Cellebalansering

Cellebalansering korrigerer forskjeller i ladenivå mellom de seriekoblede cellegruppene i et elbilbatteri. Det bidrar til å hindre at én gruppe avslutter lading eller utlading for tidlig, men kan ikke gjenopprette tapt kapasitet eller reparere en degradert celle.

Hva cellebalansering faktisk balanserer

Navnet cellebalansering kan gi inntrykk av at batteristyringssystemet (BMS) måler og justerer hver fysiske celle separat. Et elbilbatteri er ikke alltid bygget på denne måten.

Parallellkoblede celler har samme terminalspenning og overvåkes normalt som én gruppe. I et 108s4p-batteri er for eksempel 108 grupper koblet i serie, og hver gruppe inneholder fire parallellkoblede celler. Batteripakken har 432 fysiske celler, men vil normalt ha 108 verdier som overvåkes og balanseres gjennom hver sin kanal.

I denne artikkelen betyr cellegruppe én overvåket posisjon i seriekjeden. Den kan bestå av én stor celle eller flere parallellkoblede celler.

Hver seriekoblede gruppe fører den samme strømmen som batteripakken. Hvis 50 A går gjennom batteriet, går de samme 50 A gjennom hver posisjon i seriekjeden. Gruppene kan likevel få ulik ladetilstand fordi kapasitet, motstand, temperatur, selvutlading og aldring ikke er helt identiske.

Balansering er BMS-funksjonen som reduserer disse forskjellene i ladenivå. Det overordnede systemet for overvåking, beregning og beskyttelse er forklart i Batteristyringssystem.

Hvorfor cellegrupper driver fra hverandre

Cellene velges ut og tilpasses under batteriproduksjonen, men ingen celler forblir helt like gjennom hele levetiden. Små forskjeller bygger seg opp gjennom gjentatte perioder med lading, kjøring og parkering.

De viktigste årsakene omfatter:

Variasjon i produksjon og opprinnelig kapasitet
Ulik aldringshastighet og ulikt kapasitetstap
Forskjeller i intern motstand
Ujevn temperatur og kjøling
Små forskjeller i selvutlading
Lekkasjestrøm gjennom måle- eller balanseringselektronikk
En svak celle i en parallellgruppe
Forskjeller i samleskinner, terminaler eller andre elektriske forbindelser
Forskyvning i spenningssensoren eller feil i en måleledning

Disse årsakene representerer ikke alle det samme problemet.

Ubalanse i ladetilstand

En ubalanse i ladetilstand betyr at to grupper inneholder ulike lademengder i forhold til sin egen brukbare kapasitet. Hvis to ellers identiske grupper på 100 Ah inneholder 80 Ah og 78 Ah, er ladetilstanden henholdsvis 80% og 78%.

Det er denne forskjellen balansering er ment å korrigere.

Kapasitetsubalanse

En kapasitetsubalanse finnes når én gruppe kan lagre mindre ladning enn de andre. En degradert gruppe på 90 Ah og en frisk gruppe på 100 Ah kan begge ha 100% SOC, men den degraderte gruppen inneholder mindre ladning og vil normalt nå tom tilstand først.

Balansering kan justere de to gruppene mot hverandre på et valgt punkt i driftsvinduet. Den kan ikke gjenopprette de manglende 10 Ah. Gruppen med lavest kapasitet kan derfor fortsatt begrense batteripakkens brukbare energi etter balansering.

Forskjeller i motstand og temperatur

En gruppe med høy motstand viser en større spenningsøkning under lading og et større spenningsfall under akselerasjon. En kald gruppe kan også få større spenningsfall under belastning enn en varm gruppe ved samme SOC.

Disse midlertidige spenningsforskjellene er ikke nødvendigvis forskjeller i lademengde. Balansering basert utelukkende på øyeblikkelig spenning når strømmen er høy, kan fjerne ladning fra feil gruppe.

Selvutlading

En gruppe med høyere selvutlading sakker gradvis akterut mens kjøretøyet står parkert. Balansering kan gjentatte ganger bringe den tilbake på nivå med de andre, men vedvarende avvik kan tyde på en cellefeil, forurensning, lekkasje gjennom overvåkingsutstyret eller en annen feil som krever diagnostikk.

Seriekoblede celler avviker naturlig fra hverandre på grunn av forskjeller i temperatur, impedans, belastning og selvutlading, mens passiv balansering vanligvis er tilstrekkelig for små SOC-forskjeller mellom godt tilpassede celler. (Analog Devices)

Hvordan én gruppe begrenser batteriet

Hver overvåket gruppe må holde seg innenfor sitt tillatte spennings- og temperaturområde. Gjennomsnittet for batteripakken kan ikke overstyre grensen til en enkelt gruppe.

