Cellebalancering i elbilbatterier: passive og aktive metoder

Cellebalancering justerer ladningen i batteriets serieforbundne cellegrupper, så forskelle mellem dem ikke unødigt begrænser den brugbare energi. Passive systemer fjerner ladning fra udvalgte grupper; aktive systemer overfører energi mellem dele af batteripakken.

Hvorfor forskelle i ladning begrænser en batteripakke

En cellegruppe er én overvåget position i batteriets seriekæde: enten en enkelt celle eller flere parallelforbundne celler. Kapitlet battery pack forklarer, hvordan disse forbindelser bestemmer pakkens spænding og kapacitet.

Batteristyringssystemet (BMS) skal holde hver gruppe inden for dens driftsgrænser. Under opladning kan én gruppe nå sin øvre spændingsgrænse, mens andre stadig kan modtage energi. Under afladning kan én nå sin nedre grænse, mens andre stadig indeholder energi. Begge situationer begrænser, hvad pakken kan levere. Balancering hjælper med at genvinde brugbar energi, som ellers er utilgængelig på grund af forskelle i ladeniveau. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tre skel forklarer, hvad balancering kan opnå:

• En forskel i ladetilstand (SOC) betyder, at grupperne indeholder forskellige ladningsmængder i forhold til deres kapacitet.
• En forskel i kapacitet betyder, at én gruppe kan lagre mindre ladning end en anden.
• En målt spændingsforskel kan også skyldes modstand, temperatur eller målefejl.

Uens selvafladning og små forskelle i den elektriske belastning på de enkelte grupper kan gradvist skabe en ladningsforskel. Forskelle i oprindelig kapacitet og aldring ændrer, hvor hurtigt hver gruppe bevæger sig gennem sit SOC-område. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Betragt et forenklet eksempel med to grupper på 90 Ah og 100 Ah. Begge kan starte fuldt opladet, men når hver har leveret 90 Ah, er den mindre tom, mens den større stadig indeholder 10 Ah. At udligne dem øverst i ladevinduet genskaber ikke den mindre gruppes manglende kapacitet. Eksemplet ser bort fra andre grænser, som kunne stoppe afladningen tidligere. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passiv balancering

Et passivt balanceringskredsløb kobler en modstand parallelt over en udvalgt gruppe via en elektronisk kontakt. Strømmen i denne gren omdanner elektrisk energi til varme. BMS styrer, hvilke grene der er aktive, og hvor længe de arbejder. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Under opladning deler strømmen ved denne position i seriekæden sig mellem cellerne og balanceringsgrenen:

Nettoladestrøm til cellerne = batteripakkens ladestrøm − afledningsstrøm

Hvis pakken eksempelvis modtager 1 A, og en udvalgt gren trækker 0,1 A, modtager cellerne i gruppen 0,9 A. En ellers identisk gruppe med slukket balanceringsgren modtager hele 1 A og optager ladning hurtigere. Strømmene er illustrative og forudsætter, at andre små elektriske belastninger er ubetydelige.

Den samme gren kan fortsætte med at fjerne ladning, efter at opladeren stopper; den udvalgte gruppe leverer da selv strømmen gennem modstanden. Orion Jr. 2-løsningen, som beskrives nedenfor, understøtter denne drift, så længe BMS fortsat får strøm i CHARGE-tilstand. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

En lille afledningsstrøm reducerer kun strømmen ind i en gruppe lidt under opladning med høj strøm. Opladningen skal stadig sænkes eller stoppes, når en gruppe når sin grænse. Balancering supplerer derfor ladestyringen frem for at erstatte den.

Kredsløbet er relativt enkelt og kan rette gradvis ladningsdrift mellem grupper med tæt matchede kapaciteter. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Ulempen er, at den fjernede energi bliver til varme. Passiv balancering har heller ingen overførselsvej, der kan forsyne en lavt ladet gruppe fra de øvrige grupper under afladning. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Balanceringsstrøm og tid

Et nyttigt udgangspunkt er den ladningsmængde, der skal fjernes, målt i amperetimer (Ah):

Balanceringstid (h) = ladningsforskel (Ah) ÷ gennemsnitlig balanceringsstrøm (A)

For to ellers identiske grupper på 100 Ah svarer en forskel på ét procentpoint i SOC til 1 Ah. At fjerne forskellen med en konstant strøm på 0,1 A tager 10 timer. Hvis grenen kun arbejder i halvdelen af den forløbne tid med samme strøm, er gennemsnitsstrømmen 0,05 A, og korrektionen tager 20 timer. Begge beregninger er forenklede og forudsætter, at der ikke opstår yderligere drift, og at målgruppen ikke ændres.

NXP’s MC33775A-cellecontroller til køretøjer understøtter passiv balancering med op til 300 mA pr. kanal. Styringen omfatter individuelle timere og spændingstærskler. Den pauser automatisk balanceringen under målinger og afbryder den, hvis balanceringsmodstandene overophedes. De 300 mA er en komponentgrænse; det installerede kredsløb og softwaren bestemmer strømmen og driftstiden i køretøjet. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Den faktiske strøm afhænger også af cellespændingen og modstanden i balanceringsvejen. TI’s BQ7961x-Q1-designvejledning forklarer valg af modstande og hensyn til temperaturgrænser; den automatiske tilstand skifter mellem ulige og lige kanaler. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Målepauser, termiske afbrydelser og kanalernes rækkefølge reducerer den tid, en gren kan balancere. Det forklarer, hvorfor gennemsnitsstrømmen kan være lavere end strømmen, mens grenen er tændt; driftstiden på 50% i eksemplet med 20 timer er en illustrativ antagelse.

