Teknik pengimbangan sel dan cara menggunakannya

Sel litium nominal dinilai sekitar 4.2V sahaja, tetapi dalam aplikasinya seperti EV, elektronik mudah alih, komputer riba, bank kuasa dan lain-lain, kita memerlukan voltan yang jauh lebih tinggi daripada voltan nominalnya. Inilah sebab mengapa pereka menggabungkan lebih daripada satu sel secara bersiri untuk membentuk pek bateri dengan nilai voltan yang lebih tinggi. Seperti yang kita ketahui dari artikel bateri Kenderaan Elektrik kita sebelumnya, apabila bateri digabungkan secara berurutan, nilai voltan bertambah. Sebagai contoh apabila empat sel litium 4.2V disambungkan secara bersambung, voltan keluaran berkesan dari pek bateri yang dihasilkan akan menjadi 16.8V.

Tetapi anda boleh bayangkan menghubungkan banyak sel secara bersiri seperti memasang banyak kuda ke kereta kuda. Hanya jika semua kuda berlari dengan kelajuan yang sama kereta akan dikendarai dengan kecekapan maksimum. Dari empat kuda jika satu kuda berjalan dengan perlahan, maka tiga ekor kuda yang lain juga harus menurunkan kelajuannya sehingga dapat menurunkan kecekapan dan jika satu kuda berjalan lebih cepat akhirnya akan melukai dirinya sendiri dengan menarik beban tiga kuda yang lain. Begitu juga, apabila empat sel dihubungkan secara berurutan, nilai voltan keempat-empat sel harus sama untuk mendapatkan bateri dengan kecekapan maksimum. Kaedah mengekalkan semua voltan sel agar sama dipanggil sebagai pengimbangan sel. Dalam artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut mengenai pengimbangan sel dan juga secara ringkas mengenai cara menggunakannya di peringkat perkakasan dan perisian.

Mengapa kita memerlukan Pengimbangan Sel?

Pengimbangan sel adalah teknik di mana tahap voltan setiap sel individu yang dihubungkan secara bersiri untuk membentuk pek bateri dijaga agar sama dengan mencapai kecekapan maksimum pek bateri. Apabila sel yang berlainan digabungkan untuk membentuk pek bateri, sel itu selalu memastikan bahawa ia mempunyai nilai kimia dan voltan yang sama. Tetapi apabila pek dipasang dan dikenakan untuk mengecas dan melepaskan nilai voltan setiap sel cenderung berbeza disebabkan beberapa sebab yang akan kita bincangkan kemudian. Perbezaan tahap voltan ini menyebabkan sel tidak seimbang yang akan menyebabkan salah satu masalah berikut

Pelarian Termal

Perkara terburuk yang boleh berlaku adalah pelarian terma. Seperti yang kita ketahui sel-sel litium sangat sensitif terhadap pengecasan berlebihan dan pelepasan berlebihan. Dalam pek empat sel jika satu sel adalah 3.5V sementara yang lain adalah 3.2V, cas akan mengecas semua sel secara bersamaan kerana ia berada dalam siri dan ia akan mengecas sel 3.5V ke voltan yang lebih banyak yang disyorkan kerana bateri lain masih ada memerlukan pengecasan.

Kemerosotan Sel

Apabila sel litium berlebihan walaupun sedikit di atas nilai yang disyorkan, kecekapan dan kitaran hidup sel akan berkurang. Contohnya sedikit kenaikan voltan pengecasan dari 4.2V hingga 4.25V akan menurunkan bateri dengan lebih cepat sebanyak 30%. Oleh itu, jika pengimbangan sel tidak tepat malah pengecasan berlebihan akan mengurangkan jangka hayat bateri.

Pengisian Pack yang tidak lengkap

Oleh kerana bateri dalam pek bertambah tua, beberapa sel mungkin lebih lemah daripada sel yang berdekatan. Sel minggu ini akan menjadi masalah besar kerana sel akan mengecas dan membuang lebih cepat daripada sel sihat biasa. Semasa mengecas pek bateri dengan sel siri, proses pengecasan harus dihentikan walaupun satu sel mencapai voltan maksimum. Dengan cara ini sekiranya dua sel dalam pek bateri bertambah seminggu mereka akan mengecas lebih cepat dan sel yang selebihnya tidak akan dicas maksimum seperti yang ditunjukkan di bawah.

