Τεχνικές εξισορρόπησης κυττάρων και τρόπος χρήσης τους

Ένα ονομαστικό κελί λιθίου βαθμολογείται μόνο για περίπου 4,2V, αλλά στις εφαρμογές του όπως EV, φορητά ηλεκτρονικά, φορητοί υπολογιστές, τράπεζες τροφοδοσίας κ.λπ. απαιτούμε πολύ υψηλότερη τάση από την ονομαστική τάση. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο οι σχεδιαστές συνδυάζουν περισσότερα από ένα κελιά σε σειρά για να σχηματίσουν μια μπαταρία υψηλότερων τιμών τάσης. Όπως γνωρίζουμε από το προηγούμενο άρθρο της μπαταρίας ηλεκτρικού οχήματος, όταν οι μπαταρίες συνδυάζονται εν σειρά, η τιμή τάσης αυξάνεται. Για παράδειγμα, όταν τέσσερα κελιά λιθίου 4,2V συνδέονται εν σειρά, η πραγματική τάση εξόδου της προκύπτουσας μπαταρίας θα είναι 16,8V.

Αλλά μπορείτε να φανταστείτε ότι η σύνδεση πολλών κυττάρων σε σειρά είναι σαν να τοποθετείτε πολλά άλογα σε ένα άρμα. Μόνο εάν όλα τα άλογα τρέχουν με την ίδια ταχύτητα, το άρμα θα οδηγείται με μέγιστη απόδοση. Από τα τέσσερα άλογα εάν ένα άλογο τρέχει αργά, τότε τα άλλα τρία πρέπει επίσης να μειώσουν την ταχύτητά τους, μειώνοντας έτσι την αποδοτικότητα και εάν ένα άλογο τρέχει πιο γρήγορα, τελικά θα τραυματίστηκε τραβώντας το φορτίο των άλλων τριών αλόγων. Ομοίως, όταν τέσσερα κελιά συνδέονται εν σειρά, οι τιμές τάσης και των τεσσάρων κυψελών θα πρέπει να είναι ίσες για να αντλήσουν τη μπαταρία με τη μέγιστη απόδοση. Η μέθοδος διατήρησης όλων των τάσεων κυψέλης να είναι ίση ονομάζεται κυτταρική εξισορρόπηση. Σε αυτό το άρθρο θα μάθουμε περισσότερα για την εξισορρόπηση κυττάρων και επίσης για σύντομο τρόπο χρήσης τους σε επίπεδο υλικού και λογισμικού.

Γιατί χρειαζόμαστε την εξισορρόπηση κυττάρων;

Η εξισορρόπηση κυττάρων είναι μια τεχνική στην οποία τα επίπεδα τάσης κάθε μεμονωμένου κυττάρου που συνδέεται σε σειρά για να σχηματίσουν μια μπαταρία διατηρείται ώστε να είναι ίσο για την επίτευξη της μέγιστης απόδοσης της μπαταρίας. Όταν διαφορετικά κελιά συνδυάζονται μαζί για να σχηματίσουν μια μπαταρία, είναι πάντα σίγουρο ότι έχουν την ίδια χημεία και τιμή τάσης. Αλλά μόλις εγκατασταθεί το πακέτο και υποβληθεί σε φόρτιση και εκφόρτιση των τιμών τάσης των επιμέρους κυττάρων τείνει να ποικίλλει για κάποιους λόγους που θα συζητήσουμε αργότερα. Αυτή η διακύμανση των επιπέδων τάσης προκαλεί μη ισορροπία των κυττάρων που θα οδηγήσει σε ένα από τα ακόλουθα προβλήματα

Θερμική φυγή

Το χειρότερο πράγμα που μπορεί να συμβεί είναι η θερμική φυγή. Όπως γνωρίζουμε, τα κύτταρα λιθίου είναι πολύ ευαίσθητα στην υπερφόρτιση και στην υπερφόρτιση. Σε μια συσκευασία τεσσάρων κυψελών εάν το ένα κελί είναι 3,5V ενώ το άλλο είναι 3,2V, η φόρτιση θα φορτίσει όλα τα κελιά μαζί καθώς είναι σε σειρά και θα φορτίσει την κυψέλη 3,5V σε περισσότερο από την προτεινόμενη τάση, καθώς οι άλλες μπαταρίες είναι ακόμα απαιτούν φόρτιση.

