Sähköauton akun kennojen tasapainotus: passiiviset ja aktiiviset menetelmät

Kennojen tasapainotus säätää sarjaan kytkettyjen kennoryhmien varausta, jotta niiden erot eivät tarpeettomasti rajoita akun käytettävissä olevaa energiaa. Passiiviset järjestelmät poistavat varausta valituista ryhmistä, kun taas aktiiviset järjestelmät siirtävät energiaa akkupaketin osien välillä.

Miksi varauserot rajoittavat akkupakettia

Kennoryhmä on yksi valvottu kohta akun sarjaketjussa: joko yksittäinen kenno tai useita rinnankytkettyjä kennoja. Luku battery pack selittää, miten nämä kytkennät muodostavat paketin jännitteen ja kapasiteetin.

Akunhallintajärjestelmän (BMS) on pidettävä jokainen ryhmä toimintarajojensa sisällä. Ladattaessa yksi ryhmä voi saavuttaa jännitteen ylärajansa, vaikka muut voivat vielä ottaa vastaan energiaa. Purettaessa yksi ryhmä voi saavuttaa alarajansa, vaikka muissa on vielä energiaa. Kumpikin tilanne rajoittaa paketin energian luovutusta. Tasapainotus auttaa saamaan käyttöön energiaa, joka jää muuten hyödyntämättä varaustasoerojen vuoksi. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Kolme erottelua selventää, mitä tasapainotuksella voidaan saavuttaa:

• Varaustilaero (SOC) tarkoittaa, että ryhmissä on eri määrä varausta suhteessa niiden kapasiteettiin.
• Kapasiteettiero tarkoittaa, että yksi ryhmä voi varastoida vähemmän varausta kuin toinen.
• Mitattu jännite-ero voi johtua myös resistanssista, lämpötilasta tai mittausvirheestä.

Epätasainen itsepurkautuminen ja pienet erot yksittäisten ryhmien sähkökuormissa voivat vähitellen synnyttää varauseron. Alkuperäisen kapasiteetin ja ikääntymisen erot muuttavat sitä, kuinka nopeasti kukin ryhmä kulkee SOC-alueensa läpi. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tarkastellaan yksinkertaistettua esimerkkiä kahdesta ryhmästä, joiden kapasiteetit ovat 90 Ah ja 100 Ah. Molemmat voivat olla aluksi täynnä, mutta kummankin luovutettua 90 Ah pienempi on tyhjä ja suuremmassa on vielä 10 Ah. Niiden tasaaminen latausikkunan yläpäässä ei palauta pienemmästä ryhmästä puuttuvaa kapasiteettia. Esimerkissä sivuutetaan muut rajat, jotka voisivat pysäyttää purkamisen aiemmin. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passiivinen tasapainotus

Passiivinen tasapainotuspiiri kytkee vastuksen valitun ryhmän rinnalle elektronisella kytkimellä. Tämän haaran virta muuttaa sähköenergiaa lämmöksi. BMS ohjaa, mitkä haarat toimivat ja kuinka kauan. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Ladattaessa sarjaketjun tähän kohtaan tuleva virta jakautuu kennojen ja tasapainotushaaran kesken:

Kennojen nettolatausvirta = akkupaketin latausvirta − ohitusvirta

Jos pakettiin tulee esimerkiksi 1 A ja valittu haara ottaa 0,1 A, kyseisen ryhmän kennot saavat 0,9 A. Muuten samanlainen ryhmä, jonka tasapainotushaara on pois päältä, saa koko 1 A ja varautuu nopeammin. Virrat ovat havainnollistavia, ja muut pienet sähkökuormat oletetaan merkityksettömiksi.

Sama haara voi jatkaa varauksen poistamista laturin pysähdyttyä; tällöin valittu ryhmä itse syöttää vastuksen virran. Jäljempänä kuvattu Orion Jr. 2 -toteutus tukee tätä toimintaa niin kauan kuin BMS saa käyttöjännitteen CHARGE-tilassa. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Pieni ohitusvirta vähentää ryhmään tulevaa virtaa vain vähän suuren virran latauksessa. Latausta on edelleen hidastettava tai se on pysäytettävä ryhmän saavuttaessa rajansa. Tasapainotus siis täydentää latauksen ohjausta eikä korvaa sitä.

