Balansowanie ogniw akumulatora samochodu elektrycznego: metody pasywne i aktywne

Balansowanie reguluje ładunek szeregowo połączonych grup ogniw, aby różnice między nimi nie ograniczały niepotrzebnie dostępnej energii akumulatora. Systemy pasywne odbierają ładunek wybranym grupom, a aktywne przenoszą energię między częściami pakietu.

Dlaczego różnice ładunku ograniczają pakiet

Grupa ogniw to jedna monitorowana pozycja w szeregowym łańcuchu akumulatora: pojedyncze ogniwo albo kilka ogniw połączonych równolegle. Rozdział battery pack wyjaśnia, jak te połączenia tworzą napięcie i pojemność pakietu.

System zarządzania akumulatorem (BMS) musi utrzymywać każdą grupę w jej granicach pracy. Podczas ładowania jedna grupa może osiągnąć górną granicę napięcia, gdy pozostałe nadal mogą przyjąć energię. Podczas rozładowywania jedna może osiągnąć dolną granicę, gdy w pozostałych nadal jest energia. Obie sytuacje ograniczają to, co pakiet może dostarczyć. Balansowanie pomaga odzyskać dostępną energię, której nie można wykorzystać z powodu różnic poziomu naładowania. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Trzy rozróżnienia wyjaśniają, co można uzyskać dzięki balansowaniu:

• Różnica stanu naładowania (SOC) oznacza, że grupy zawierają różne ilości ładunku względem swoich pojemności.
• Różnica pojemności oznacza, że jedna grupa może zgromadzić mniej ładunku niż druga.
• Zmierzona różnica napięcia może również wynikać z rezystancji, temperatury lub błędu pomiarowego.

Nierównomierne samorozładowanie i niewielkie różnice obciążeń elektrycznych poszczególnych grup mogą stopniowo powodować różnicę ładunku. Różnice początkowej pojemności i tempa starzenia zmieniają szybkość, z jaką każda grupa przechodzi przez swój zakres SOC. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Rozważmy uproszczony przykład dwóch grup o pojemności 90 Ah i 100 Ah. Obie mogą być początkowo w pełni naładowane, lecz po oddaniu przez każdą 90 Ah mniejsza będzie pusta, a większa nadal będzie zawierać 10 Ah. Wyrównanie ich przy górnej granicy okna ładowania nie przywraca brakującej pojemności mniejszej grupy. Przykład pomija inne ograniczenia, które mogłyby wcześniej zatrzymać rozładowywanie. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Balansowanie pasywne

Układ balansowania pasywnego łączy rezystor równolegle z wybraną grupą za pomocą przełącznika elektronicznego. Prąd w tej gałęzi zamienia energię elektryczną w ciepło. BMS steruje tym, które gałęzie pracują i jak długo. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Podczas ładowania prąd docierający do tej pozycji w szeregowym łańcuchu dzieli się między ogniwa i gałąź balansującą:

Prąd ładowania netto ogniw = prąd ładowania pakietu − prąd bocznikujący

Jeżeli na przykład do pakietu dopływa 1 A, a wybrana gałąź pobiera 0,1 A, ogniwa tej grupy otrzymują 0,9 A. Grupa identyczna pod innymi względami, ale z wyłączoną gałęzią balansującą, otrzymuje całe 1 A i gromadzi ładunek szybciej. Są to wartości ilustracyjne przy założeniu, że inne niewielkie obciążenia elektryczne są pomijalne.

Ta sama gałąź może nadal odbierać ładunek po zatrzymaniu ładowarki; wybrana grupa sama zasila wtedy rezystor. Opisane niżej rozwiązanie Orion Jr. 2 obsługuje taki tryb pracy, dopóki BMS pozostaje zasilany w trybie CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Niewielki prąd bocznikujący tylko nieznacznie zmniejsza prąd wpływający do grupy podczas ładowania dużym prądem. Gdy grupa osiągnie swoją granicę, ładowanie nadal trzeba spowolnić lub zatrzymać. Balansowanie uzupełnia więc sterowanie ładowaniem, zamiast je zastępować.