Under lading

Ladingen begrenses av gruppen som først når den øvre spenningsgrensen. Tenk deg fire grupper nær slutten av en lading:

Gruppe A når den øvre grensen.
Gruppe B er på 98% SOC.
Gruppe C er på 97% SOC.
Gruppe D er på 99% SOC.

Hvis ladingen fortsetter med samme strøm, vil gruppe A overlades selv om det fortsatt er plass i de andre gruppene. BMS-et må redusere ladestrømmen, balansere utvalgte grupper, stoppe ladingen eller kombinere disse tiltakene. Noe av kapasiteten i gruppe B og C forblir ubrukt.

Under utlading

Utladingen begrenses av gruppen som først når den nedre grensen. De sterkere gruppene kan fortsatt inneholde energi, men kjøretøyet kan ikke fortsette å trekke ubegrenset strøm uten å overutlade den begrensende gruppen.

BMS-et reduserer normalt tilgjengelig fremdriftseffekt før gruppen når sin absolutte nedre grense. Om nødvendig hindrer det til slutt videre utlading til fremdrift.

Gruppen som begrenser lading, er ikke alltid den samme som begrenser utlading. En gruppe med høyere motstand kan få størst spenningsøkning under lading og størst spenningsfall under akselerasjon, mens en gruppe med lavere kapasitet kan nå slutten av den brukbare ladningen først. Derfor må en spenningsspredning forstås i sin sammenheng, ikke bare opp mot én terskel.

Både passiv og aktiv balansering har som mål å gjøre brukbar energi tilgjengelig som ellers ville vært låst av SOC-forskjeller. Ingen av metodene endrer cellenes fysiske kapasitet. (Analog Devices)

Hvordan BMS-et identifiserer en ubalanse

Elektronikken for celleovervåking måler spenningen i hver seriegruppe. BMS-et vurderer deretter målingene sammen med:

Strømmen i batteripakken
Celle- og modultemperaturer
Spenningsrespons under lading og utlading
Spenningsgjenoppretting etter at strømmen stanser
Beregnet SOC for gruppen
Innlært kapasitet og motstand
Tidligere balanseringsaktivitet
Selvutlading under parkering
Sensor- og kommunikasjonsdiagnostikk

Forskjellen mellom høyeste og laveste målte gruppespenning kalles ofte cellespenningsdelta eller spenningsspredning. Den er nyttig, men er ikke et fullstendig mål på balansen.

Spenningen er enklest å tolke når strømmen er lav, temperaturene er omtrent like, og midlertidige polarisasjons- og motstandseffekter har stabilisert seg. Under hurtiglading eller kraftig akselerasjon kan den målte spredningen i hovedsak skyldes motstand i stedet for SOC.

En gruppe som fremstår med høyest spenning under lading og lavest spenning under utlading, kan ha høyere motstand, ikke mer lagret ladning. BMS-et må skille mellom:

En reell SOC-forskjell
En kapasitetsforskjell
En spenningsforskjell knyttet til motstand
En temperatureffekt
Unormal selvutlading
En feil i sensor, måleledning eller forbindelse

Balanseringsbeslutninger som bare bygger på spenning ved høy strøm, kan forverre avviket. Teknisk veiledning om balansering legger derfor vekt på strøm, motstandseffekter og forholdene nær slutten av ladingen, når strømmen har falt. (Texas Instruments)

Hvorfor LFP krever særlig omtanke

Litiumjernfosfatceller (LFP) har en forholdsvis flat kurve for hvilespenning gjennom store deler av SOC-området. En betydelig endring i lagret ladning kan bare gi en liten spenningsforskjell, mens temperatur, hysterese, sensorfeil og nylig strømflyt kan skape forskjeller av tilsvarende størrelse.

Spenningen blir mer informativ i de brattere delene av LFP-kurven, men et nøyaktig BMS trenger fortsatt presis strømintegrasjon, temperaturkompensasjon, en kjemispesifikk modell og egnede referanseforhold. Analog Devices' veiledning om kapasitetsberegning for LFP beskriver den flate spenningskurven og hysteresen som sentrale utfordringer for beregningen. (Analog Devices)

Det gjør ikke LFP umulig å balansere. Det betyr at en enkel regel som «tapp gruppen med høyest spenning» er mindre pålitelig gjennom det flate midtpartiet av driftsområdet.

