit anderen Zellen auszugleichen. Diese Widerstände werden als Bypass-Widerstände oder Entlüftungswiderstände bezeichnet. Jede in einer Packung in Reihe geschaltete Zelle verfügt über einen eigenen Bypass-Widerstand, der wie unten gezeigt über einen Schalter angeschlossen ist.
Die obige Beispielschaltung zeigt vier Zellen, von denen jede über einen Schalter wie einen MOSFET mit zwei Bypass-Widerständen verbunden ist. Der Controller misst die Spannung aller vier Zellen und schaltet den Mosfet für die Zelle ein, deren Spannung höher als die der anderen Zellen ist. Wenn Mosfet eingeschaltet wird, beginnt sich diese bestimmte Zelle durch die Widerstände zu entladen. Da wir den Wert von Widerständen kennen, können wir vorhersagen, wie viel Ladung von der Zelle abgeführt wird. Der parallel zur Zelle geschaltete Kondensator dient zum Filtern von Spannungsspitzen beim Schalten.
Dieses Verfahren ist nicht sehr effizient, da elektrische Energie als Wärme in den Widerständen abgeführt wird und die Schaltung auch Schaltverluste berücksichtigt. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass der gesamte Entladestrom durch den Mosfet fließt, der größtenteils in den Controller-IC eingebaut ist, und daher der Entladestrom auf niedrige Werte begrenzt werden muss, was die Entladezeit erhöht. Eine Möglichkeit, den Nachteil zu überwinden, besteht darin , einen externen Schalter zu verwenden, um den Entladestrom wie unten gezeigt zu erhöhen
Der interne P-Kanal-MOSFET wird von der Steuerung ausgelöst, wodurch sich die Zelle über die Widerstände R1 und R2 entlädt (I-Bias). Der Wert von R2 wird so gewählt, dass der Spannungsabfall, der aufgrund des Entladungsstromflusses (I-Bias) über ihm auftritt, ausreicht, um den zweiten N-Kanal-MOSFET auszulösen. Diese Spannung wird als Gate-Source-Spannung (Vgs) bezeichnet, und der zum Vorspannen des MOSFET erforderliche Strom wird als Vorspannungsstrom (I-Bias) bezeichnet.
Sobald der N-Kanal-MOSFET eingeschaltet ist, fließt der Strom nun durch den Ausgleichswiderstand R-Bal . Der Wert dieses Widerstands kann niedrig sein, so dass mehr Strom durch ihn fließt und somit die Batterie schneller entladen wird. Dieser Strom wird als Drainstrom (I-Drain) bezeichnet. In dieser Schaltung ist der Gesamtentladestrom die Summe aus Drainstrom und Vorspannungsstrom. Wenn der P-Kanal-MOSFET von der Steuerung ausgeschaltet wird, ist der Vorspannungsstrom Null und somit wird auch die Spannung Vgs Null. Dadurch wird der N-Kanal-MOSFET ausgeschaltet und die Batterie bleibt wieder ideal.
Passive Zellenausgleichs-ICs
Obwohl die passive Auswuchttechnik nicht effizient ist, wird sie aufgrund dieser Einfachheit und geringen Kosten häufiger verwendet. Anstatt die Hardware zu entwerfen, können Sie auch einige leicht verfügbare ICs wie LTC6804 und BQ77PL900 von renommierten Herstellern wie Linear- bzw. Texas-Instrumenten verwenden. Diese ICs können zur Überwachung mehrerer Zellen kaskadiert werden und sparen Entwicklungszeit und -kosten.
Gebührenbegrenzung
Die Gebührenbegrenzungsmethode ist die ineffizienteste von allen. Hier wird nur die Sicherheit und Lebensdauer der Batterie berücksichtigt, während die Effizienz aufgegeben wird. Bei diesem Verfahren werden die einzelnen Zellenspannungen kontinuierlich überwacht.
Während des Ladevorgangs wird der Ladevorgang gestoppt, selbst wenn eine Zelle die volle Ladespannung erreicht, und die anderen Zellen bleiben auf halbem Weg. In ähnlicher Weise wird der Akku während des Entladens von der Last getrennt, bis der Akku wieder aufgeladen wird, selbst wenn eine Zelle die minimale Abschaltspannung erreicht.
Obwohl diese Methode ineffizient ist, reduziert sie die Kosten- und Größenanforderungen. Daher wird es in einer Anwendung verwendet, in der Batterien häufig aufgeladen werden können.
2. Aktiver Zellausgleich
Beim passiven Zellenausgleich wurde die überschüssige Ladung nicht verwendet, daher wird sie als ineffizient angesehen. Während beim aktiven Ausgleich die überschüssige Ladungsform einer Zelle auf eine andere Zelle mit niedriger Ladung übertragen wird, um sie auszugleichen. Dies wird durch die Verwendung von Ladungsspeicherelementen wie Kondensatoren und Induktoren erreicht. Es gibt viele Methoden, um einen aktiven Zellausgleich durchzuführen. Lassen Sie uns die häufig verwendeten Methoden diskutieren.