Piiri on suhteellisen yksinkertainen ja voi korjata varauksen vähittäistä erkaantumista ryhmissä, joiden kapasiteetit ovat lähellä toisiaan. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Haittapuolena poistettu energia muuttuu lämmöksi. Passiivisessa tasapainotuksessa ei myöskään ole siirtoreittiä, jolla muut ryhmät voisivat syöttää energiaa vähän varautuneeseen ryhmään purkamisen aikana. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Tasapainotusvirta ja aika

Hyödyllinen lähtökohta on poistettavan varauksen määrä ampeeritunteina (Ah):

Tasapainotusaika (h) = varausero (Ah) ÷ keskimääräinen tasapainotusvirta (A)

Kahdessa muuten samanlaisessa 100 Ah:n ryhmässä yhden prosenttiyksikön SOC-ero vastaa 1 Ah:n varausta. Eron poistaminen jatkuvalla 0,1 A:n virralla kestää 10 tuntia. Jos haara toimii samalla virralla vain puolet kuluneesta ajasta, keskivirta on 0,05 A ja korjaus kestää 20 tuntia. Molemmat laskelmat ovat yksinkertaistettuja: niissä oletetaan, ettei lisäeroa synny ja että kohderyhmä pysyy samana.

NXP:n ajoneuvokäyttöön tarkoitettu MC33775A-kenno-ohjain tukee passiivista tasapainotusta enintään 300 mA:n virralla kanavaa kohden. Sen ohjaustoimintoihin kuuluvat erilliset ajastimet ja jännitekynnykset. Se keskeyttää tasapainotuksen automaattisesti mittausten ajaksi ja tasapainotusvastusten ylikuumentuessa. Arvo 300 mA on komponentin raja; asennettu piiri ja ohjelmisto määräävät virran ja toiminta-ajan ajoneuvossa. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Todellinen virta riippuu myös kennon jännitteestä ja tasapainotusreitin resistanssista. TI:n BQ7961x-Q1-suunnitteluohje selittää vastusten valinnan ja lämpörajojen huomioimisen; automaattitila vuorottelee parittomien ja parillisten kanavien välillä. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Mittaustauot, lämpötilasta johtuvat keskeytykset ja kanavien vuorottelu lyhentävät aikaa, jonka haara voi tasapainottaa. Siksi keskivirta voi olla pienempi kuin virta haaran ollessa päällä; 20 tunnin esimerkin 50%:n toiminta-aika on havainnollistava oletus.

Aktiivinen tasapainotus

Aktiivinen tasapainotus siirtää energiaa tehoelektroniikkapiirin avulla ryhmien välillä tai yhden ryhmän ja paketin suuremman osan välillä. Piiri voi varastoida energiaa hetkellisesti kondensaattoriin tai magneettiseen komponenttiin ennen sen luovuttamista toisaalle. Piirin rakenne määrää, mitkä ryhmät voivat vaihtaa energiaa. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Purkautumisen aikaista siirtoa tukeva ratkaisu voi syöttää alarajaansa lähestyvää ryhmää ryhmistä, joissa on vielä energiaa. Tämä voi pidentää paketin hyödyllistä purkausta, vaikka ryhmien kapasiteetit eroavat. Ladattaessa sopiva piiri voi siirtää energiaa pois ryhmästä, joka lähestyy ylärajaansa. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Siirtovirta ja tasapainotukseen käytettävissä oleva aika rajoittavat hyötyä, kuten ADI toteaa. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing Käytännössä siirtopiiri voi toimittaa liian vähän energiaa pitääkseen rajoittavan ryhmän alarajansa yläpuolella suuren tehontarpeen aikana. Energian uudelleenjako parantaa paketin hyödyntämistä; kunkin ryhmän varastointikapasiteetti pysyy ennallaan.

Kytkentä ja energian muunnos aiheuttavat häviöitä, ja lisälaitteisto kasvattaa kustannuksia, kokoa ja ohjauksen monimutkaisuutta. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Suunnittelussa on arvioitava, oikeuttavatko käyttöön saatu energia ja tasapainotusnopeus nämä lisäykset kyseisessä paketissa.