Αποικοδόμηση κυττάρων

Όταν ένα κελί λιθίου υπερφορτίζεται ακόμη και λίγο πιο πάνω από τη συνιστώμενη τιμή του, μειώνεται η απόδοση και ο κύκλος ζωής του κελιού. Για παράδειγμα, μια μικρή αύξηση της τάσης φόρτισης από 4,2V σε 4,25V θα υποβαθμίσει την μπαταρία γρηγορότερα κατά 30%. Επομένως, εάν η εξισορρόπηση των κυττάρων δεν είναι ακριβής, ακόμη και η ελαφρά υπερφόρτιση θα μειώσει το χρόνο ζωής της μπαταρίας.

Ατελής φόρτιση του Pack

Καθώς οι μπαταρίες σε ένα πακέτο γερνούν, μερικά κελιά μπορεί να είναι πιο αδύναμα από τα γειτονικά της κελιά. Αυτά τα εβδομαδιαία κύτταρα θα είναι τεράστιο πρόβλημα αφού φορτίζουν και εκφορτώνουν γρηγορότερα από ένα κανονικό υγιές κύτταρο. Κατά τη φόρτιση μιας μπαταρίας με κυψελίδες σειράς, η διαδικασία φόρτισης πρέπει να διακοπεί ακόμη και αν ένα κελί φτάσει στη μέγιστη τάση. Με αυτόν τον τρόπο, εάν δύο κελιά σε μια μπαταρία φτάσουν την εβδομάδα, θα φορτιστούν γρηγορότερα και έτσι τα υπόλοιπα κελιά δεν θα φορτιστούν στο μέγιστο όπως φαίνεται παρακάτω.

Μη ολοκληρωμένη χρήση ενέργειας Pack

Ομοίως στην ίδια περίπτωση όταν η μπαταρία αποφορτίζεται, τα ασθενέστερα κύτταρα θα εκφορτίζονται γρηγορότερα από το υγιές κελί και θα φτάσουν στην ελάχιστη τάση γρηγορότερα από άλλα κελιά. Όπως μάθαμε στο άρθρο μας BMS, το πακέτο θα αποσυνδεθεί από το φορτίο, ακόμη και αν ένα κελί φτάσει στην ελάχιστη τάση. Αυτό οδηγεί στην αχρησιμοποίητη χωρητικότητα της ενέργειας συσκευασίας όπως φαίνεται παρακάτω

Λαμβάνοντας υπόψη όλα τα παραπάνω πιθανά μειονεκτήματα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η εξισορρόπηση κυττάρων θα ήταν υποχρεωτική για τη χρήση της μπαταρίας στη μέγιστη αποδοτικότητά της. Ακόμα υπάρχουν λίγες εφαρμογές όπου το αρχικό κόστος θα πρέπει να είναι πολύ χαμηλό και η αντικατάσταση της μπαταρίας δεν αποτελεί πρόβλημα σε αυτές τις εφαρμογές θα μπορούσε να αποφευχθεί η εξισορρόπηση κυττάρων. Ωστόσο, στην πλειονότητα των εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών οχημάτων, η εξισορρόπηση κυττάρων είναι υποχρεωτική για τη λήψη του μέγιστου χυμού από την μπαταρία.

Τι προκαλεί την εξισορρόπηση των κυττάρων στις μπαταρίες;

Τώρα ξέρουμε γιατί η διατήρηση όλων των κυττάρων ισορροπημένη σε μια μπαταρία είναι σημαντική. Αλλά για να αντιμετωπίσουμε σωστά το πρόβλημα θα πρέπει να γνωρίζουμε γιατί τα κύτταρα δεν είναι ισορροπημένα από πρώτο χέρι. Όπως ειπώθηκε νωρίτερα, όταν μια μπαταρία σχηματίζεται τοποθετώντας τα κελιά σε σειρά, διασφαλίζεται ότι όλα τα κελιά έχουν τα ίδια επίπεδα τάσης. Έτσι, μια νέα μπαταρία θα έχει πάντα ισορροπημένα κελιά. Αλλά καθώς το πακέτο τίθεται σε χρήση, τα κελιά γίνονται ανισορροπημένα για τους ακόλουθους λόγους.

