Cellbalansering

Cellbalansering korrigerar skillnader i laddningsnivå mellan de seriekopplade cellgrupperna i ett elbilsbatteri. Den bidrar till att förhindra att en grupp avslutar laddning eller urladdning för tidigt, men kan inte återställa förlorad kapacitet eller reparera en degraderad cell.

Vad cellbalanseringen faktiskt balanserar

Benämningen cellbalansering kan ge intrycket att batterihanteringssystemet (BMS) mäter och justerar varje fysisk cell separat. Så är ett elbilsbatteri inte alltid konstruerat.

Parallellkopplade celler har samma polspänning och övervakas normalt som en grupp. I exempelvis ett 108s4p-batteri är 108 grupper seriekopplade och varje grupp innehåller fyra parallella celler. Paketet har 432 fysiska celler, men normalt 108 voltmätnings- och balanseringskanaler.

I den här artikeln avser cellgrupp en övervakad position i seriekedjan. Den kan bestå av en stor cell eller flera parallella celler.

Varje seriekopplad grupp leder samma paketström. Om 50 A flyter genom batteriet passerar samma 50 A varje serieposition. Grupperna kan ändå nå olika laddningsnivåer eftersom deras kapacitet, resistans, temperatur, självurladdning och åldrande inte är helt identiska.

Balansering är den BMS-funktion som minskar dessa skillnader i laddningsnivå. Det övergripande systemet för övervakning, beräkning och skydd förklaras i Batterihanteringssystem.

Varför cellgrupper glider isär

Celler väljs ut och matchas under batteriproduktionen, men inga två förblir exakt lika under hela sin livslängd. Små skillnader byggs upp under upprepade perioder av laddning, körning och parkering.

De främsta orsakerna är:

Variationer från tillverkning och ursprunglig kapacitet
Olika åldrande och kapacitetsförlust
Skillnader i intern resistans
Ojämn temperatur och kylning
Små variationer i självurladdning
Läckströmmar genom mät- eller balanseringselektronik
En svag cell i en parallellgrupp
Skillnader i samlingsskenor, poler eller andra elektriska anslutningar
Förskjutning i spänningssensorn eller fel i en mätledning

Orsakerna motsvarar inte alla samma problem.

Obalans i laddningsnivå

En obalans i laddningsnivå innebär att två grupper innehåller olika mycket laddning i förhållande till sin egen användbara kapacitet. Om två i övrigt identiska grupper på 100 Ah innehåller 80 Ah respektive 78 Ah är deras laddningsnivåer 80% och 78%.

Det är denna skillnad som balanseringen är avsedd att korrigera.

Kapacitetsobalans

En kapacitetsobalans finns när en grupp kan lagra mindre laddning än de andra. En degraderad grupp på 90 Ah och en frisk grupp på 100 Ah kan båda ligga på 100% SOC, men den degraderade gruppen innehåller mindre laddning och blir normalt tom först.

Balansering kan rikta in de båda grupperna mot samma punkt i arbetsfönstret. Den kan inte återställa de 10 Ah som saknas. Gruppen med lägst kapacitet kan därför fortsätta att begränsa paketets användbara energi efter balanseringen.

Skillnader i resistans och temperatur

En grupp med hög resistans visar en större spänningsökning under laddning och ett större spänningsfall under acceleration. En kall grupp kan också sjunka mer under belastning än en varm grupp vid samma SOC.

Dessa tillfälliga spänningsskillnader är inte nödvändigtvis laddningsskillnader. Balansering enbart utifrån momentan spänning vid hög ström kan ta bort laddning från fel grupp.

Självurladdning

En grupp med högre självurladdning hamnar gradvis efter medan fordonet står parkerat. Balansering kan upprepade gånger föra den tillbaka i linje, men ihållande avvikelse kan tyda på ett cellfel, förorening, läckage genom övervakningsutrustningen eller ett annat fel som behöver diagnostiseras.

Seriekopplade celler divergerar naturligt på grund av skillnader i temperatur, impedans, belastning och självurladdning, medan passiv balansering i allmänhet räcker för små SOC-skillnader mellan väl matchade celler. (Analog Devices)

Så begränsar en grupp batteriet

Varje övervakad grupp måste hållas inom sitt tillåtna spännings- och temperaturområde. Paketets medelvärde kan inte sätta en enskild grupps gräns ur spel.

Under laddning

Laddningen begränsas av den grupp som först når sin övre spänningsgräns. Föreställ dig fyra grupper nära slutet av en laddning:

Grupp A når sin övre gräns.
Grupp B ligger på 98% SOC.
Grupp C ligger på 97% SOC.
Grupp D ligger på 99% SOC.

Fortsatt laddning med samma ström skulle överladda grupp A, trots att de andra grupperna fortfarande har utrymme. BMS måste minska laddningsströmmen, balansera utvalda grupper, stoppa laddningen eller kombinera åtgärderna. En del av kapaciteten i grupperna B och C förblir oanvänd.

Under urladdning

Urladdningen begränsas av den grupp som först når sin undre gräns. De starkare grupperna kan fortfarande innehålla energi, men fordonet kan inte fortsätta ta ut obegränsad ström utan att överurladda den begränsande gruppen.

