Równoważenie ogniw

Równoważenie ogniw koryguje różnice w poziomie naładowania między połączonymi szeregowo grupami ogniw akumulatora EV. Pomaga zapobiegać zbyt wczesnemu zakończeniu ładowania lub rozładowywania przez jedną grupę, ale nie przywraca utraconej pojemności ani nie naprawia zdegradowanego ogniwa.

Co naprawdę jest równoważone

Nazwa równoważenie ogniw może sugerować, że system zarządzania akumulatorem (BMS) mierzy i reguluje osobno każde fizyczne ogniwo. Akumulator EV nie zawsze jest tak zbudowany.

Ogniwa połączone równolegle mają to samo napięcie zacisków i są zwykle monitorowane jako jedna grupa. Przykładowo w akumulatorze 108s4p 108 grup jest połączonych szeregowo, a każda zawiera cztery ogniwa równoległe. Pakiet ma 432 fizyczne ogniwa, ale zwykle 108 voltage channels, czyli kanałów pomiaru napięcia i równoważenia.

W tym artykule grupa ogniw oznacza jedną monitorowaną pozycję w łańcuchu szeregowym. Może to być jedno duże ogniwo albo kilka ogniw równoległych.

Każda grupa połączona szeregowo przewodzi ten sam prąd pakietu. Jeśli przez akumulator płynie 50 A, takie samo 50 A przepływa przez każdą pozycję szeregową. Grupy mogą jednak osiągać różne stany naładowania, ponieważ ich pojemność, opór, temperatura, samorozładowanie i starzenie nie są idealnie jednakowe.

Równoważenie jest funkcją BMS zmniejszającą te różnice poziomu naładowania. Szerszy system monitorowania, szacowania i ochrony opisano w artykule System zarządzania akumulatorem.

Dlaczego grupy ogniw się rozchodzą

Ogniwa są dobierane i dopasowywane podczas produkcji akumulatora, lecz żadne dwa nie pozostają dokładnie takie same przez cały okres eksploatacji. Małe różnice narastają podczas kolejnych okresów ładowania, jazdy i postoju.

Główne przyczyny to:

Różnice produkcyjne i początkowej pojemności
Różne tempo starzenia i utraty pojemności
Różnice oporu wewnętrznego
Nierówna temperatura i chłodzenie
Niewielkie różnice samorozładowania
Prądy upływu przez układy pomiarowe lub równoważące
Słabe ogniwo w grupie równoległej
Różnice szyn zbiorczych, zacisków lub innych połączeń elektrycznych
Przesunięcie czujnika napięcia lub usterka przewodu pomiarowego

Nie wszystkie te przyczyny oznaczają ten sam problem.

Nierównowaga stanu naładowania

Nierównowaga stanu naładowania oznacza, że dwie grupy zawierają różne ilości ładunku względem własnych pojemności użytkowych. Jeśli dwie poza tym identyczne grupy 100 Ah zawierają 80 Ah i 78 Ah, ich stan naładowania wynosi odpowiednio 80% i 78%.

To właśnie tę niezgodność ma korygować równoważenie.

Nierównowaga pojemności

Nierównowaga pojemności występuje, gdy jedna grupa może zmagazynować mniej ładunku niż pozostałe. Zdegradowana grupa 90 Ah i zdrowa grupa 100 Ah mogą obie mieć 100% SOC, lecz zdegradowana zawiera mniej ładunku i zwykle jako pierwsza osiągnie stan pusty.

Równoważenie może wyrównać obie grupy w wybranym punkcie okna pracy. Nie odzyska brakujących 10 Ah. Grupa o najmniejszej pojemności może więc nadal ograniczać energię użytkową pakietu po zakończeniu równoważenia.

Różnice oporu i temperatury

Grupa o dużym oporze wykazuje większy wzrost napięcia podczas ładowania i większy spadek podczas przyspieszania. Zimna grupa może także wykazywać większy spadek pod obciążeniem niż ciepła przy tym samym SOC.

