Celbalancering

Celbalancering corrigeert verschillen in ladingsniveau tussen de in serie geschakelde celgroepen van een EV-batterij. Het helpt voorkomen dat één groep het laden of ontladen te vroeg beëindigt, maar kan verloren capaciteit niet herstellen of een gedegradeerde cel repareren.

Wat celbalancering werkelijk balanceert

De naam celbalancering kan de indruk wekken dat het batterijmanagementsysteem (BMS) iedere fysieke cel afzonderlijk meet en bijstelt. Een EV-batterij is niet altijd zo opgebouwd.

Parallel geschakelde cellen hebben dezelfde klemspanning en worden normaal als één groep bewaakt. In bijvoorbeeld een 108s4p-batterij zijn 108 groepen in serie geschakeld en bevat elke groep vier parallelle cellen. Het pakket heeft 432 fysieke cellen, maar normaal gesproken 108 V-kanalen voor spanningsmeting en balancering.

In dit artikel betekent celgroep één bewaakte positie in de serieschakeling. Dat kan één grote cel of een aantal parallelle cellen zijn.

Door elke in serie geschakelde groep loopt dezelfde pakketstroom. Als er 50 A door de batterij loopt, gaat diezelfde 50 A door iedere positie in de serieschakeling. Toch kunnen de groepen verschillende laadtoestanden bereiken, omdat capaciteit, weerstand, temperatuur, zelfontlading en veroudering niet volkomen gelijk zijn.

Balancering is de BMS-functie die deze verschillen in ladingsniveau verkleint. Het bredere systeem voor bewaking, schatting en beveiliging wordt uitgelegd in Batterijmanagementsysteem.

Waarom celgroepen uit balans raken

Cellen worden tijdens de batterijproductie geselecteerd en op elkaar afgestemd, maar geen twee cellen blijven gedurende hun hele levensduur exact gelijk. Kleine verschillen stapelen zich op tijdens herhaalde perioden van laden, rijden en parkeren.

De belangrijkste oorzaken zijn:

Variaties in productie en aanvangscapaciteit
Verschillende verouderingssnelheden en capaciteitsverliezen
Verschillen in interne weerstand
Ongelijkmatige temperatuur en koeling
Kleine verschillen in zelfontlading
Lekstromen via meet- of balanceerelektronica
Een zwakke cel binnen een parallelle groep
Verschillen in busbars, aansluitingen of andere elektrische verbindingen
Offset van een spanningssensor of een storing in een meetdraad

Deze oorzaken duiden niet allemaal op hetzelfde probleem.

Onbalans in laadtoestand

Een onbalans in laadtoestand betekent dat twee groepen ten opzichte van hun eigen bruikbare capaciteit een verschillende hoeveelheid lading bevatten. Als twee verder identieke groepen van 100 Ah respectievelijk 80 Ah en 78 Ah bevatten, is hun laadtoestand 80% en 78%.

Dit is de afwijking waarvoor balancering bedoeld is.

Onbalans in capaciteit

Een onbalans in capaciteit bestaat wanneer één groep minder lading kan opslaan dan de andere. Een gedegradeerde groep van 90 Ah en een gezonde groep van 100 Ah kunnen beide een SOC van 100% hebben, maar de gedegradeerde groep bevat minder lading en bereikt normaal als eerste de lege toestand.

Balancering kan de twee groepen op een gekozen punt binnen het werkingsvenster gelijkzetten. De ontbrekende 10 Ah kan ze niet herstellen. De groep met de laagste capaciteit kan daarom ook na balancering de bruikbare pakketenergie blijven beperken.

Verschillen in weerstand en temperatuur

Een groep met hoge weerstand vertoont tijdens het laden een grotere spanningsstijging en tijdens accelereren een grotere spanningsdaling. Ook kan een koude groep onder belasting sterker inzakken dan een warme groep met dezelfde SOC.