Ανισορροπία SOC

Η μέτρηση του SOC ενός κελιού είναι περίπλοκη. Ως εκ τούτου, είναι πολύ περίπλοκο να μετρηθεί το SOC μεμονωμένων κυττάρων σε μια μπαταρία. Μια ιδανική τεχνική εξισορρόπησης κυττάρων πρέπει να ταιριάζει με τα κελιά του ίδιου SOC αντί για τα ίδια επίπεδα τάσης (OCV). Αλλά επειδή δεν είναι πρακτικά δυνατό τα κύτταρα να αντιστοιχίζονται μόνο με όρους τάσης κατά τη δημιουργία ενός πακέτου, η διακύμανση στο SOC μπορεί να οδηγήσει σε αλλαγή στο OCV σε εύθετο χρόνο.

Διακύμανση εσωτερικής αντίστασης

Είναι πολύ δύσκολο να βρεθούν κελιά της ίδιας Εσωτερικής Αντίστασης (IR) και καθώς η ηλικία της μπαταρίας αλλάζει και το IR του κελιού και έτσι σε μια μπαταρία δεν θα έχουν όλα τα κελιά το ίδιο IR. Όπως γνωρίζουμε, το IR συμβάλλει στην εσωτερική αντίσταση του κελιού που καθορίζει το ρεύμα που ρέει μέσω ενός κελιού. Δεδομένου ότι το IR μεταβάλλεται το ρεύμα μέσω κυψέλης και η τάση του μεταβάλλεται επίσης.

Θερμοκρασία

Η ικανότητα φόρτισης και εκφόρτισης του στοιχείου εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία γύρω από αυτό. Σε ένα τεράστιο πακέτο μπαταριών, όπως σε EV ή σε ηλιακές συστοιχίες, τα κύτταρα κατανέμονται σε περιοχές αποβλήτων και μπορεί να υπάρχει διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ του ίδιου του πακέτου που προκαλεί τη φόρτιση ή εκφόρτιση ενός στοιχείου γρηγορότερα από τα υπόλοιπα κύτταρα που προκαλούν ανισορροπία.

Από τους παραπάνω λόγους είναι σαφές ότι δεν μπορούμε να αποτρέψουμε την ισορροπία των κυττάρων κατά τη διάρκεια της επέμβασης. Έτσι, η μόνη λύση είναι να χρησιμοποιήσετε ένα εξωτερικό σύστημα που αναγκάζει τα κύτταρα να εξισορροπηθούν ξανά μετά την ισορροπία. Αυτό το σύστημα ονομάζεται Σύστημα Εξισορρόπησης Μπαταρίας. Υπάρχουν πολλοί διαφορετικοί τύποι τεχνικών υλικού και λογισμικού που χρησιμοποιούνται για την εξισορρόπηση κυττάρων μπαταριών. Ας συζητήσουμε τους τύπους και τις ευρέως χρησιμοποιούμενες τεχνικές.

Τύποι εξισορρόπησης κυψέλης μπαταρίας

Οι τεχνικές εξισορρόπησης κυττάρων μπορούν να ταξινομηθούν ευρέως στις ακόλουθες τέσσερις κατηγορίες που παρατίθενται παρακάτω. Θα συζητήσουμε για κάθε κατηγορία.

1. Παθητική εξισορρόπηση κυττάρων
2. Ενεργή εξισορρόπηση κυττάρων
3. Ισορροπία κυττάρων χωρίς απώλειες
4. Redox Shuttle

1. Παθητική εξισορρόπηση κυττάρων

Η μέθοδος παθητικής εξισορρόπησης κυττάρων είναι η απλούστερη μέθοδος όλων. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε μέρη όπου το κόστος και το μέγεθος είναι σημαντικοί περιορισμοί. Ακολουθούν οι δύο τύποι παθητικής εξισορρόπησης κυττάρων.