Passiv balansering

Passiv balansering fjerner en liten mengde ladning fra utvalgte grupper med høyere SOC. En transistor kobler en motstand over gruppen, og den avledede elektriske energien blir til varme.

Under lading gjør tapping av en høyere gruppe det mulig for de lavere gruppene å ta den igjen mens batteripakken fortsatt mottar energi. Noen systemer kan også lade ut utvalgte grupper mens kjøretøyet står parkert eller etter at ladingen har stanset.

Passiv balansering er vanlig fordi kretsen er kompakt, forholdsvis rimelig og enkel å integrere i utstyr for celleovervåking. De viktigste begrensningene er:

Den fjernede energien går tapt som varme.
Balanseringsstrømmen er liten sammenlignet med lade- eller fremdriftsstrømmen.
Store forskjeller kan kreve mange timer.
Temperaturen i motstandene kan begrense hvor mange kanaler som er aktive samtidig.
Den kan ikke flytte energi inn i en lavere gruppe under utlading.

Balanseringsstrøm og tid

Balanseringsutstyr for biler arbeider vanligvis i milliampereområdet. NXP-komponenten MC33775A for celleovervåking i biler støtter for eksempel passiv balansering med opptil 300 mA per kanal og har styring basert på tid, spenning og temperatur. Dette er en komponentegenskap, ikke en verdi som gjelder alle elbiler. (NXP)

Et enkelt tidsanslag er:

Balanseringstid = ladeforskjell ÷ balanseringsstrøm

En SOC-forskjell på 1% i en gruppe på 100 Ah tilsvarer 1 Ah. Med en kontinuerlig balanseringsstrøm på 0.1 A vil det ta omtrent 10 timer å fjerne denne forskjellen.

Reell balansering kan ta lengre tid fordi BMS-et kan sette prosessen på pause for spenningsmålinger, begrense tilstøtende kanaler, redusere driftssyklusen når komponentene blir varme, stoppe utenfor et tillatt temperaturområde eller la kjøretøyet gå inn i en tilstand med lavere strømforbruk. Moderne overvåkingskretser for biler har slik tids- og temperaturstyring fordi tappemotstandene og koblingskomponentene må beskyttes. (Texas Instruments)

Passiv balansering egner seg derfor godt til å korrigere gradvise avvik mellom ellers like grupper. Det er ikke en rask reparasjonsprosess for et batteri med store forskjeller.

Aktiv balansering

Aktiv balansering overfører ladning gjennom kraftelektroniske kretser i stedet for bevisst å omdanne alt til varme i tappemotstander. Avhengig av topologien kan energien flyttes:

Fra en høyere gruppe til en lavere gruppe
Mellom en gruppe og en større del av batteripakken
Mellom moduler eller seksjoner i batteripakken
Fra batteripakken til en gruppe med lav ladetilstand

Overføringskretsen kan bruke kondensatorer, induktorer, transformatorer, koblingsmatriser eller toveis DC-DC-omformere.

Aktiv balansering kan arbeide med høyere strøm og omfordele energi under lading, utlading eller hvile. Under utlading kan den for eksempel tilføre energi fra sterkere grupper til en gruppe som nærmer seg den nedre grensen, og dermed utsette tidspunktet da denne gruppen avslutter batteripakkens brukbare utlading.

Metoden er ikke tapsfri. Ledere, brytere, magnetiske komponenter og styreelektronikk bruker energi og utvikler varme. Den tilfører også:

Kostnad og flere komponenter
Plassbehov og vekt
Større styringskompleksitet
Hensyn til elektromagnetisk interferens
Flere krav til diagnostikk og funksjonssikkerhet
Flere mulige feilmodi

Aktiv balansering kan gjøre mer av den eksisterende energien i batteripakken brukbar når kapasiteten i gruppene har utviklet seg ulikt, men gjenoppretter ikke den opprinnelige kapasiteten til en svak gruppe. Den samme gruppen kan igjen bli den begrensende i neste syklus. Analog Devices beskriver hovedforskjellen tydelig: Passiv balansering omdanner overskuddsladning til varme, mens aktiv balansering omfordeler den. (Analog Devices)

Aktiv balansering er ikke automatisk den beste konstruksjonen for alle elbiler. Passiv balansering kan være tilstrekkelig når cellene er godt tilpasset og BMS-et korrigerer små avvik jevnlig. Aktiv balansering blir mer attraktiv når gevinsten i brukbar energi forsvarer den ekstra maskinvaren og valideringsbelastningen. Gjennomganger av balanseringsarkitekturer for elbiler viser den samme overordnede avveiningen: Aktive systemer gir mer fleksibel energioverføring, mens passive systemer beholder fordelene i pris og enkelhet. (Energies)