Penggunaan tenaga Pack yang tidak lengkap

Begitu juga dalam kes yang sama ketika bateri habis, sel yang lemah akan habis lebih cepat daripada sel yang sihat dan mereka akan mencapai voltan minimum lebih cepat daripada sel lain. Seperti yang kita pelajari dalam artikel BMS, paket akan terputus dari beban walaupun satu sel mencapai voltan minimum. Ini membawa kepada kapasiti tenaga pek yang tidak digunakan seperti gambar di bawah.

Dengan mempertimbangkan semua kemungkinan kerugian di atas, kita dapat menyimpulkan bahawa pengimbangan sel adalah wajib untuk menggunakan pek bateri dengan kecekapan maksimumnya. Masih ada beberapa aplikasi di mana biaya awal harus sangat rendah dan penggantian bateri tidak menjadi masalah dalam aplikasi tersebut pengimbangan sel dapat dielakkan. Tetapi dalam kebanyakan aplikasi termasuk kenderaan elektrik, pengimbangan sel adalah wajib untuk mendapatkan jus maksimum dari pek bateri.

Apa yang menyebabkan sel tidak seimbang dalam pek bateri?

Sekarang kita tahu mengapa menjaga semua sel seimbang dalam pek bateri adalah penting. Tetapi untuk mengatasi masalah dengan betul kita harus tahu mengapa sel-sel menjadi tidak seimbang terlebih dahulu. Seperti diberitahu sebelumnya ketika pek bateri dibentuk dengan meletakkan sel secara berurutan, pastikan semua sel berada dalam tahap voltan yang sama. Jadi pek bateri segar akan sentiasa mempunyai sel yang seimbang. Tetapi apabila pek digunakan, sel - sel menjadi tidak seimbang kerana sebab-sebab berikut.

Ketidakseimbangan SOC

Mengukur SOC sel adalah rumit; oleh itu sangat kompleks untuk mengukur SOC sel individu dalam bateri. Teknik pengimbangan sel yang ideal harus sesuai dengan sel SOC yang sama dan bukannya tahap voltan yang sama (OCV). Tetapi kerana secara praktikal tidak mungkin sel dipadankan hanya dengan syarat voltan ketika membuat pek, variasi dalam SOC mungkin menyebabkan perubahan OCV pada waktunya.

Variasi rintangan dalaman

Sangat sukar untuk menemukan sel-sel dengan Rintangan Dalaman (IR) yang sama dan seiring dengan usia bateri IR sel juga berubah dan oleh itu dalam pek bateri tidak semua sel akan mempunyai IR yang sama. Seperti yang kita ketahui IR menyumbang kepada impedans dalaman sel yang menentukan arus yang mengalir melalui sel. Oleh kerana IR berubah arus melalui sel dan voltannya juga berubah-ubah.

Suhu

Kapasiti pengisian dan pelepasan sel juga bergantung pada suhu di sekelilingnya. Dalam pek bateri yang besar seperti di EV atau array solar sel-sel diedarkan di kawasan buangan dan mungkin terdapat perbezaan suhu di antara pek itu sendiri menyebabkan satu sel mengecas atau melepaskan lebih cepat daripada sel yang tinggal menyebabkan ketidakseimbangan.

Dari alasan di atas jelas bahawa kita tidak dapat mencegah sel tidak seimbang semasa operasi. Jadi, satu-satunya jalan keluar adalah dengan menggunakan sistem luaran yang memaksa sel-sel untuk kembali seimbang setelah mereka tidak seimbang. Sistem ini dinamakan Battery Balancing System. Terdapat banyak jenis teknik perkakasan dan perisian yang digunakan untuk pengimbangan sel bateri. Mari kita bincangkan jenis dan teknik yang banyak digunakan.

Jenis Pengimbangan Sel Bateri

Teknik pengimbangan sel dapat diklasifikasikan secara meluas kepada empat kategori berikut yang disenaraikan di bawah. Kami akan membincangkan mengenai setiap kategori.

Pengimbangan Sel Pasif
Pengimbangan Sel Aktif
Pengimbangan Sel Tanpa Kerugian
Shuttle Redox

1. Pengimbangan Sel Pasif

Kaedah pengimbangan sel pasif adalah kaedah paling mudah dari semua. Ia boleh digunakan di tempat-tempat di mana kos dan ukuran adalah kekangan utama. Berikut adalah dua jenis pengimbangan sel pasif.