Deze tijdelijke spanningsverschillen zijn niet noodzakelijkerwijs ladingsverschillen. Als uitsluitend op basis van de momentane spanning bij hoge stroom wordt gebalanceerd, kan lading uit de verkeerde groep worden verwijderd.

Zelfontlading

Een groep met een grotere zelfontlading raakt tijdens het parkeren geleidelijk achterop. Balancering kan de groep herhaaldelijk weer gelijktrekken, maar aanhoudende afwijking kan wijzen op een celdefect, verontreiniging, lekstroom via bewakingshardware of een andere storing die diagnose vereist.

In serie geschakelde cellen gaan van nature uiteenlopen door verschillen in temperatuur, impedantie, belasting en zelfontlading. Passieve balancering is doorgaans voldoende voor kleine SOC-verschillen tussen goed op elkaar afgestemde cellen. (Analog Devices)

Hoe één groep de batterij begrenst

Elke bewaakte groep moet binnen het toegestane spannings- en temperatuurbereik blijven. Het pakketgemiddelde kan de limiet van een afzonderlijke groep niet opheffen.

Tijdens het laden

Het laden wordt beperkt door de groep die als eerste haar bovenspanningslimiet bereikt. Stel dat vier groepen bijna volledig geladen zijn:

Groep A bereikt haar bovengrens.
Groep B heeft een SOC van 98%.
Groep C heeft een SOC van 97%.
Groep D heeft een SOC van 99%.

Doorgaan met dezelfde stroom zou Groep A overladen, ook al hebben de andere groepen nog ruimte. Het BMS moet de laadstroom verlagen, bepaalde groepen balanceren, het laden stoppen of deze maatregelen combineren. Een deel van de capaciteit in Groep B en C blijft ongebruikt.

Tijdens het ontladen

Het ontladen wordt beperkt door de groep die als eerste haar ondergrens bereikt. De sterkere groepen kunnen nog energie bevatten, maar het voertuig kan niet onbeperkt stroom blijven afnemen zonder de begrenzende groep te diep te ontladen.

Het BMS verlaagt normaal het beschikbare aandrijfvermogen voordat de groep haar absolute ondergrens bereikt. Zo nodig verhindert het uiteindelijk verdere ontlading voor aandrijving.

De groep die het laden begrenst is niet altijd dezelfde die het ontladen begrenst. Een groep met hogere weerstand kan tijdens het laden het sterkst in spanning stijgen en tijdens accelereren het sterkst inzakken, terwijl een groep met minder capaciteit als eerste het einde van haar bruikbare lading kan bereiken. Daarom moet een spanningsspreiding in haar context worden beoordeeld en niet aan één grenswaarde.

Zowel passieve als actieve balancering is erop gericht bruikbare energie terug te winnen die anders door een SOC-afwijking onbenut zou blijven. Geen van beide methoden verandert de fysieke capaciteit van de cellen. (Analog Devices)

Hoe het BMS een onbalans herkent

De celbewakingselektronica meet de spanning van iedere groep in de serieschakeling. Vervolgens beoordeelt het BMS die metingen in combinatie met:

Pakketstroom
Cel- en moduletemperaturen
Spanningsreactie tijdens laden en ontladen
Spanningsherstel nadat de stroom stopt
Geschatte SOC van de groep
Aangeleerde capaciteit en weerstand
Eerdere balanceeractiviteit
Zelfontlading tijdens parkeren
Diagnose van sensoren en communicatie

Het verschil tussen de hoogste en laagste gemeten groepsspanning wordt vaak celspanningsdelta of spanningsspreiding genoemd. Het is nuttig, maar vormt geen volledige maat voor de balans.

Spanning is het gemakkelijkst te interpreteren wanneer de stroom laag is, de temperaturen vergelijkbaar zijn en tijdelijke polarisatie- en weerstandseffecten tot rust zijn gekomen. Tijdens snelladen of krachtig accelereren kan de gemeten spreiding hoofdzakelijk door weerstand in plaats van SOC worden bepaald.