Układ jest stosunkowo prosty i może korygować stopniowe rozchodzenie się poziomów ładunku między grupami o dobrze dopasowanych pojemnościach. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Wadą jest zamiana odebranej energii w ciepło. Balansowanie pasywne nie ma też ścieżki transferu, która podczas rozładowywania mogłaby zasilać słabo naładowaną grupę z pozostałych grup. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Prąd i czas balansowania

Przydatnym punktem wyjścia jest ilość ładunku, którą trzeba odebrać, wyrażona w amperogodzinach (Ah):

Czas balansowania (h) = różnica ładunku (Ah) ÷ średni prąd balansowania (A)

Dla dwóch grup o pojemności 100 Ah, identycznych pod innymi względami, różnica jednego punktu procentowego SOC odpowiada 1 Ah. Usunięcie jej ciągłym prądem 0,1 A zajmuje 10 godzin. Jeżeli gałąź pracuje z tym samym prądem tylko przez połowę całego czasu, średni prąd wynosi 0,05 A, a korekta trwa 20 godzin. Oba obliczenia są uproszczone i zakładają brak dalszego narastania różnicy oraz niezmienioną grupę docelową.

Samochodowy kontroler ogniw MC33775A firmy NXP obsługuje balansowanie pasywne prądem do 300 mA na kanał. Jego funkcje sterowania obejmują indywidualne liczniki czasu i progi napięcia. Automatycznie wstrzymuje balansowanie na czas pomiarów i przerywa je, jeśli rezystory balansujące się przegrzeją. Wartość 300 mA jest limitem komponentu; zamontowany układ i oprogramowanie określają prąd oraz czas pracy w pojeździe. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Rzeczywisty prąd zależy również od napięcia ogniwa i rezystancji ścieżki balansowania. Wytyczne projektowe TI dla BQ7961x-Q1 wyjaśniają dobór rezystorów i uwzględnianie ograniczeń cieplnych; tryb automatyczny naprzemiennie uruchamia kanały nieparzyste i parzyste. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Przerwy pomiarowe, wyłączenia termiczne i sekwencyjne sterowanie kanałami skracają czas, w którym gałąź może balansować. To wyjaśnia, dlaczego średni prąd może być mniejszy niż prąd przy włączonej gałęzi; czas pracy wynoszący 50% w przykładzie z 20 godzinami jest założeniem ilustracyjnym.

Balansowanie aktywne

Balansowanie aktywne wykorzystuje układ przekształcania energii do przenoszenia jej między grupami albo między jedną grupą a większą częścią pakietu. Układ może tymczasowo magazynować energię w kondensatorze lub elemencie magnetycznym, zanim dostarczy ją w inne miejsce. Jego konstrukcja określa, które grupy mogą wymieniać energię. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

Konstrukcja obsługująca transfer podczas rozładowywania może zasilać grupę zbliżającą się do dolnej granicy z grup, w których nadal pozostaje energia. Może to wydłużyć użyteczne rozładowywanie pakietu nawet przy różnych pojemnościach grup. Podczas ładowania odpowiedni układ może odprowadzać energię z grupy zbliżającej się do górnej granicy. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Prąd transferu i dostępny czas balansowania ograniczają tę korzyść, na co zwraca uwagę ADI. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing W praktyce układ transferu może dostarczać zbyt mało energii, by przy dużym zapotrzebowaniu na moc utrzymać grupę ograniczającą pakiet powyżej jej dolnej granicy. Redystrybucja energii poprawia wykorzystanie pakietu; zdolność każdej grupy do magazynowania ładunku pozostaje niezmieniona.

Przełączanie i przekształcanie energii powodują straty, a dodatkowe elementy zwiększają koszt, rozmiary i złożoność sterowania. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Decyzja projektowa polega na ocenie, czy odzyskana energia i szybkość balansowania uzasadniają te dodatki w danym pakiecie.