Lade-Shuttles (fliegende Kondensatoren)
Dieses Verfahren verwendet Kondensatoren, um Ladung von einer Hochspannungszelle zu einer Niederspannungszelle zu übertragen. Der Kondensator ist über SPDT-Schalter verbunden. Zunächst verbindet der Schalter den Kondensator mit der Hochspannungszelle. Sobald der Kondensator aufgeladen ist, verbindet ihn der Schalter mit der Niederspannungszelle, wo die Ladung vom Kondensator in die Zelle fließt. Da die Ladung zwischen den Zellen pendelt, wird diese Methode als Ladungsshuttles bezeichnet. Die folgende Abbildung soll Ihnen helfen, besser zu verstehen.
Diese Kondensatoren werden als fliegende Kondensatoren bezeichnet, da sie zwischen Ladegeräten mit niedriger Spannung und hoher Spannung fliegen, die Ladegeräte tragen. Der Nachteil bei diesem Verfahren ist, dass Ladung nur zwischen benachbarten Zellen übertragen werden kann. Außerdem dauert es länger, da der Kondensator geladen und dann entladen werden muss, um die Ladungen zu übertragen. Es ist auch sehr wenig effizient, da beim Laden und Entladen des Kondensators Energieverluste auftreten und auch die Schaltverluste berücksichtigt werden müssen. Das folgende Bild zeigt, wie der fliegende Kondensator in einem Akkupack angeschlossen wird
Induktiver Wandler (Buck-Boost-Methode)
Eine andere Methode zum aktiven Zellenausgleich ist die Verwendung von Induktivitäten und Schaltkreisen. Bei diesem Verfahren besteht die Schaltschaltung aus einem Tiefsetzsteller . Die Ladung von der Hochspannungszelle wird in die Induktivität gepumpt und dann unter Verwendung des Buck-Boost-Wandlers in die Niederspannungszelle entladen. Die folgende Abbildung zeigt einen induktiven Wandler mit nur zwei Zellen und einem Einzel-Buck-Aufwärtswandler.
In der obigen Schaltung kann Ladung von Zelle 1 zu Zelle 2 übertragen werden, indem die MOSFETs sw1 und sw2 auf folgende Weise geschaltet werden. Zuerst wird der Schalter SW1 geschlossen, wodurch die Ladung von Zelle 1 mit Strom I-Ladung in den Induktor fließt. Sobald der Induktor vollständig aufgeladen ist, wird der Schalter SW1 geöffnet und der Schalter sw2 geschlossen.
Jetzt kehrt der vollständig geladene Induktor seine Polarität um und beginnt sich zu entladen. Diesmal fließt die Ladung des Induktors mit Strom-I-Entladung in die Zelle2. Sobald der Induktor vollständig entladen ist, wird der Schalter sw2 geöffnet und der Schalter sw1 geschlossen, um den Vorgang zu wiederholen. Die folgenden Wellenformen helfen Ihnen dabei, ein klares Bild zu erhalten.
Während der Zeit t0 ist der Schalter sw1 geschlossen (eingeschaltet), was dazu führt, dass der Strom I aufgeladen wird und die Spannung am Induktor (VL) ansteigt. Sobald der Induktor zum Zeitpunkt t1 vollständig aufgeladen ist, wird der Schalter sw1 geöffnet (ausgeschaltet), wodurch der Induktor die im vorherigen Schritt angesammelte Ladung entlädt. Wenn sich ein Induktor entlädt, ändert er seine Polarität, daher wird die Spannung VL negativ angezeigt. Beim Entladen nimmt der Entladestrom (I Entladung) von seinem Maximalwert ab. All dieser Strom fließt in die Zelle 2, um sie aufzuladen. Von t2 bis t3 ist ein kleines Intervall zulässig, und dann wiederholt sich bei t3 der gesamte Zyklus erneut.
Dieses Verfahren weist auch einen Hauptnachteil auf, dass Ladung nur von einer höheren Zelle zu einer niedrigeren Zelle übertragen werden kann. Auch der Verlust beim Schalten und der Spannungsabfall der Diode sollten berücksichtigt werden. Es ist jedoch schneller und effizienter als die Kondensatormethode.