Een groep die tijdens het laden de hoogste en tijdens het ontladen de laagste spanning heeft, kan een hogere weerstand hebben in plaats van te veel opgeslagen lading. Het BMS moet onderscheid maken tussen:

Een werkelijk SOC-verschil
Een capaciteitsverschil
Een spanningsverschil door weerstand
Een temperatuureffect
Abnormale zelfontlading
Een storing in een sensor, meetdraad of verbinding

Balanceerbeslissingen die uitsluitend op spanning bij hoge stroom zijn gebaseerd, kunnen de afwijking vergroten. Technische richtlijnen voor balancering leggen daarom nadruk op stroom, weerstandseffecten en omstandigheden nabij het einde van het laden, wanneer de stroom is afgenomen. (Texas Instruments)

Waarom LFP extra zorg vereist

Lithium-ijzerfosfaatcellen (LFP) hebben door een groot deel van hun SOC-bereik een relatief vlakke nullastspanningscurve. Een betekenisvolle verandering in opgeslagen lading kan maar een klein spanningsverschil veroorzaken, terwijl temperatuur, hysterese, sensorfouten en recente stroomdoorgang verschillen van vergelijkbare grootte kunnen opleveren.

Spanning wordt informatiever in de steilere delen van de LFP-curve, maar een nauwkeurig BMS vereist nog steeds precieze integratie van de stroom, temperatuurcompensatie, een chemiespecifiek model en geschikte referentieomstandigheden. De richtlijnen van Analog Devices voor capaciteitsmeting bij LFP-batterijen beschrijven de vlakke spanningscurve en hysterese als centrale uitdagingen voor de schatting. (Analog Devices)

Dit maakt balancering van LFP niet onmogelijk. Het betekent dat een eenvoudige regel als 'ontlaad de hoogste spanning' door het vlakke middendeel van het werkingsbereik minder betrouwbaar is.

Passieve balancering

Passieve balancering verwijdert een kleine hoeveelheid lading uit geselecteerde groepen met een hogere SOC. Een transistor schakelt een weerstand over de groep en de omgeleide elektrische energie wordt in warmte omgezet.

Tijdens het laden laat het ontladen van een hogere groep de lagere groepen inlopen terwijl het pakket energie blijft opnemen. Sommige systemen kunnen geselecteerde groepen ook ontladen terwijl het voertuig geparkeerd staat of nadat het laden is gestopt.

Passieve balancering wordt veel gebruikt omdat de schakeling compact, relatief goedkoop en gemakkelijk in celbewakingshardware te integreren is. De belangrijkste beperkingen zijn:

De verwijderde energie gaat als warmte verloren.
De balanceerstroom is klein vergeleken met de laad- of aandrijfstroom.
Grote verschillen kunnen vele uren vereisen.
De temperatuur van de weerstanden kan beperken hoeveel kanalen tegelijk werken.
Tijdens het ontladen kan ze geen energie naar een lagere groep verplaatsen.

Balanceerstroom en -tijd

Balanceerhardware voor voertuigen werkt doorgaans in het milliampèrebereik. De MC33775A-celcontroller voor voertuigen van NXP ondersteunt bijvoorbeeld passieve balancering tot 300 mA per kanaal en bevat tijd-, spannings- en temperatuurregelingen. Dat is een eigenschap van die component en geen waarde die voor iedere EV geldt. (NXP)

Een eenvoudige schatting van de benodigde tijd is:

Balanceertijd = ladingsverschil ÷ balanceerstroom

Een SOC-verschil van 1% in een groep van 100 Ah komt overeen met 1 Ah. Bij een continue balanceerstroom van 0,1 A duurt het verwijderen van dat verschil ongeveer 10 uur.