Caj Shunting

Dalam kaedah ini beban dummy seperti perintang digunakan untuk melepaskan voltan berlebihan dan menyamakannya dengan sel lain. Perintang ini dipanggil sebagai perintang pintas atau perintang pendarahan. Setiap sel yang disambungkan secara bersiri dalam satu bungkusan akan mempunyai perintang pintas tersambung melalui suis seperti yang ditunjukkan di bawah.

Litar sampel di atas menunjukkan empat sel yang masing-masing disambungkan ke dua perintang pintas melalui suis seperti MOSFET. Pengawal mengukur voltan keempat-empat sel dan menghidupkan mosfet untuk sel yang voltannya lebih tinggi daripada sel lain. Apabila mosfet dihidupkan sel tertentu mula keluar melalui perintang. Oleh kerana kita mengetahui nilai perintang, kita dapat meramalkan berapa banyak cas yang dikeluarkan oleh sel. Kapasitor yang disambungkan selari dengan sel digunakan untuk menyaring lonjakan voltan semasa beralih.

Kaedah ini tidak begitu cekap kerana tenaga elektrik hilang sebagai haba di perintang dan litar juga menjelaskan kehilangan suis. Kelemahan lain adalah bahawa keseluruhan arus pelepasan mengalir melalui mosfet yang kebanyakannya masuk ke IC pengawal dan oleh itu arus pelepasan harus dihadkan pada nilai rendah yang meningkatkan masa pengosongan. Salah satu cara untuk mengatasi kelemahan adalah dengan menggunakan suis luaran untuk meningkatkan arus pelepasan seperti yang ditunjukkan di bawah

MOSFET saluran P dalaman akan dipicu oleh pengawal yang menyebabkan sel melepaskan (I-bias) melalui perintang R1 dan R2. Nilai R2 dipilih sedemikian rupa sehingga penurunan voltan yang berlaku di atasnya kerana aliran arus pelepasan (I-bias) cukup untuk mencetuskan MOSFET saluran N kedua. Voltan ini disebut voltan sumber gerbang (Vgs) dan arus yang diperlukan untuk memihak MOSFET disebut sebagai arus biasing (I-bias).

Sebaik sahaja saluran N-MOSFET dihidupkan, arus mengalir melalui perintang pengimbang R-Bal . Nilai perintang ini boleh rendah yang membolehkan arus lebih banyak melaluinya dan dengan itu mengecas bateri dengan lebih cepat. Arus ini dipanggil sebagai arus pembuangan (I-drain). Dalam litar ini jumlah arus pelepasan adalah jumlah arus longkang dan arus bias. Apabila P-channel MOSFET dimatikan oleh pengawal, arus biasing adalah sifar dan dengan itu voltan Vg juga mendapat sifar. Ini mematikan M-NF saluran N membiarkan bateri menjadi ideal semula.

IC pengimbangan sel pasif

Walaupun teknik pengimbangan pasif tidak efisien, ia lebih biasa digunakan kerana kesederhanaan dan kos rendah ini. Daripada merancang perkakasan, anda juga boleh menggunakan beberapa IC yang tersedia seperti LTC6804 dan BQ77PL900 dari pengeluar terkenal seperti instrumen Linear dan Texas. IC ini dapat disusun untuk memantau beberapa sel dan menjimatkan masa dan kos pembangunan.

Had Mengecas

Kaedah had caj adalah kaedah yang paling tidak cekap. Di sini hanya masa keselamatan dan jangka hayat bateri yang dipertimbangkan sambil menyerah pada kecekapan. Dalam kaedah ini voltan sel individu dipantau secara berterusan.

Semasa proses pengecasan walaupun satu sel mencapai voltan cas penuh, pengecasan dihentikan meninggalkan sel yang lain separuh jalan. Begitu juga semasa melepaskan walaupun satu sel mencapai voltan pemotongan minimum pek bateri terputus dari beban sehingga pek tersebut diisi semula.

Walaupun kaedah ini tidak cekap, ia dapat mengurangkan keperluan kos dan saiz. Oleh itu ia digunakan dalam aplikasi di mana bateri sering kali dapat diisi.

2. Pengimbangan Sel Aktif

Dalam sel pasif mengimbangi kelebihan muatan tidak digunakan, oleh itu dianggap tidak cekap. Manakala dalam pengimbangan aktif caj lebihan satu sel dipindahkan ke sel lain dengan cas rendah untuk menyamakannya. Ini dicapai dengan menggunakan elemen penyimpanan cas seperti Kapasitor dan Induktor. Terdapat banyak kaedah untuk melakukan pengimbangan sel aktif yang membolehkan membincangkan kaedah yang biasa digunakan.