Induktiver Wandler (Flyback-basiert)
Wie wir besprochen haben, konnte das Buck-Boost-Konverter-Verfahren nur Ladungen von der höheren Zelle zur niedrigeren Zelle übertragen. Dieses Problem kann durch Verwendung eines Flyback-Wandlers und eines Transformators vermieden werden. Bei einem Flyback-Wandler ist die Primärseite der Wicklung mit dem Batteriepack verbunden, und die Sekundärseite ist mit jeder einzelnen Zelle des Batteriepacks verbunden, wie unten gezeigt
Wie wir wissen, arbeitet die Batterie mit Gleichstrom und der Transformator hat keine Wirkung, bis die Spannung geschaltet wird. Um den Ladevorgang zu starten, wird der Schalter auf der Primärspulenseite Sp geschaltet. Dadurch wird Gleichstrom in gepulsten Gleichstrom umgewandelt und die Primärseite des Transformators wird aktiviert.
Jetzt hat auf der Sekundärseite jede Zelle ihren eigenen Schalter und die Sekundärspule. Durch Schalten des Mosfets der Niederspannungszelle können wir diese spezielle Spule als Sekundärspule für den Transformator verwenden. Auf diese Weise wird die Ladung von der Primärspule auf die Sekundärspule übertragen. Dies führt dazu, dass sich die Gesamtbatteriespannung in die schwache Zelle entlädt.
Der größte Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass jede schwache Zelle in der Packung leicht aus der Packungsspannung aufgeladen werden kann und keine bestimmte Zelle entladen wird. Da es sich jedoch um einen Transformator handelt, nimmt er einen großen Raum ein und die Komplexität der Schaltung ist hoch.
3. Verlustfreies Auswuchten
Lossless Balancing ist eine kürzlich entwickelte Methode, die Verluste reduziert, indem sie die Hardwarekomponenten reduziert und mehr Softwaresteuerung bietet. Dies macht das System auch einfacher und einfacher zu entwerfen. Dieses Verfahren verwendet eine Matrixschaltschaltung, die die Möglichkeit bietet, während des Ladens und Entladens eine Zelle zu einem Pack hinzuzufügen oder daraus zu entfernen. Eine einfache Matrixschaltschaltung für acht Zellen ist unten gezeigt.
Während des Ladevorgangs wird die Zelle mit hoher Spannung unter Verwendung der Schalteranordnungen aus dem Pack entfernt. In der obigen Abbildung wird die Zelle 5 mithilfe der Schalter aus der Packung entfernt. Betrachten Sie die roten Linienkreise als offene Schalter und den blauen Linienkreis als geschlossene Schalter. Somit wird die Ruhezeit der schwächeren Zellen während des Ladevorgangs erhöht, um sie während des Ladevorgangs auszugleichen. Die Ladespannung muss jedoch entsprechend angepasst werden. Die gleiche Technik kann auch beim Entladen angewendet werden.
4. Redox Shuttle
Die endgültige Methode ist nicht für Hardware-Designer, sondern für Chemieingenieure. In Blei-Säure-Batterien haben wir nicht das Problem des Zellausgleichs, da eine Blei-Säure-Batterie bei Überladung eine Gasbildung verursacht, die verhindert, dass sie überladen wird. Die Idee hinter dem Redox-Shuttle ist es, den gleichen Effekt auf Lithiumzellen zu erzielen, indem die Chemie des Elektrolyten der Lithiumzelle verändert wird. Dieser modifizierte Elektrolyt sollte verhindern, dass die Zelle überladen wird.
Cell Balancing-Algorithmen
Eine effektive Zellausgleichstechnik sollte die Hardware zu einem geeigneten Algorithmus kombinieren. Es gibt viele Algorithmen für den Zellausgleich und dies hängt vom Hardware-Design ab. Die Typen können jedoch auf zwei verschiedene Abschnitte reduziert werden.
Messung der Leerlaufspannung (OCV)
Dies ist die einfachste und am häufigsten angewandte Methode. Hier werden die Spannungen offener Zellen für jede Zelle gemessen, und die Zellenausgleichsschaltung gleicht die Spannungswerte aller in Reihe geschalteten Zellen aus. Es ist einfach, OCV (Open Circuit Voltage) zu messen, und daher ist die Komplexität dieses Algorithmus geringer.
Messung des Ladungszustands (SOC)
Bei dieser Methode wird der SOC der Zellen ausgeglichen. Wie wir bereits wissen, ist das Messen des SOC einer Zelle eine komplexe Aufgabe, da wir den Spannungs- und Stromwert der Zelle über einen bestimmten Zeitraum berücksichtigen müssen, um den SOC-Wert zu berechnen. Dieser Algorithmus ist komplex und wird an Orten eingesetzt, an denen hohe Effizienz und Sicherheit erforderlich sind, wie in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Damit ist der Artikel hier abgeschlossen. Ich hoffe, Sie haben jetzt eine kurze Vorstellung davon, wie Cell Balancing auf Hardware- und Softwareebene implementiert wird. Wenn Sie Ideen oder Techniken haben, teilen Sie diese im Kommentarbereich mit oder nutzen Sie die Foren, um technische Hilfe zu erhalten.