Te chwilowe różnice napięcia nie muszą oznaczać różnic ładunku. Równoważenie wyłącznie na podstawie chwilowego napięcia przy dużym prądzie może odebrać ładunek niewłaściwej grupie.

Samorozładowanie

Grupa o większym samorozładowaniu stopniowo pozostaje w tyle podczas postoju. Równoważenie może wielokrotnie ją wyrównywać, lecz trwałe rozchodzenie się może wskazywać wadę ogniwa, zanieczyszczenie, upływ przez układ monitorowania albo inną usterkę wymagającą diagnostyki.

Ogniwa połączone szeregowo naturalnie rozchodzą się z powodu różnic temperatury, impedancji, obciążenia i samorozładowania, a równoważenie pasywne zwykle wystarcza do małych różnic SOC między dobrze dopasowanymi ogniwami. (Analog Devices)

Jak jedna grupa ogranicza akumulator

Każda monitorowana grupa musi pozostawać w dozwolonym zakresie napięcia i temperatury. Średnia pakietu nie może zastąpić granicy pojedynczej grupy.

Podczas ładowania

Ładowanie ogranicza grupa, która jako pierwsza osiąga górną granicę napięcia. Wyobraźmy sobie cztery grupy pod koniec ładowania:

Grupa A osiąga górną granicę.
Grupa B ma 98% SOC.
Grupa C ma 97% SOC.
Grupa D ma 99% SOC.

Kontynuowanie ładowania tym samym prądem przeładowałoby Grupę A, mimo że w pozostałych grupach jest jeszcze miejsce. BMS musi zmniejszyć prąd ładowania, zrównoważyć wybrane grupy, przerwać ładowanie albo połączyć te działania. Część pojemności Grup B i C pozostaje niewykorzystana.

Podczas rozładowywania

Rozładowywanie ogranicza grupa, która jako pierwsza osiąga dolną granicę. Silniejsze grupy mogą nadal zawierać energię, ale pojazd nie może pobierać nieograniczonego prądu bez nadmiernego rozładowania grupy ograniczającej.

BMS zwykle zmniejsza dostępną moc napędową, zanim grupa osiągnie bezwzględną dolną granicę. W razie potrzeby ostatecznie uniemożliwia dalsze rozładowywanie trakcyjne.

Grupa ograniczająca ładowanie nie zawsze jest grupą ograniczającą rozładowywanie. Grupa o większym oporze może osiągać najwyższe napięcie podczas ładowania i największy spadek podczas przyspieszania, natomiast grupa o mniejszej pojemności może pierwsza osiągać koniec użytecznego ładunku. Dlatego rozrzut napięć wymaga kontekstu, a nie jednego progu.

Równoważenie pasywne i aktywne ma odzyskiwać energię użytkową, która w przeciwnym razie pozostałaby niedostępna z powodu różnic SOC. Żadna metoda nie zmienia fizycznej pojemności ogniw. (Analog Devices)

Jak BMS rozpoznaje nierównowagę

Elektronika monitorująca ogniwa mierzy napięcie każdej grupy szeregowej. BMS ocenia te odczyty razem z:

Prądem pakietu
Temperaturami ogniw i modułów
Reakcją napięcia podczas ładowania i rozładowywania
Powrotem napięcia po ustaniu przepływu prądu
Szacowanym SOC grupy
Wyuczoną pojemnością i oporem
Wcześniejszą aktywnością równoważenia
Samorozładowaniem podczas postoju
Diagnostyką czujników i komunikacji

Różnicę między najwyższym a najniższym zmierzonym napięciem grupy często nazywa się deltą napięcia ogniw lub rozrzutem napięcia. Jest przydatna, lecz nie stanowi pełnej miary równowagi.

Napięcie najłatwiej interpretować przy małym prądzie, podobnych temperaturach oraz po ustabilizowaniu chwilowej polaryzacji i wpływu oporu. Podczas pikaladowania lub silnego przyspieszania zmierzony rozrzut może wynikać głównie z oporu, a nie SOC.