Miten jännitemittaukset ohjaavat tasapainotusta

Suurimman ja pienimmän mitatun ryhmäjännitteen eroa kutsutaan usein jännitehajonnaksi tai kennojen jännite-eroksi. Sen merkitys muuttuu virran, lämpötilan ja SOC:n mukaan.

Ryhmä, jonka sisäinen resistanssi on suurempi, voi näyttää korkeampaa jännitettä ladattaessa ja matalampaa purettaessa, vaikka SOC-eroa ei olisi. Varauksen poistaminen pelkästään siksi, että ryhmän jännite on latausvirran aikana korkein, voi pahentaa varauseroa. Pienempi virta ja tasaantuneet olosuhteet vähentävät näitä vaikutuksia ja helpottavat jännitteen tulkintaa. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Myös lämpötilaerot vaikuttavat jännitekäyttäytymiseen. Anturin poikkeama tai mittausjohtimen vika voi synnyttää näennäisen eron ilman fyysistä varausepätasapainoa. Luku battery management system selittää, miten mittausviat erotetaan kennovioista.

Litiumrautafosfaatti (LFP) tuo erityisen haasteen: sen jännite muuttuu vain vähän suurella osalla SOC-aluetta. Erilaiset varaustasot voivat siksi tuottaa samanlaisia jännitteitä. Hystereesi, jossa jännite riippuu kennon viimeaikaisesta lataus- tai purkaushistoriasta, vaikeuttaa vertailua entisestään. Jännitekäyrän jyrkemmät osat antavat enemmän tietoa varauseroista. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Jännite, virtamittaukset ja akkumallit auttavat SOC:n arvioinnissa. Tasapainotus muuttaa fyysisesti valittujen ryhmien varausta; SOC-kalibrointi korjaa BMS:n arviota. Pelkkä näytetyn prosenttiluvun muutos ei osoita, että varausta olisi jaettu uudelleen.

Milloin tasapainotus toimii ja mitä kuljettaja voi päätellä

Ohjausstrategia määrää, milloin tasapainotus käynnistetään ja keskeytetään. Ehtoihin voivat kuulua ryhmäjännite, ryhmien mitattu ero, lämpötila ja ajoneuvon toimintatila.

Yläpään tasapainotus tasaa ryhmät latausikkunan ylärajan lähellä; alapään tasapainotus tekee saman alarajan lähellä. Nämä termit kuvaavat tasauspistettä. Passiivinen ja aktiivinen kuvaavat mekanismia, jolla varausjakaumaa muutetaan. Eri kapasiteettiset ryhmät voivat olla tasassa toisessa päässä ja erkaantua paketin siirtyessä kohti toista.

Yksi dokumentoitu toteutus on Orion Jr. 2, enintään 48 V:n nimellisjännitteen paketeille tarkoitettu BMS kevyissä ajoneuvoissa ja kiinteissä sovelluksissa. Sen vuoden 2018 käyttöohje kuvaa säädettävät tasapainotuskynnykset ja suosittelee yläpään tasapainotusta. Keskialueen tai alapään tasapainotus voi vaatia ulkoisen ohjaimen, joka ilmoittaa, milloin tasapainotuksen tulee toimia. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Näytetty 100% tarkoittaa kuljettajalle esitetyn latausikkunan ylärajaa, ei jokaisen kennon absoluuttista täyden varauksen pistettä, kuten luvussa battery buffers and the operating window selitetään. Lukema ei kerro, täyttyivätkö tasapainotuksen edellytykset tai kuinka kauan tasapainotus toimi. Noudata kyseisen ajoneuvon latausohjeita yleispätevän täyteen lataamisen tai syväpurkamisen rutiinin sijaan. Luku battery charging selittää latausnopeuteen ja sen asteittaiseen hidastumiseen vaikuttavat erilliset tekijät.

Jos ryhmä ajautuu toistuvasti epätasapainoon, diagnostiikassa on selvitettävä, johtuuko se varauksen erkaantumisesta, pienentyneestä kapasiteetista, resistanssista, lämpötilasta vai mittausongelmasta. Jännitehajonnan lukema on hyödyllisin yhdessä sen synnyttäneiden olosuhteiden ja historian kanssa. Pysyvää kapasiteettihäviötä käsitellään luvussa battery degradation.