Φόρτιση Shunting

Σε αυτήν τη μέθοδο χρησιμοποιείται ένα εικονικό φορτίο όπως μια αντίσταση για την εκφόρτιση της περίσσειας τάσης και την εξισορρόπησή της με άλλα κελιά. Αυτές οι αντιστάσεις καλούνται ως αντιστάσεις παράκαμψης ή αντιστάσεις αιμορραγίας. Κάθε κελί συνδεδεμένο σε σειρά σε ένα πακέτο θα έχει τη δική του αντίσταση παράκαμψης συνδεδεμένη μέσω ενός διακόπτη όπως φαίνεται παρακάτω.

Το παραπάνω κύκλωμα δείγματος δείχνει τέσσερα κελιά καθένα από τα οποία συνδέεται με δύο αντιστάσεις παράκαμψης μέσω ενός διακόπτη όπως το MOSFET. Οι ελεγκτές μετρά την τάση και των τεσσάρων κυψελών και ενεργοποιεί το mosfet για το κελί του οποίου η τάση είναι υψηλότερη από τα άλλα κελιά. Όταν το mosfet είναι ενεργοποιημένο, το συγκεκριμένο κελί αρχίζει να εκκρίνεται μέσω των αντιστάσεων. Δεδομένου ότι γνωρίζουμε την αξία των αντιστάσεων, μπορούμε να προβλέψουμε πόση φόρτιση διαλύεται από το κελί. Ο πυκνωτής που συνδέεται παράλληλα με την κυψέλη χρησιμοποιείται για το φιλτράρισμα των αιχμών τάσης κατά την αλλαγή.

Αυτή η μέθοδος δεν είναι πολύ αποτελεσματική επειδή η ηλεκτρική ενέργεια διαχέεται ως θερμότητα στις αντιστάσεις και το κύκλωμα λογαριάζει επίσης τις απώλειες μεταγωγής. Ένα άλλο μειονέκτημα είναι ότι ολόκληρο το ρεύμα εκφόρτισης ρέει μέσω του mosfet το οποίο είναι κυρίως ενσωματωμένο στο IC του ελεγκτή και συνεπώς το ρεύμα εκφόρτισης πρέπει να περιορίζεται σε χαμηλές τιμές που αυξάνουν το χρόνο εκφόρτισης. Ένας τρόπος για να ξεπεραστεί το μειονέκτημα είναι να χρησιμοποιήσετε έναν εξωτερικό διακόπτη για να αυξήσετε το ρεύμα εκφόρτισης όπως φαίνεται παρακάτω

Το εσωτερικό κανάλι P MOSFET ενεργοποιείται από τον ελεγκτή που προκαλεί την εκφόρτιση της κυψέλης (I-bias) μέσω των αντιστάσεων R1 και R2. Η τιμή του R2 επιλέγεται με τέτοιο τρόπο ώστε η πτώση της τάσης να συμβαίνει κατά μήκος της λόγω της ροής του ρεύματος εκφόρτισης (I-bias) είναι αρκετή για να ενεργοποιήσει το δεύτερο N-channel MOSFET. Αυτή η τάση ονομάζεται τάση πηγής πύλης (Vgs) και το απαιτούμενο ρεύμα για πόλωση του MOSFET καλείται ως ρεύμα πόλωσης (I-bias).

Μόλις ενεργοποιηθεί το κανάλι N-MOSFET, το ρεύμα ρέει τώρα μέσω της αντίστασης εξισορρόπησης R-Bal . Η τιμή αυτής της αντίστασης μπορεί να είναι χαμηλή, επιτρέποντας έτσι να περάσει περισσότερο ρεύμα και έτσι να αποφορτιστεί η μπαταρία πιο γρήγορα. Αυτό το ρεύμα ονομάζεται ρεύμα αποστράγγισης (I-drain). Σε αυτό το κύκλωμα το συνολικό ρεύμα εκφόρτισης είναι το άθροισμα του ρεύματος αποστράγγισης και του ρεύματος προκατάληψης. Όταν το P-channel MOSFET απενεργοποιείται από τον ελεγκτή, το ρεύμα πόλωσης είναι μηδέν και έτσι η τάση Vgs παίρνει επίσης μηδέν. Με αυτόν τον τρόπο απενεργοποιείται το N-channel MOSFET αφήνοντας την μπαταρία και πάλι ιδανική.