Ulangan Caj (Kapasitor Terbang)

Kaedah ini menggunakan kapasitor untuk memindahkan cas dari sel voltan tinggi ke sel voltan rendah. Kapasitor disambungkan melalui suis SPDT pada mulanya suis menghubungkan kapasitor ke sel voltan tinggi dan setelah kapasitor dikenakan suis menghubungkannya ke sel voltan rendah di mana cas dari kapasitor mengalir ke sel. Oleh kerana caj bergerak antara sel-sel ini kaedah ini disebut sebagai ulang-alik muatan. Gambar di bawah akan membantu anda memahami dengan lebih baik.

Kapasitor ini disebut kapasitor terbang sejak terbang antara sel voltan rendah dan voltan tinggi yang membawa pengecas. Kelemahan dengan kaedah ini adalah bahawa caj boleh dipindahkan hanya antara sel yang berdekatan. Juga memerlukan lebih banyak masa kerana kapasitor harus dicas dan kemudian dibebaskan untuk memindahkan caj. Ia juga sangat kurang efisien kerana akan berlaku kehilangan tenaga semasa pengisian dan pemakaian kapasitor dan kerugian pengalihan juga harus diperhitungkan. Gambar di bawah menunjukkan bagaimana kapasitor terbang akan dihubungkan dalam pek bateri

Penukar induktif (kaedah Buck Boost)

Kaedah lain pengimbangan sel Aktif adalah dengan menggunakan induktor dan beralih rangkaian. Dalam kaedah ini litar pensuisan terdiri daripada penukar lonjakan wang . Cas dari sel voltan tinggi dipam di induktor dan kemudian dikeluarkan ke sel voltan rendah dengan menggunakan penukar buck buck. Rajah di bawah menunjukkan penukar Induktif dengan hanya dua sel dan penukar lonjakan tunggal.

Dalam litar cas di atas boleh dipindahkan dari sel 1 ke sel 2 dengan menukar MOSFETS sw1 dan sw2 dengan cara berikut. Mula-mula suis SW1 ditutup ini akan menjadikan cas dari sel 1 mengalir ke induktor dengan arus I-charge. Setelah induktor diisi penuh suis SW1 dibuka dan suis sw2 ditutup.

Sekarang, induktor yang dicas sepenuhnya akan membalikkan kekutuban dan mula melepaskan. Kali ini cas membentuk induktor mengalir ke sel2 dengan arus I-discharge. Setelah induktor habis sepenuhnya suis sw2 dibuka dan suis sw1 ditutup untuk mengulangi proses. Bentuk gelombang di bawah akan membantu anda mendapatkan gambaran yang jelas.

Semasa waktu t0 suis sw1 ditutup (dihidupkan) yang membawa kepada arus yang saya cas meningkat dan voltan merentasi induktor (VL) meningkat. Kemudian setelah induktor diisi penuh pada waktu t1 suis sw1 dibuka (dimatikan) yang membuat induktor melepaskan cas yang terkumpul pada langkah sebelumnya. Apabila induktor melepaskan ia mengubah polaritasnya maka voltan VL ditunjukkan dalam keadaan negatif. Semasa melepaskan arus pelepasan (I discharge) menurun dari nilai maksimumnya. Semua arus ini memasuki sel 2 untuk mengecasnya. Selang kecil dibenarkan dari masa t2 hingga t3 dan kemudian pada t3 seluruh kitaran berulang lagi.

Kaedah ini juga mengalami kerugian besar kerana caj dapat dipindahkan hanya dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah. Kehilangan pertukaran dan penurunan voltan diod juga harus dipertimbangkan. Tetapi lebih pantas dan cekap daripada kaedah kapasitor.

Penukar induktif (Fly back berdasarkan)

Seperti yang telah kita bahas, kaedah penukar buck buck hanya dapat memindahkan caj dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah. Masalah ini dapat dielakkan dengan menggunakan Fly back converter dan transformer. Dalam penukar jenis flyback sisi utama belitan disambungkan ke pek bateri dan sisi sekunder disambungkan ke setiap sel pek bateri seperti yang ditunjukkan di bawah

Seperti yang kita ketahui bateri beroperasi dengan DC dan transformer tidak akan memberi kesan sehingga voltan dihidupkan. Oleh itu, untuk memulakan proses pengisian, suis di sisi gegelung utama Sp dihidupkan. Ini menukar DC menjadi DC berdenyut dan sisi utama pengubah diaktifkan.