Grupa, która wydaje się najwyższa podczas ładowania i najniższa podczas rozładowywania, może mieć większy opór, a nie nadmiar zmagazynowanego ładunku. BMS musi rozróżniać:

Rzeczywistą różnicę SOC
Różnicę pojemności
Różnicę napięcia związaną z oporem
Wpływ temperatury
Nietypowe samorozładowanie
Usterkę czujnika, przewodu pomiarowego lub połączenia

Decyzje równoważenia oparte wyłącznie na napięciu przy dużym prądzie mogą pogorszyć niezgodność. Techniczne wytyczne kładą więc nacisk na prąd, wpływ oporu i warunki blisko końca ładowania, gdy prąd już zmalał. (Texas Instruments)

Dlaczego LFP wymaga szczególnej uwagi

Ogniwa litowo-żelazowo-fosforanowe (LFP) mają stosunkowo płaską krzywą napięcia obwodu otwartego w dużej części zakresu SOC. Znacząca zmiana zmagazynowanego ładunku może powodować tylko niewielką różnicę napięcia, podczas gdy temperatura, histereza, błąd czujnika i niedawny przepływ prądu mogą wywoływać różnice podobnej wielkości.

Napięcie dostarcza więcej informacji w bardziej stromych częściach krzywej LFP, ale dokładny BMS nadal potrzebuje precyzyjnej integracji prądu, kompensacji temperaturowej, modelu odpowiedniego dla chemii i właściwych warunków odniesienia. Wytyczne Analog Devices dotyczące pomiaru stanu LFP wskazują płaską krzywą napięcia i histerezę jako główne wyzwania szacowania. (Analog Devices)

Nie oznacza to, że LFP nie można równoważyć. Oznacza, że prosta reguła „rozładuj najwyższe napięcie” jest mniej niezawodna w płaskiej środkowej części zakresu pracy.

Równoważenie pasywne

Równoważenie pasywne usuwa niewielką ilość ładunku z wybranych grup o wyższym SOC. Tranzystor łączy rezystor równolegle do grupy, a odprowadzona energia elektryczna zamienia się w ciepło.

Podczas ładowania rozładowywanie wyższej grupy pozwala niższym ją dogonić, gdy pakiet nadal przyjmuje energię. Niektóre systemy mogą również rozładowywać wybrane grupy podczas postoju lub po zakończeniu ładowania.

Równoważenie pasywne jest powszechne, ponieważ układ jest kompaktowy, stosunkowo tani i łatwy do zintegrowania z elektroniką monitorującą ogniwa. Główne ograniczenia:

Usunięta energia jest tracona jako ciepło.
Prąd równoważenia jest mały w porównaniu z prądem ładowania lub napędu.
Duże różnice mogą wymagać wielu godzin.
Temperatura rezystorów może ograniczać liczbę kanałów działających jednocześnie.
Nie można przekazać energii do niższej grupy podczas rozładowywania.

Prąd i czas równoważenia

Samochodowe układy równoważenia pracują zwykle w zakresie miliamperów. Przykładowo samochodowy sterownik ogniw NXP MC33775A obsługuje pasywne równoważenie prądem do 300 mA na kanał oraz sterowanie czasem, napięciem i temperaturą. Jest to możliwość komponentu, a nie wartość obowiązująca w każdym EV. (NXP)

Proste oszacowanie czasu:

Czas równoważenia = różnica ładunku ÷ prąd równoważenia

Różnica 1% SOC w grupie 100 Ah odpowiada 1 Ah. Przy ciągłym prądzie równoważenia 0.1 A usunięcie tej różnicy zajęłoby około 10 godzin.