Når balansering skjer

Det finnes ingen universell balanseringsplan. Avhengig av batteriet og BMS-strategien kan balansering skje:

Under AC-lading
Nær slutten av ladingen
Etter at ladingen har stanset
Mens kjøretøyet fortsatt er tilkoblet
Under utvalgte parkerings- eller kjøreforhold
Når spenning, strøm og temperatur oppfyller de programmerte kriteriene

Mange systemer utfører mye av balanseringen nær en høy SOC. Ladestrømmen er lavere, BMS-et kan identifisere hvilken gruppe som først når den øvre grensen, og et tilkoblet kjøretøy kan ha nok tid til å gjennomføre en langsom korrigering.

Dette kalles ofte toppbalansering, men andre strategier kan justere gruppene nær den nedre enden eller bruke modellbasert balansering over et større driftsområde. Den valgte metoden avhenger av cellekjemi, batterikonstruksjon, driftsvindu og produsentens prioriteringer.

Lading til vist 100% beviser ikke at balansering har funnet sted. BMS-et kan også kreve egnet temperatur, en minste forskjell i spenning eller beregnet SOC, lav strøm, mer tid tilkoblet eller en annen produsentspesifikk betingelse.

Balansering og SOC-kalibrering er forskjellige

Balansering endrer fordelingen av ladning mellom seriekoblede grupper. SOC-kalibrering endrer BMS-ets beregning av hvor fullt batteriet er.

Et høyt eller lavt referansepunkt kan hjelpe BMS-et med å kalibrere SOC på nytt, og en lang lading kan samtidig gi tid til balansering, men de to prosessene er fortsatt adskilte. Et kjøretøy kan oppdatere den viste prosentverdien uten å flytte en meningsfull mengde ladning mellom gruppene. Det kan også balansere gruppene uten en synlig endring på instrumentpanelet.

Førere bør derfor følge ladeveiledningen for sitt nøyaktige kjøretøy i stedet for en generell regel om å «lade til 100% for å balansere». Kjemi, BMS-strategi, programvare, lagringstid og daglig rekkeviddebehov påvirker alle hva som er en passende rutine. Ladeytelse og effektreduksjon ved høy SOC er behandlet separat i Batterilading og ladeytelse.

Hva balansering ikke kan reparere

Cellebalansering kan ikke:

Gjenopprette kapasitet som er tapt gjennom degradering
Reversere en varig økning i motstand
Reparere en intern kortslutning
Stanse unormal selvutlading
Reparere en skadet samleskinne, terminal eller måleledning
Korrigere utilstrekkelig kjøling
Reparere en unøyaktig spennings- eller temperatursensor
Få alle grupper til å eldes i samme tempo
Gjenopprette litium eller aktivt materiale som allerede er tapt inne i en celle

Hvis én gruppe gjentatte ganger kommer ut av balanse kort tid etter balansering, kan batteriet ha et underliggende problem med kapasitet, motstand, selvutlading, temperatur, forbindelse eller måling. Balansering kan justere gruppen midlertidig, men vedvarende ubalanse krever diagnostikk.

De fleste elbiler viser ikke balanseringsaktiviteten direkte. Mulige indirekte symptomer omfatter:

At ladingen reduseres eller stanser tidligere enn forventet
Redusert brukbar energi
En plutselig korrigering av vist SOC
Et raskere SOC-fall nær tomt batteri
Redusert fremdriftseffekt ved lav SOC
En stor rapportert spenningsspredning
At kjøretøyet forblir aktivt etter lading
Et batteri- eller drivlinjevarsel

Ingen av disse symptomene beviser ubalanse. Temperatur, normal reduksjon av ladeeffekt, feil i SOC-beregningen, begrensninger i laderen, generell degradering, kjølefeil og programvarestrategi kan gi lignende oppførsel.

En pålitelig diagnose sammenligner gruppespenning, temperatur, motstand, selvutlading og historikk under kontrollerte forhold. Ett skjermbilde av spenningsdeltaet eller én ladeøkt er ikke nok. Varig kapasitetstap og testing av batterihelse er forklart i Batteridegradering.

Cellebalansering er mest effektiv når den i det stille korrigerer små forskjeller før føreren merker dem. Når en gruppe er blitt svak nok til å begrense batteripakken gjentatte ganger, kan balansering håndtere konsekvensen, men ikke fjerne årsaken.