Celbalancering in EV-accu’s: passieve en actieve methoden

Celbalancering past de lading van in serie geschakelde celgroepen aan, zodat verschillen ertussen de bruikbare energie van de accu niet onnodig beperken. Passieve systemen onttrekken lading aan geselecteerde groepen; actieve systemen verplaatsen energie tussen delen van het accupakket.

Waarom ladingsverschillen een accupakket beperken

Een celgroep is één bewaakte positie in de serieschakeling van de accu: een afzonderlijke cel of meerdere parallel geschakelde cellen. Het hoofdstuk battery pack legt uit hoe deze verbindingen de spanning en capaciteit van het pakket bepalen.

Het accumanagementsysteem (BMS) moet elke groep binnen de bedrijfsgrenzen houden. Tijdens het laden kan één groep de bovengrens voor de spanning bereiken terwijl andere nog energie kunnen opnemen. Tijdens het ontladen kan één groep de ondergrens bereiken terwijl andere nog energie bevatten. Beide situaties beperken wat het pakket kan leveren. Balancering helpt bruikbare energie terug te winnen die door verschillende laadniveaus onbereikbaar blijft. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Drie onderscheidingen maken duidelijk wat balancering kan bereiken:

• Een verschil in laadstatus (SOC) betekent dat groepen verschillende hoeveelheden lading bevatten ten opzichte van hun capaciteit.
• Een capaciteitsverschil betekent dat een groep minder lading kan opslaan dan een andere.
• Een gemeten spanningsverschil kan ook ontstaan door weerstand, temperatuur of een meetfout.

Ongelijke zelfontlading en kleine verschillen in elektrische belasting van afzonderlijke groepen kunnen geleidelijk een ladingsverschil veroorzaken. Verschillen in oorspronkelijke capaciteit en veroudering veranderen hoe snel elke groep zijn SOC-bereik doorloopt. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Neem een vereenvoudigd voorbeeld met twee groepen van 90 Ah en 100 Ah. Beide kunnen volledig geladen beginnen, maar nadat elk 90 Ah heeft geleverd, is de kleinere leeg en bevat de grotere nog 10 Ah. Ze aan de bovenkant van het laadvenster gelijkzetten herstelt de ontbrekende capaciteit van de kleinere groep niet. Dit voorbeeld laat andere grenzen buiten beschouwing die de ontlading eerder kunnen beëindigen. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passieve balancering

Een passieve balanceerschakeling sluit via een elektronische schakelaar een weerstand parallel aan op een geselecteerde groep. De stroom in deze tak zet elektrische energie om in warmte. Het BMS bepaalt welke takken actief zijn en hoelang. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Tijdens het laden verdeelt de stroom op die positie in de serieschakeling zich over de cellen en de balanceertak:

Netto laadstroom naar de cellen = laadstroom van het pakket − bypassstroom

Als het pakket bijvoorbeeld 1 A ontvangt en een geselecteerde tak 0,1 A trekt, krijgen de cellen van die groep 0,9 A. Een verder identieke groep waarvan de balanceertak uitstaat, ontvangt de volledige 1 A en neemt sneller lading op. Dit zijn voorbeeldstromen, waarbij andere kleine elektrische belastingen verwaarloosbaar worden geacht.

Dezelfde tak kan lading blijven onttrekken nadat de lader stopt; de geselecteerde groep levert dan zelf de stroom door de weerstand. De hieronder beschreven Orion Jr. 2-oplossing ondersteunt dit zolang het BMS in de CHARGE-modus van stroom voorzien blijft. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Een kleine bypassstroom verlaagt de stroom naar een groep tijdens laden met hoge stroom slechts beperkt. Het laden moet nog steeds worden vertraagd of gestopt wanneer een groep zijn grens bereikt. Balancering werkt dus samen met de laadregeling en vervangt die niet.

De schakeling is relatief eenvoudig en kan geleidelijke ladingsdrift tussen groepen met goed overeenkomende capaciteiten corrigeren. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age De keerzijde is dat de onttrokken energie in warmte verandert. Passieve balancering heeft bovendien geen overdrachtspad om tijdens ontladen een laag geladen groep vanuit de andere groepen van energie te voorzien. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Balanceerstroom en tijd

Een nuttig uitgangspunt is de hoeveelheid lading die moet worden verwijderd, gemeten in ampère-uur (Ah):

Balanceertijd (h) = ladingsverschil (Ah) ÷ gemiddelde balanceerstroom (A)

Bij twee verder identieke groepen van 100 Ah komt een SOC-verschil van één procentpunt overeen met 1 Ah. Dat verschil verwijderen met een continue stroom van 0,1 A duurt 10 uur. Werkt de tak bij dezelfde stroom maar de helft van de verstreken tijd, dan bedraagt de gemiddelde stroom 0,05 A en duurt de correctie 20 uur. Beide berekeningen zijn vereenvoudigd en gaan uit van geen extra drift en een ongewijzigde doelgroep.

De MC33775A-celcontroller van NXP voor voertuigtoepassingen ondersteunt passieve balancering tot 300 mA per kanaal. De regelmogelijkheden omvatten afzonderlijke timers en spanningsdrempels. Hij pauzeert het balanceren automatisch tijdens metingen en onderbreekt het als de balanceerweerstanden oververhit raken. De 300 mA is een componentgrens; de ingebouwde schakeling en software bepalen de stroom en bedrijfstijd in het voertuig. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

De werkelijke stroom hangt ook af van de celspanning en de weerstand in het balanceerpad. TI’s ontwerpgids voor de BQ7961x-Q1 beschrijft de keuze van weerstanden en het omgaan met temperatuurgrenzen; de automatische modus wisselt oneven en even kanalen af. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Meetpauzes, thermische onderbrekingen en kanaalsequenties verkorten de tijd waarin een tak kan balanceren. Daardoor kan de gemiddelde stroom lager zijn dan de stroom bij een ingeschakelde tak; de bedrijfstijd van 50% in het voorbeeld van 20 uur is een illustratieve aanname.