IC παθητικής εξισορρόπησης κυττάρων

Παρόλο που η τεχνική παθητικής εξισορρόπησης δεν είναι αποτελεσματική, χρησιμοποιείται συχνότερα λόγω αυτής της απλότητας και του χαμηλού κόστους. Αντί να σχεδιάσετε το υλικό, μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήσετε λίγα εύκολα διαθέσιμα IC όπως LTC6804 και BQ77PL900 από διάσημους κατασκευαστές όπως τα όργανα Linear και Texas αντίστοιχα. Αυτά τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να διαδοχικά παρακολουθούν πολλαπλά κελιά και εξοικονομούν χρόνο και κόστος ανάπτυξης.

Περιορισμός φόρτισης

Η μέθοδος περιορισμού χρεώσεων είναι η πιο αναποτελεσματική μέθοδος όλων. Εδώ λαμβάνεται υπόψη μόνο ο χρόνος ασφάλειας και διάρκειας ζωής της μπαταρίας, ενώ παραιτείται από την αποδοτικότητα. Σε αυτήν τη μέθοδο οι μεμονωμένες τάσεις κυττάρων παρακολουθούνται συνεχώς.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης, ακόμη και αν ένα κελί φτάσει στην τάση πλήρους φόρτισης, η φόρτιση διακόπτεται αφήνοντας τα άλλα κελιά στη μέση. Ομοίως κατά την εκφόρτιση, ακόμη και αν ένα κελί φτάσει στην ελάχιστη τάση αποκοπής, η μπαταρία αποσυνδέεται από το φορτίο έως ότου η συσκευασία φορτιστεί ξανά.

Αν και αυτή η μέθοδος είναι αναποτελεσματική, μειώνει τις απαιτήσεις κόστους και μεγέθους. Ως εκ τούτου, χρησιμοποιείται σε μια εφαρμογή όπου οι μπαταρίες θα μπορούσαν να φορτίζονται συχνά.

2. Ενεργή εξισορρόπηση κυττάρων

Στην παθητική εξισορρόπηση κυττάρων δεν χρησιμοποιήθηκε το επιπλέον φορτίο, επομένως θεωρείται αναποτελεσματικό. Ενώ στην ενεργητική εξισορρόπηση, η περίσσεια φόρτισης σχηματίζει ένα κελί σε ένα άλλο κελί χαμηλής φόρτισης για εξισορρόπησή τους. Αυτό επιτυγχάνεται με τη χρήση στοιχείων αποθήκευσης φορτίων, όπως πυκνωτές και επαγωγείς. Υπάρχουν πολλές μέθοδοι για την εκτέλεση της Ενεργής εξισορρόπησης κυττάρων.

Φορτίο μεταφοράς (πυκνωτές πτήσης)

Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί πυκνωτές για μεταφορά φορτίου από κυψέλη υψηλής τάσης σε κυψέλη χαμηλής τάσης. Ο πυκνωτής συνδέεται μέσω των διακοπτών SPDT αρχικά ο διακόπτης συνδέει τον πυκνωτή με την κυψέλη υψηλής τάσης και μόλις φορτωθεί ο πυκνωτής ο διακόπτης τον συνδέει με την κυψέλη χαμηλής τάσης όπου το φορτίο από τον πυκνωτή ρέει στην κυψέλη. Δεδομένου ότι η φόρτιση μεταφέρεται μεταξύ των κελιών, αυτή η μέθοδος ονομάζεται μεταφορά φορτίου. Το παρακάτω σχήμα θα σας βοηθήσει να κατανοήσετε καλύτερα.