Aktiv balancering

Aktiv balancering bruger et effektelektronisk kredsløb til at flytte energi mellem grupper eller mellem en gruppe og en større del af pakken. Kredsløbet kan midlertidigt lagre energi i en kondensator eller en magnetisk komponent, inden den afleveres et andet sted. Opbygningen bestemmer, hvilke grupper der kan udveksle energi. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Et design, der understøtter overførsel under afladning, kan forsyne en gruppe tæt på dens nedre grænse fra grupper, som stadig indeholder energi. Det kan forlænge pakkens brugbare afladning, selv når gruppernes kapaciteter er forskellige. Under opladning kan et egnet kredsløb flytte energi væk fra en gruppe tæt på dens øvre grænse. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Overførselsstrømmen og den tilgængelige balanceringstid begrænser gevinsten, som ADI bemærker. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing En praktisk følge er, at et overførselskredsløb kan levere for lidt energi til at holde den begrænsende gruppe over dens nedre grænse ved et højt effektbehov. Omfordeling af energi forbedrer udnyttelsen af pakken; hver gruppes lagringskapacitet er uændret.

Kobling og energiomformning medfører tab, og ekstra hardware øger pris, størrelse og styringskompleksitet. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Den tekniske afvejning er, om den genvundne energi og balanceringshastigheden retfærdiggør disse tilføjelser i den påtænkte pakke.

Hvordan spændingsmålinger styrer balanceringen

Forskellen mellem den højeste og den laveste målte gruppespænding kaldes ofte spændingsspredningen eller cellespændingsdeltaet. Betydningen ændrer sig med strøm, temperatur og SOC.

En gruppe med højere intern modstand kan vise en højere spænding under opladning og en lavere under afladning, selv uden en SOC-forskel. At fjerne ladning alene, fordi gruppen har den højeste spænding under ladestrøm, kan forværre ubalancen. Lavere strøm og stabile forhold reducerer disse effekter og gør spændingen lettere at fortolke. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Temperaturforskelle påvirker også spændingens opførsel. En sensorforskydning eller en fejl i måleledningen kan give en tilsyneladende forskel uden at skabe en fysisk ladningsubalance. Kapitlet battery management system forklarer, hvordan målefejl skelnes fra cellefejl.

Litiumjernfosfat (LFP) giver en særlig udfordring: Spændingen ændrer sig kun lidt gennem en stor del af SOC-området. Forskellige ladeniveauer kan derfor give lignende spændinger. Hysterese, hvor spændingen afhænger af cellens nylige opladnings- eller afladningshistorik, komplicerer sammenligningen yderligere. De stejlere dele af spændingskurven giver mere information om ladningsforskelle. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Spænding, strømmålinger og batterimodeller bidrager til SOC-estimatet. Balancering ændrer fysisk ladningen i udvalgte grupper; SOC-kalibrering retter BMS-estimatet. En ændring i den viste procent alene dokumenterer ikke, at ladning er blevet omfordelt.

Hvornår balancering kører, og hvad føreren kan udlede

Styringsstrategien bestemmer, hvornår balanceringen aktiveres eller sættes på pause. Betingelserne kan omfatte gruppespænding, den målte forskel mellem grupper, temperatur og køretøjets driftstilstand.

Topbalancering udligner grupperne nær ladevinduets øvre ende; bundbalancering udligner dem nær den nedre. Begreberne beskriver udligningspunktet. Passiv og aktiv beskriver mekanismen, der ændrer ladningsfordelingen. Grupper med forskellige kapaciteter kan være udlignet i den ene ende og glide fra hinanden, når pakken bevæger sig mod den anden.

En dokumenteret løsning er Orion Jr. 2, et BMS til pakker med op til 48 V nominel spænding i lette køretøjer og stationære anlæg. Manualen fra 2018 beskriver justerbare balanceringstærskler og anbefaler topbalancering. Balancering i midten eller ved bunden kan kræve en ekstern controller, som giver signal om, hvornår balanceringen skal køre. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Viste 100% markerer toppen af det ladevindue, føreren ser, frem for hver celles absolutte fuldladningspunkt, som forklaret i battery buffers and the operating window. Visningen fortæller ikke, om balanceringsbetingelserne var opfyldt, eller hvor længe balanceringen kørte. Følg ladevejledningen for det konkrete køretøj i stedet for en universel rutine med fuld opladning eller dyb afladning. Kapitlet battery charging forklarer de særskilte faktorer bag ladehastigheden og dens gradvise fald.

Hvis en gruppe gentagne gange kommer ud af balance, skal en diagnose fastslå, om årsagen er ladningsdrift, reduceret kapacitet, modstand, temperatur eller et måleproblem. En måling af spændingsspredningen er mest nyttig sammen med de forhold og den historik, som skabte den. Permanent kapacitetstab behandles i battery degradation.