In werkelijkheid kan balancering langer duren omdat het BMS ze kan onderbreken voor spanningsmetingen, aangrenzende kanalen kan beperken, de bedrijfscyclus kan verlagen wanneer componenten opwarmen, buiten een toegestaan temperatuurbereik kan stoppen of het voertuig naar een toestand met lager stroomverbruik kan laten gaan. Huidige ontwerpen van celbewakingssystemen bevatten deze tijd- en temperatuurregelingen omdat de ontlaadweerstanden en schakelcomponenten beschermd moeten worden. (Texas Instruments)

Passieve balancering is daarom zeer geschikt om geleidelijke afwijking tussen verder vergelijkbare groepen te corrigeren. Het is geen snel reparatieproces voor een batterij met een ernstige onbalans.

Actieve balancering

Actieve balancering verplaatst lading via vermogenselektronische schakelingen in plaats van deze doelbewust volledig in ontlaadweerstanden te dissiperen. Afhankelijk van de topologie kan energie worden verplaatst:

Van een hogere naar een lagere groep
Tussen een groep en een groter gedeelte van het pakket
Tussen modules of pakketdelen
Vanuit het pakket naar een groep met weinig lading

De overdrachtsschakeling kan condensatoren, spoelen, transformatoren, schakelmatrices of bidirectionele DC-DC-omvormers gebruiken.

Actieve balancering kan met een hogere stroom werken en tijdens laden, ontladen of rust energie herverdelen. Tijdens het ontladen kan ze bijvoorbeeld energie uit sterkere groepen naar een groep voeren die haar ondergrens nadert. Zo wordt het moment uitgesteld waarop die groep de bruikbare ontlading van het pakket beëindigt.

De methode is niet verliesvrij. Geleiders, schakelaars, magnetische componenten en regelelektronica verbruiken energie en ontwikkelen warmte. Daarnaast brengt ze het volgende met zich mee:

Hogere kosten en meer componenten
Ruimte en gewicht
Complexere regeling
Aandachtspunten voor elektromagnetische interferentie
Meer eisen aan diagnose en functionele veiligheid
Extra mogelijke storingswijzen

Actieve balancering kan meer van de aanwezige pakketenergie bruikbaar maken wanneer de capaciteit van groepen uiteen is gaan lopen, maar herstelt de oorspronkelijke capaciteit van een zwakke groep niet. Dezelfde groep kan tijdens de volgende cyclus opnieuw de begrenzende groep worden. Analog Devices beschrijft het centrale verschil duidelijk: passieve balancering dissipeert overtollige lading, terwijl actieve balancering deze herverdeelt. (Analog Devices)

Actieve balancering is niet automatisch het betere ontwerp voor iedere EV. Passieve balancering kan voldoende zijn wanneer cellen goed op elkaar zijn afgestemd en het BMS kleine afwijkingen geregeld corrigeert. Actieve balancering wordt aantrekkelijker wanneer de winst in bruikbare energie de extra hardware en validatielast rechtvaardigt. Overzichten van balanceerarchitecturen voor EV's komen tot dezelfde algemene afweging: actieve systemen bieden flexibelere energieoverdracht, terwijl passieve systemen voordelen behouden op het gebied van kosten en eenvoud. (Energies)

Wanneer balancering plaatsvindt

Er bestaat geen universeel balanceerschema. Afhankelijk van de batterij en BMS-strategie kan balancering plaatsvinden:

Tijdens AC-laden
Nabij het einde van het laden
Nadat het laden is gestopt
Terwijl het voertuig aangesloten blijft
Tijdens bepaalde parkeer- of rijomstandigheden
Wanneer spanning, stroom en temperatuur aan de geprogrammeerde criteria voldoen

Veel systemen voeren een groot deel van de balancering uit bij een hoge SOC. De laadstroom is dan lager, het BMS kan bepalen welke groep het eerst haar bovengrens bereikt en het aangesloten voertuig heeft mogelijk genoeg tijd voor een langzame correctie.