Αυτοί οι πυκνωτές ονομάζονται πυκνωτές πτήσης, καθώς η πτήση μεταξύ των κυψελών χαμηλής και υψηλής τάσης που μεταφέρουν φορτιστές. Το μειονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι η φόρτιση μπορεί να μεταφερθεί μόνο μεταξύ γειτονικών κελιών. Επίσης, χρειάζεται περισσότερος χρόνος από τότε που ο πυκνωτής πρέπει να φορτιστεί και στη συνέχεια να αποφορτιστεί για τη μεταφορά των χρεώσεων. Είναι επίσης πολύ λιγότερο αποτελεσματικό, καθώς θα υπάρξει απώλεια ενέργειας κατά τη φόρτιση και εκφόρτιση του πυκνωτή και οι απώλειες μεταγωγής πρέπει επίσης να ληφθούν υπόψη. Η παρακάτω εικόνα δείχνει πώς θα συνδέεται ο ιπτάμενος πυκνωτής σε μια μπαταρία

Επαγωγικός μετατροπέας (μέθοδος Buck Boost)

Μια άλλη μέθοδος ενεργού εξισορρόπησης κυττάρων είναι με τη χρήση επαγωγέων και εναλλαγής κυκλωμάτων. Σε αυτήν τη μέθοδο το κύκλωμα μεταγωγής αποτελείται από έναν μετατροπέα ενίσχυσης buck . Το φορτίο από την κυψέλη υψηλής τάσης αντλείται στον επαγωγέα και στη συνέχεια αποφορτίζεται στην κυψέλη χαμηλής τάσης χρησιμοποιώντας τον μετατροπέα ενίσχυσης buck. Το παρακάτω σχήμα αντιπροσωπεύει έναν Επαγωγικό μετατροπέα με μόνο δύο κελιά και έναν μετατροπέα ενίσχυσης με μονό buck.

Στο παραπάνω κύκλωμα το φορτίο μπορεί να μεταφερθεί από το κελί 1 στο κελί 2 αλλάζοντας τα MOSFETS sw1 και sw2 με τον ακόλουθο τρόπο. Αρχικά ο διακόπτης SW1 είναι κλειστός, αυτό θα κάνει το φορτίο από το κελί 1 να ρέει στον επαγωγέα με το τρέχον φορτίο Ι. Μόλις ο επαγωγέας φορτιστεί πλήρως, ο διακόπτης SW1 ανοίγει και ο διακόπτης sw2 κλείνει.

Τώρα, ο επαγωγέας που είναι πλήρως φορτισμένος θα αντιστρέψει την πολικότητά του και θα αρχίσει να εκφορτώνεται. Αυτή τη φορά το φορτίο σχηματίζει τον επαγωγέα ρέει στο κελί2 με την τρέχουσα εκφόρτιση Ι. Μόλις ο επαγωγέας αποφορτιστεί πλήρως, ο διακόπτης sw2 ανοίγει και ο διακόπτης sw1 κλείνει για να επαναλάβει τη διαδικασία. Οι παρακάτω κυματομορφές θα σας βοηθήσουν να λάβετε μια σαφή εικόνα.

Κατά τη διάρκεια του χρόνου t0 ο διακόπτης sw1 είναι κλειστός (ενεργοποιημένος) ο οποίος οδηγεί στην αύξηση του ρεύματος που φορτίζω και την τάση κατά μήκος του επαγωγέα (VL) για αύξηση. Στη συνέχεια, μόλις ο επαγωγέας φορτιστεί πλήρως στο χρόνο t1 ο διακόπτης sw1 ανοίγει (απενεργοποιείται), ο οποίος κάνει τον επαγωγέα να εκφορτώσει τη φόρτιση που συσσωρεύτηκε στο προηγούμενο βήμα. Όταν ένας επαγωγέας εκφορτώνει αλλάζει την πολικότητά του, ως εκ τούτου η τάση VL εμφανίζεται αρνητικά. Κατά την εκφόρτιση το ρεύμα εκφόρτισης (I εκφόρτιση) μειώνεται από τη μέγιστη τιμή του. Όλο αυτό το ρεύμα εισέρχεται στο κελί 2 για να το φορτίσει. Επιτρέπεται ένα μικρό διάστημα από το χρόνο t2 έως το t3 και μετά στο t3 ολόκληρος ο κύκλος επαναλαμβάνεται ξανά.