Jak pomiary napięcia kierują balansowaniem

Różnicę między najwyższym i najniższym zmierzonym napięciem grup często nazywa się rozrzutem napięć lub deltą napięcia ogniw. Jej znaczenie zmienia się wraz z prądem, temperaturą i SOC.

Grupa o większej rezystancji wewnętrznej może wykazywać wyższe napięcie podczas ładowania i niższe podczas rozładowywania, nawet bez różnicy SOC. Odbieranie jej ładunku tylko dlatego, że pod prądem ładowania ma najwyższe napięcie, może pogłębić nierównowagę. Mniejszy prąd i ustabilizowane warunki ograniczają te efekty, ułatwiając interpretację napięcia. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Różnice temperatur również wpływają na zachowanie napięcia. Przesunięcie wskazań czujnika lub usterka przewodu pomiarowego może wywołać pozorną różnicę bez fizycznego zaburzenia równowagi ładunku. Rozdział battery management system wyjaśnia, jak odróżnia się usterki pomiarowe od usterek ogniw.

Fosforan litowo-żelazowy (LFP) stwarza szczególne wyzwanie: jego napięcie zmienia się nieznacznie w dużej części zakresu SOC. Różne poziomy naładowania mogą więc dawać podobne napięcia. Histereza, czyli zależność napięcia od niedawnego przebiegu ładowania lub rozładowywania ogniwa, dodatkowo utrudnia porównanie. Bardziej strome odcinki krzywej napięcia dostarczają więcej informacji o różnicach ładunku. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Napięcie, pomiary prądu i modele akumulatora pomagają szacować SOC. Balansowanie fizycznie zmienia ładunek w wybranych grupach; kalibracja SOC koryguje oszacowanie BMS. Sama zmiana wyświetlanego procentu nie dowodzi, że nastąpiła redystrybucja ładunku.

Kiedy działa balansowanie i co może wywnioskować kierowca

Strategia sterowania określa, kiedy balansowanie jest włączane i wstrzymywane. Warunki mogą obejmować napięcie grup, zmierzoną różnicę między nimi, temperaturę i stan pracy pojazdu.

Balansowanie górne wyrównuje grupy w pobliżu górnej granicy okna ładowania, a dolne — w pobliżu dolnej. Terminy te opisują punkt wyrównania. Pasywne i aktywne określają mechanizm zmiany rozkładu ładunku. Grupy o różnych pojemnościach mogą być wyrównane na jednym końcu i rozchodzić się, gdy pakiet zbliża się do drugiego.

Udokumentowanym przykładem jest Orion Jr. 2, BMS dla pakietów o napięciu nominalnym do 48 V w lekkich pojazdach i zastosowaniach stacjonarnych. Instrukcja z 2018 roku opisuje regulowane progi balansowania i zaleca balansowanie górne. Balansowanie w środku zakresu lub przy dolnej granicy może wymagać zewnętrznego kontrolera wskazującego, kiedy ma działać. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Wyświetlane 100% oznacza górę okna ładowania przedstawianego kierowcy, a nie bezwzględny punkt pełnego naładowania każdego ogniwa, jak wyjaśniono w battery buffers and the operating window. Wskazanie nie ujawnia, czy spełniono wymagane warunki balansowania ani jak długo ono trwało. Należy stosować zalecenia ładowania dla konkretnego pojazdu zamiast uniwersalnego schematu pełnego ładowania lub głębokiego rozładowania. Rozdział battery charging wyjaśnia odrębne czynniki wpływające na szybkość ładowania i jej stopniowe zmniejszanie.

Jeśli grupa wielokrotnie traci równowagę, diagnostyka musi ustalić, czy przyczyną jest rozchodzenie się poziomów ładunku, mniejsza pojemność, rezystancja, temperatura czy problem pomiarowy. Odczyt rozrzutu napięć jest najbardziej przydatny wraz z warunkami i historią, które do niego doprowadziły. Trwałą utratę pojemności omówiono w battery degradation.