Sekarang di sisi sekunder setiap sel mempunyai suis sendiri dan gegelung sekunder. Dengan menukar mosfet sel voltan rendah, kita dapat menjadikan gegelung tertentu untuk bertindak sebagai sekunder bagi pengubah. Dengan cara ini cas membentuk gegelung primer dipindahkan ke gegelung sekunder. Ini menyebabkan voltan pek bateri keseluruhan terlepas ke sel yang lemah.

Kelebihan terbesar kaedah ini adalah bahawa sel lemah dalam pek dapat dengan mudah dicas dari voltan pek dan bukan sel tertentu yang dikeluarkan. Tetapi kerana melibatkan transformer, ia menempati ruang yang besar dan kerumitan litarnya tinggi.

3. Pengimbangan tanpa kerugian

Lossless balancing adalah kaedah yang baru dikembangkan yang dapat mengurangkan kerugian dengan mengurangkan komponen perkakasan dan memberikan lebih banyak kawalan perisian. Ini juga menjadikan sistem lebih ringkas dan senang untuk mereka bentuk. Kaedah ini menggunakan litar pensuisan matriks yang memberikan keupayaan untuk menambah atau mengeluarkan sel dari pek semasa pengisian dan pemakaian. Litar pensuisan matriks sederhana untuk lapan sel ditunjukkan di bawah.

Semasa proses pengisian sel yang mempunyai voltan tinggi akan dikeluarkan dari paket menggunakan susunan suis. Pada rajah di atas sel 5 dikeluarkan dari pek dengan menggunakan suis. Pertimbangkan bulatan garis merah sebagai suis terbuka dan bulatan garis merah sebagai suis tertutup. Oleh itu, masa rehat sel yang lemah meningkat semasa proses pengisian sehingga dapat mengimbangkannya semasa pengisian. Tetapi voltan pengecasan harus disesuaikan dengan sewajarnya. Teknik yang sama boleh diikuti semasa melakukan pembuangan juga.

4. Redox Shuttle

Kaedah terakhir bukan untuk pereka perkakasan tetapi untuk jurutera kimia. Dalam bateri asid plumbum, kita tidak menghadapi masalah pengimbangan sel kerana apabila bateri asid plumbum berlebihan, ia menyebabkan gas yang menghalangnya daripada terlalu banyak dicas. Idea di sebalik ulang-alik Redox adalah untuk berusaha mencapai kesan yang sama pada sel lithium dengan mengubah kimia elektrolit sel lithium. Elektrolit yang diubah suai ini akan mengelakkan sel terlalu banyak.

Algoritma Pengimbangan Sel

Teknik pengimbangan sel yang berkesan harus menggabungkan perkakasan dengan algoritma yang betul. Terdapat banyak algoritma untuk pengimbangan sel dan ia bergantung pada reka bentuk perkakasan. Tetapi jenisnya dapat direbus menjadi dua bahagian yang berbeza.

Mengukur voltan litar terbuka (OCV)

Ini adalah kaedah yang mudah dan paling kerap diikuti. Di sini voltan sel terbuka diukur untuk setiap sel dan rangkaian pengimbangan sel berfungsi untuk menyamakan nilai voltan semua sel yang dihubungkan secara bersiri. Sangat mudah untuk mengukur OCV (voltan litar terbuka) dan kerumitan algoritma ini kurang.

Mengukur Sate of charge (SOC)

Dalam kaedah ini SOC sel seimbang. Seperti yang sudah kita ketahui mengukur SOC sel adalah tugas yang rumit kerana kita harus memperhitungkan nilai voltan dan arus sel dalam jangka waktu tertentu untuk mengira nilai SOC. Algoritma ini kompleks dan digunakan di tempat yang memerlukan kecekapan dan keselamatan tinggi seperti di industri aeroangkasa dan ruang angkasa.

Ini menyimpulkan artikel di sini. Harap sekarang anda mendapat idea ringkas tentang pengimbangan sel bagaimana pelaksanaannya di peringkat perkakasan dan perisian. Sekiranya anda mempunyai idea atau teknik, bagikan di bahagian komen atau gunakan forum untuk mendapatkan bantuan teknikal.