Dit wordt vaak topbalancering genoemd, maar andere strategieën kunnen groepen nabij de ondergrens gelijkzetten of modelgebaseerde balancering over een groter werkingsbereik gebruiken. De gekozen methode hangt af van celchemie, pakketontwerp, werkingsvenster en de prioriteiten van de fabrikant.

Laden tot de weergegeven 100% bewijst niet dat balancering heeft plaatsgevonden. Het BMS kan ook een geschikte temperatuur, een minimaal verschil in spanning of geschatte SOC, een lage stroom, extra aangesloten tijd of een andere fabrikantspecifieke voorwaarde vereisen.

Balancering en SOC-kalibratie zijn verschillend

Balancering verandert de verdeling van lading tussen in serie geschakelde groepen. SOC-kalibratie verandert de schatting van het BMS van hoe vol de batterij is.

Een hoog of laag referentiepunt kan het BMS helpen de SOC opnieuw te kalibreren en een lange laadbeurt kan ook tijd voor balancering bieden, maar de twee processen blijven afzonderlijk. Een voertuig kan het weergegeven percentage bijwerken zonder noemenswaardige lading tussen groepen te verplaatsen. Het kan groepen ook balanceren zonder een zichtbare verandering op het dashboard.

Bestuurders moeten daarom de laadrichtlijnen voor hun specifieke voertuig volgen in plaats van een algemene regel als 'laad voor balancering tot 100%' toe te passen. Chemie, BMS-strategie, software, opslagtijd en dagelijkse behoefte aan bereik beïnvloeden allemaal de juiste routine. Laadprestaties en het afbouwen van het vermogen bij een hoge SOC worden afzonderlijk behandeld in Batterij laden en laadprestaties.

Wat balancering niet kan herstellen

Celbalancering kan niet:

Door degradatie verloren capaciteit herstellen
Een permanent verhoogde weerstand omkeren
Een interne kortsluiting repareren
Abnormale zelfontlading stoppen
Een beschadigde busbar, aansluiting of meetdraad repareren
Ontoereikende koeling corrigeren
Een onnauwkeurige spannings- of temperatuursensor herstellen
Zorgen dat iedere groep even snel veroudert
Lithium of actief materiaal terugwinnen dat al in een cel verloren is gegaan

Als één groep kort na het balanceren herhaaldelijk uit balans raakt, kan de batterij een onderliggend probleem hebben met capaciteit, weerstand, zelfontlading, temperatuur, verbinding of meting. Balancering kan de groep tijdelijk gelijkzetten, maar een aanhoudende onbalans vereist diagnose.

De meeste EV's tonen balanceeractiviteit niet rechtstreeks. Mogelijke indirecte symptomen zijn:

Het laadvermogen wordt eerder dan verwacht afgebouwd of het laden stopt eerder
Minder bruikbare energie
Een plotselinge correctie van de weergegeven SOC
Een snellere SOC-daling nabij leeg
Minder aandrijfvermogen bij een lage SOC
Een grote gemelde spanningsspreiding
Het voertuig blijft na het laden actief
Een waarschuwing voor de batterij of aandrijflijn

Geen van deze symptomen bewijst dat er een onbalans is. Temperatuur, normale afbouw van het laadvermogen, fouten in de SOC-schatting, beperkingen van de lader, algemene degradatie, koelstoringen en softwarestrategieën kunnen vergelijkbaar gedrag veroorzaken.

Een betrouwbare diagnose vergelijkt onder beheerste omstandigheden de groepsspanning, temperatuur, weerstand, zelfontlading en historie. Eén schermafbeelding van de spanningsdelta of één laadsessie is niet genoeg. Permanent capaciteitsverlies en onderzoek van de batterijgezondheid worden uitgelegd in Batterijdegradatie.

Celbalancering is het doeltreffendst wanneer ze ongemerkt kleine verschillen corrigeert voordat de bestuurder ze opmerkt. Zodra een groep zo zwak is geworden dat ze het pakket herhaaldelijk beperkt, kan balancering het gevolg beheersen maar de oorzaak niet wegnemen.