W praktyce równoważenie może trwać dłużej, ponieważ BMS może wstrzymywać je na czas pomiarów napięcia, ograniczać sąsiednie kanały, zmniejszać cykl pracy w miarę nagrzewania elementów, zatrzymywać się poza dozwolonym zakresem temperatur lub pozwalać pojazdowi przejść w tryb mniejszego poboru mocy. Obecne samochodowe układy monitorowania zawierają te zabezpieczenia czasowe i termiczne, ponieważ rezystory upustowe i elementy przełączające wymagają ochrony. (Texas Instruments)

Równoważenie pasywne dobrze nadaje się więc do korygowania stopniowego rozchodzenia się podobnych grup. Nie jest szybką naprawą poważnie niedopasowanego akumulatora.

Równoważenie aktywne

Równoważenie aktywne przenosi ładunek przez układy energoelektroniczne zamiast celowo rozpraszać całość w rezystorach upustowych. Zależnie od topologii energia może przepływać:

Z wyższej grupy do niższej
Między grupą a większą sekcją pakietu
Między modułami lub sekcjami pakietu
Z pakietu do niskiej grupy

Układ przenoszenia może wykorzystywać kondensatory, cewki, transformatory, matryce przełączające lub dwukierunkowe przetwornice DC–DC.

Równoważenie aktywne może pracować z większym prądem i redystrybuować energię podczas ładowania, rozładowywania lub spoczynku. Podczas rozładowywania może na przykład przekazywać energię z silniejszych grup do grupy zbliżającej się do dolnej granicy, opóźniając moment zakończenia użytecznego rozładowania pakietu.

Metoda nie jest bezstratna. Przewodniki, przełączniki, elementy magnetyczne i elektronika sterująca zużywają energię i wytwarzają ciepło. Dodaje też:

Koszt i liczbę komponentów
Przestrzeń i masę
Złożoność sterowania
Wymagania dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych
Więcej wymagań diagnostycznych i bezpieczeństwa funkcjonalnego
Dodatkowe możliwe tryby awarii

Równoważenie aktywne może udostępnić większą część istniejącej energii pakietu, gdy pojemności grup się rozeszły, ale nie przywraca pierwotnej pojemności słabej grupy. Ta sama grupa może ponownie stać się ograniczeniem w następnym cyklu. Analog Devices jasno opisuje kluczową różnicę: równoważenie pasywne rozprasza nadmiar ładunku, a aktywne go redystrybuuje. (Analog Devices)

Równoważenie aktywne nie jest automatycznie lepszym rozwiązaniem dla każdego EV. Pasywne może wystarczyć, gdy ogniwa są dobrze dopasowane, a BMS regularnie koryguje niewielkie różnice. Aktywne staje się bardziej atrakcyjne, gdy korzyść w energii użytkowej uzasadnia dodatkowy sprzęt i obciążenie walidacyjne. Przeglądy architektur równoważenia EV wskazują ten sam ogólny kompromis: systemy aktywne oferują bardziej elastyczny transfer energii, a pasywne zachowują przewagę kosztu i prostoty. (Energies)

Kiedy odbywa się równoważenie

Nie istnieje uniwersalny harmonogram. Zależnie od akumulatora i strategii BMS równoważenie może odbywać się:

Podczas ładowania AC
Pod koniec ładowania
Po zakończeniu ładowania
Gdy pojazd pozostaje podłączony
W wybranych warunkach postoju lub jazdy
Zawsze, gdy napięcie, prąd i temperatura spełniają zaprogramowane kryteria

Wiele systemów wykonuje znaczną część równoważenia przy wysokim SOC. Prąd ładowania jest wtedy mniejszy, BMS może rozpoznać grupę, która jako pierwsza osiąga górną granicę, a podłączony pojazd może mieć czas na powolną korektę.

Często nazywa się to równoważeniem górnym, ale inne strategie mogą wyrównywać grupy blisko dolnego końca albo wykorzystywać modelowe równoważenie w szerszym zakresie pracy. Wybór zależy od chemii ogniw, konstrukcji pakietu, okna pracy i priorytetów producenta.