Αυτή η μέθοδος πάσχει επίσης από ένα μεγάλο μειονέκτημα ότι το φορτίο θα μπορούσε να μεταφερθεί μόνο από ανώτερο κελί σε κατώτερο κελί. Θα πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψη η απώλεια εναλλαγής και η πτώση τάσης διόδου. Αλλά είναι πιο γρήγορο και αποδοτικό από τη μέθοδο του πυκνωτή.

Επαγωγικός μετατροπέας (Fly back based)

Όπως συζητήσαμε, η μέθοδος μετατροπής ενίσχυσης buck θα μπορούσε μόνο να μεταφέρει χρεώσεις από το υψηλότερο κελί στο χαμηλότερο κελί. Αυτό το πρόβλημα μπορεί να αποφευχθεί χρησιμοποιώντας έναν μετατροπέα Fly back και έναν μετασχηματιστή. Σε έναν μετατροπέα τύπου flyback, η κύρια πλευρά του περιελίγματος συνδέεται με τη μπαταρία και η δευτερεύουσα πλευρά συνδέεται με κάθε μεμονωμένο στοιχείο της μπαταρίας, όπως φαίνεται παρακάτω

Όπως γνωρίζουμε, η μπαταρία λειτουργεί με DC και ο μετασχηματιστής δεν θα έχει αποτέλεσμα έως ότου αλλάξει η τάση. Έτσι, για να ξεκινήσετε τη διαδικασία φόρτισης, ο διακόπτης στην κύρια πηνία Sp αλλάζει. Αυτό μετατρέπει DC σε παλμικό DC και ενεργοποιείται η κύρια πλευρά του μετασχηματιστή.

Τώρα στη δευτερεύουσα πλευρά κάθε κελί έχει το δικό του διακόπτη και το δευτερεύον πηνίο. Αλλάζοντας το mosfet του στοιχείου χαμηλής τάσης μπορούμε να κάνουμε το συγκεκριμένο πηνίο να λειτουργήσει ως δευτερεύον για τον μετασχηματιστή. Με αυτόν τον τρόπο το φορτίο από το πρωτεύον πηνίο μεταφέρεται στο δευτερεύον πηνίο. Αυτό προκαλεί την εκφόρτιση της συνολικής τάσης της μπαταρίας στο ασθενές κελί.

Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα αυτής της μεθόδου είναι ότι οποιοδήποτε ασθενές στοιχείο στο πακέτο μπορεί εύκολα να φορτιστεί από την τάση του πακέτου και όχι από το συγκεκριμένο κελί είναι εκφορτίσεις. Αλλά επειδή περιλαμβάνει μετασχηματιστή, καταλαμβάνει μεγάλο χώρο και η πολυπλοκότητα του κυκλώματος είναι υψηλή.

3. Ισορροπία χωρίς απώλειες

Η εξισορρόπηση χωρίς απώλειες είναι μια μέθοδος που αναπτύχθηκε πρόσφατα και μειώνει τις απώλειες μειώνοντας τα στοιχεία του υλικού και παρέχοντας μεγαλύτερο έλεγχο λογισμικού. Αυτό καθιστά επίσης το σύστημα απλούστερο και πιο εύκολο στο σχεδιασμό. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί ένα κύκλωμα μεταγωγής μήτρας που παρέχει τη δυνατότητα προσθήκης ή αφαίρεσης ενός κυττάρου από ένα πακέτο κατά τη φόρτιση και την εκφόρτιση. Ένα απλό κύκλωμα εναλλαγής μήτρας για οκτώ κελιά φαίνεται παρακάτω.