Actieve balancering

Actieve balancering gebruikt een vermogenselektronische schakeling om energie tussen groepen of tussen een groep en een groter deel van het pakket te verplaatsen. De schakeling kan energie tijdelijk in een condensator of magnetische component opslaan voordat deze elders wordt afgegeven. De opbouw bepaalt welke groepen energie kunnen uitwisselen. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Een ontwerp dat overdracht tijdens ontladen ondersteunt, kan een groep dicht bij zijn ondergrens voeden vanuit groepen die nog energie bevatten. Dat kan de bruikbare ontlading van het pakket verlengen, ook bij verschillende groepscapaciteiten. Tijdens het laden kan een geschikte schakeling energie afvoeren uit een groep die zijn bovengrens nadert. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

De overdrachtsstroom en beschikbare balanceertijd beperken dit voordeel, zoals ADI opmerkt. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing Een praktisch gevolg is dat een overdrachtsschakeling te weinig energie kan leveren om de beperkende groep bij een hoge vermogensvraag boven zijn ondergrens te houden. Energie herverdelen verbetert de benutting van het pakket; de opslagcapaciteit van elke groep blijft gelijk.

Schakelen en energieomzetting veroorzaken verliezen, en extra hardware vergroot de kosten, afmetingen en regelcomplexiteit. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems De technische afweging is of de teruggewonnen energie en balanceersnelheid deze toevoegingen voor het beoogde pakket rechtvaardigen.

Hoe spanningsmetingen de balancering sturen

Het verschil tussen de hoogste en laagste gemeten groepsspanning wordt vaak spanningsspreiding of celspanningsdelta genoemd. De betekenis verandert met stroom, temperatuur en SOC.

Een groep met een hogere interne weerstand kan tijdens laden een hogere en tijdens ontladen een lagere spanning vertonen, ook zonder SOC-verschil. Lading onttrekken alleen omdat deze groep onder laadstroom de hoogste spanning heeft, kan de onbalans verergeren. Een lagere stroom en tot rust gekomen omstandigheden verminderen deze effecten, waardoor de spanning gemakkelijker te interpreteren is. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Temperatuurverschillen beïnvloeden het spanningsgedrag eveneens. Een sensoroffset of een fout in de meetdraad kan een schijnbaar verschil veroorzaken zonder dat er een fysieke ladingsonbalans is. Het hoofdstuk battery management system legt uit hoe meetfouten van celfouten worden onderscheiden.

Lithium-ijzerfosfaat (LFP) geeft een bijzondere uitdaging: de spanning verandert weinig over een groot deel van het SOC-bereik. Verschillende laadniveaus kunnen daardoor vergelijkbare spanningen opleveren. Hysterese, waarbij de spanning afhangt van het recente laad- of ontlaadverloop van de cel, bemoeilijkt de vergelijking verder. De steilere delen van de spanningscurve geven meer informatie over ladingsverschillen. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Spanning, stroommetingen en accumodellen dragen bij aan de SOC-schatting. Balancering verandert fysiek de lading in geselecteerde groepen; SOC-kalibratie corrigeert de schatting van het BMS. Een verandering in het weergegeven percentage alleen toont niet aan dat lading is herverdeeld.

Wanneer balancering plaatsvindt en wat bestuurders kunnen afleiden

De regelstrategie bepaalt wanneer balancering wordt ingeschakeld of gepauzeerd. Voorwaarden kunnen de groepsspanning, het gemeten verschil tussen groepen, de temperatuur en de bedrijfstoestand van het voertuig omvatten.

Topbalancering brengt groepen bij de bovenkant van het laadvenster op één lijn; bodembalancering doet dat bij de onderkant. Deze termen beschrijven het afstempunt. Passief en actief beschrijven het mechanisme dat de ladingsverdeling verandert. Groepen met verschillende capaciteiten kunnen aan één kant gelijklopen en uiteenlopen wanneer het pakket naar de andere kant beweegt.

Een gedocumenteerde uitvoering is de Orion Jr. 2, een BMS voor pakketten tot 48 V nominaal in lichte voertuigen en stationaire toepassingen. De handleiding uit 2018 beschrijft instelbare balanceerdrempels en beveelt topbalancering aan. Balancering in het midden of aan de onderkant kan een externe controller vereisen die aangeeft wanneer moet worden gebalanceerd. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Weergegeven 100% markeert de bovenkant van het laadvenster dat de bestuurder ziet, niet het absolute vollaadpunt van iedere cel, zoals uitgelegd in battery buffers and the operating window. De weergave vertelt niet of aan de vereiste balanceervoorwaarden is voldaan of hoelang er is gebalanceerd. Volg de laadinstructies voor het specifieke voertuig in plaats van een universele routine van volledig laden of diep ontladen. Het hoofdstuk battery charging verklaart de afzonderlijke factoren achter de laadsnelheid en de geleidelijke afname daarvan.

Als een groep herhaaldelijk uit balans raakt, moet diagnose uitwijzen of ladingsdrift, verminderde capaciteit, weerstand, temperatuur of een meetprobleem de oorzaak is. Een spanningsspreidingsmeting is het nuttigst in combinatie met de omstandigheden en voorgeschiedenis die eraan ten grondslag liggen. Permanent capaciteitsverlies wordt behandeld in battery degradation.