Naładowanie do wyświetlanych 100% nie dowodzi, że równoważenie nastąpiło. BMS może dodatkowo wymagać odpowiedniej temperatury, minimalnej różnicy napięcia lub szacowanego SOC, małego prądu, dłuższego czasu podłączenia albo innego warunku określonego przez producenta.

Równoważenie i kalibracja SOC to różne procesy

Równoważenie zmienia rozkład ładunku między grupami połączonymi szeregowo. Kalibracja SOC zmienia oszacowanie BMS dotyczące stopnia naładowania akumulatora.

Wysoki lub niski punkt odniesienia może pomóc BMS ponownie skalibrować SOC, a długie ładowanie może zarazem dać czas na równoważenie, lecz procesy pozostają oddzielne. Pojazd może zaktualizować wyświetlany procent bez istotnego przenoszenia ładunku między grupami. Może też równoważyć grupy bez widocznej zmiany na desce rozdzielczej.

Kierowcy powinni więc przestrzegać zaleceń ładowania dla konkretnego pojazdu zamiast ogólnej zasady „ładuj do 100% w celu równoważenia”. Chemia, strategia BMS, oprogramowanie, czas postoju i codzienne potrzeby zasięgu wpływają na odpowiednią rutynę. Osiągi ładowania i zmniejszanie mocy przy wysokim SOC opisano osobno w Ładowaniu akumulatora i osiągach ładowania.

Czego równoważenie nie naprawi

Równoważenie ogniw nie może:

Przywrócić pojemności utraconej wskutek degradacji
Odwrócić trwałego wzrostu oporu
Naprawić wewnętrznego zwarcia
Zatrzymać nietypowego samorozładowania
Naprawić uszkodzonej szyny zbiorczej, zacisku lub przewodu pomiarowego
Skorygować niewystarczającego chłodzenia
Naprawić niedokładnego czujnika napięcia lub temperatury
Sprawić, że każda grupa będzie starzeć się w tym samym tempie
Odzyskać lit ani materiał aktywny utracony wewnątrz ogniwa

Jeśli jedna grupa wkrótce po równoważeniu wielokrotnie odchyla się od pozostałych, akumulator może mieć podstawowy problem z pojemnością, oporem, samorozładowaniem, temperaturą, połączeniem lub pomiarem. Równoważenie może tymczasowo wyrównać grupę, ale trwała nierównowaga wymaga diagnostyki.

Większość samochodów elektrycznych nie pokazuje bezpośrednio aktywności równoważenia. Możliwe objawy pośrednie to:

Wcześniejsze niż oczekiwano zmniejszanie mocy lub kończenie ładowania
Zmniejszona energia użytkowa
Nagła korekta wyświetlanego SOC
Szybszy spadek SOC blisko stanu pustego
Ograniczona moc napędowa przy niskim SOC
Duży zgłaszany rozrzut napięcia
Pozostawanie pojazdu aktywnym po ładowaniu
Ostrzeżenie akumulatora lub układu napędowego

Żaden z tych objawów nie dowodzi nierównowagi. Temperatura, normalne zmniejszanie mocy ładowania, błąd oszacowania SOC, ograniczenia ładowarki, ogólna degradacja, usterki chłodzenia i strategia programowa mogą powodować podobne zachowanie.

Wiarygodna diagnostyka porównuje napięcie, temperaturę, opór, samorozładowanie i historię grup w kontrolowanych warunkach. Jeden zrzut ekranu delty napięcia albo jedna sesja ładowania nie wystarczą. Trwałą utratę pojemności i badanie kondycji akumulatora opisano w artykule Degradacja akumulatora.

Równoważenie jest najskuteczniejsze, gdy niezauważalnie koryguje małe różnice, zanim odczuje je kierowca. Gdy grupa osłabnie na tyle, że wielokrotnie ogranicza pakiet, równoważenie może kontrolować skutek, ale nie usunie przyczyny.