Κατά τη διαδικασία φόρτισης, το κελί υψηλής τάσης θα αφαιρεθεί από τη συσκευασία χρησιμοποιώντας τις ρυθμίσεις διακόπτη. Στο παραπάνω σχήμα, το κελί 5 αφαιρείται από τη συσκευασία χρησιμοποιώντας τους διακόπτες. Θεωρήστε ότι οι κύκλοι της κόκκινης γραμμής είναι ανοικτοί διακόπτες και ο κύκλος της μπλε γραμμής ως κλειστοί διακόπτες. Έτσι, ο χρόνος ανάπαυσης των ασθενέστερων κυψελών αυξάνεται κατά τη διαδικασία φόρτισης, έτσι ώστε να εξισορροπούνται κατά τη φόρτιση. Αλλά η τάση φόρτισης πρέπει να ρυθμιστεί ανάλογα. Η ίδια τεχνική μπορεί να ακολουθηθεί και κατά την εκφόρτιση.

4. Redox Shuttle

Η τελική μέθοδος δεν είναι για σχεδιαστές υλικού αλλά για χημικούς μηχανικούς. Στην μπαταρία μολύβδου οξέος δεν έχουμε το πρόβλημα της εξισορρόπησης των κυττάρων γιατί όταν μια μπαταρία μολύβδου οξέος υπερφορτίζεται προκαλεί αέρια που εμποδίζει την υπερφόρτιση. Η ιδέα πίσω από το Redox shuttle είναι να προσπαθήσουμε να επιτύχουμε το ίδιο αποτέλεσμα στα κύτταρα λιθίου αλλάζοντας τη χημεία του ηλεκτρολύτη του κυττάρου λιθίου. Αυτός ο τροποποιημένος ηλεκτρολύτης θα αποτρέψει την υπερφόρτιση της κυψέλης.

Αλγόριθμοι εξισορρόπησης κυττάρων

Μια αποτελεσματική τεχνική εξισορρόπησης κυττάρων θα πρέπει να συνδυάζει το υλικό με έναν κατάλληλο αλγόριθμο. Υπάρχουν πολλοί αλγόριθμοι για την εξισορρόπηση κυττάρων και εξαρτάται από το σχεδιασμό του υλικού. Όμως οι τύποι μπορούν να αναλυθούν σε δύο διαφορετικές ενότητες.

Μέτρηση της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV)

Αυτή είναι η εύκολη και πιο συχνά ακολουθούμενη μέθοδος. Εδώ μετράται η τάση των ανοικτών κυττάρων για κάθε κυψέλη και το κύκλωμα εξισορρόπησης κυττάρων λειτουργεί για να εξισώσει τις τιμές τάσης όλων των κυψελών που συνδέονται σε σειρά. Είναι απλό να μετρηθεί το OCV (τάση ανοιχτού κυκλώματος) και ως εκ τούτου η πολυπλοκότητα αυτού του αλγορίθμου είναι μικρότερη.

Μέτρηση της κατάστασης φόρτισης (SOC)

Σε αυτήν τη μέθοδο το SOC των κυττάρων είναι ισορροπημένο. Όπως ήδη γνωρίζουμε, η μέτρηση του SOC ενός κελιού είναι μια πολύπλοκη εργασία, καθώς πρέπει να λάβουμε υπόψη την τάση και την τρέχουσα τιμή του κελιού για μια χρονική περίοδο για να υπολογίσουμε την τιμή του SOC. Αυτός ο αλγόριθμος είναι πολύπλοκος και χρησιμοποιείται σε μέρη όπου απαιτείται υψηλή απόδοση και ασφάλεια, όπως στην αεροδιαστημική και τη διαστημική βιομηχανία.

Αυτό ολοκληρώνει το άρθρο εδώ. Ελπίζω τώρα να έχετε μια σύντομη ιδέα για το τι ισορροπία κυττάρων είναι πώς εφαρμόζεται σε επίπεδο υλικού και λογισμικού. Εάν έχετε οποιεσδήποτε ιδέες ή τεχνικές μοιραστείτε τις στην ενότητα σχολίων ή χρησιμοποιήστε τα φόρουμ για να λάβετε τεχνική βοήθεια.