BMS minskar normalt den tillgängliga drivkraften innan gruppen når sin absoluta nedre gräns. Vid behov förhindrar det till slut fortsatt urladdning för framdrivning.

Den grupp som begränsar laddning är inte alltid samma som begränsar urladdning. En grupp med högre resistans kan stiga mest under laddning och sjunka mest under acceleration, medan en grupp med lägre kapacitet kan nå slutet av sin användbara laddning först. Därför måste en spänningsspridning tolkas i sitt sammanhang och inte bara mot ett enda tröskelvärde.

Både passiv och aktiv balansering syftar till att frigöra användbar energi som annars skulle bli otillgänglig på grund av SOC-obalans. Ingen av metoderna förändrar cellernas fysiska kapacitet. (Analog Devices)

Så identifierar BMS en obalans

Cellövervakningselektroniken mäter spänningen i varje seriegrupp. BMS bedömer sedan mätvärdena tillsammans med:

Paketström
Cell- och modultemperaturer
Spänningsrespons under laddning och urladdning
Spänningsåterhämtning efter att strömmen upphör
Beräknad SOC för gruppen
Inlärd kapacitet och resistans
Tidigare balanseringsaktivitet
Självurladdning under parkering
Diagnostik av sensorer och kommunikation

Skillnaden mellan den högsta och lägsta uppmätta gruppspänningen kallas ofta cellspänningsdelta eller spänningsspridning. Den är användbar, men ger inte ett fullständigt mått på balansen.

Spänningen är lättast att tolka när strömmen är låg, temperaturerna likartade och tillfälliga polariserings- och resistanseffekter har lagt sig. Under snabbladdning eller kraftig acceleration kan den uppmätta spridningen huvudsakligen bero på resistans snarare än SOC.

En grupp som ser högst ut under laddning och lägst under urladdning kan ha högre resistans, inte ett överskott av lagrad laddning. BMS måste skilja mellan:

En verklig SOC-skillnad
En kapacitetsskillnad
En resistansrelaterad spänningsskillnad
En temperatureffekt
Onormal självurladdning
Fel i sensor, mätledning eller anslutning

Balanseringsbeslut som enbart grundas på spänning vid hög ström kan förvärra skillnaden. Teknisk vägledning om balansering betonar därför ström, resistanseffekter och förhållanden nära slutet av laddningen, där strömmen har sjunkit. (Texas Instruments)

Varför LFP kräver särskild omsorg

Litiumjärnfosfatceller (LFP) har en jämförelsevis plan tomgångsspänningskurva över en stor del av sitt SOC-intervall. En betydande förändring i lagrad laddning kan bara ge en liten spänningsskillnad, medan temperatur, hysteres, sensorfel och nyligt strömflöde kan ge skillnader av liknande storlek.

Spänningen ger mer information i de brantare delarna av LFP-kurvan, men ett noggrant BMS behöver fortfarande exakt strömintegrering, temperaturkompensation, en kemispecifik modell och lämpliga referensförhållanden. Analog Devices vägledning om laddningsmätning för LFP beskriver den plana spänningskurvan och hysteresen som centrala utmaningar för tillståndsberäkningen. (Analog Devices)

Det innebär inte att LFP är omöjligt att balansera. Det betyder att en enkel regel som ”tappa ur den högsta spänningen” är mindre tillförlitlig i den plana mitten av arbetsområdet.

Passiv balansering

Passiv balansering avlägsnar en liten mängd laddning från utvalda grupper med högre SOC. En transistor kopplar ett motstånd över gruppen och den avledda elektriska energin blir värme.

Under laddning gör avtappningen från en högre grupp att de lägre grupperna kan komma ikapp medan paketet fortsätter ta emot energi. Vissa system kan också ladda ur utvalda grupper medan fordonet står parkerat eller efter att laddningen har stoppat.

Passiv balansering är vanlig eftersom kretsen är kompakt, relativt billig och lätt att integrera i cellövervakningsutrustningen. De främsta begränsningarna är:

Den avlägsnade energin förbrukas som värme.
Balanseringsströmmen är liten jämfört med laddnings- eller drivströmmen.
Stora skillnader kan kräva många timmar.
Motståndstemperaturen kan begränsa hur många kanaler som kan vara aktiva samtidigt.
Den kan inte flytta energi till en lägre grupp under urladdning.

Balanseringsström och tid

Balanseringsutrustning för fordon arbetar ofta i milliamperområdet. NXP:s fordonsanpassade cellstyrenhet MC33775A stöder exempelvis passiv balansering med upp till 300 mA per kanal och har styrning för tid, spänning och temperatur. Det är en komponentegenskap, inte ett värde som gäller alla elbilar. (NXP)

En enkel tidsuppskattning är:

Balanseringstid = laddningsskillnad ÷ balanseringsström

En SOC-skillnad på 1% i en grupp på 100 Ah motsvarar 1 Ah. Med en kontinuerlig balanseringsström på 0.1 A skulle det ta cirka 10 timmar att avlägsna skillnaden.

I verkligheten kan balanseringen ta längre tid eftersom BMS kan pausa den för spänningsmätningar, begränsa intilliggande kanaler, minska arbetscykeln när komponenter blir varma, stoppa utanför ett tillåtet temperaturområde eller låta fordonet gå ner i ett energisnålare läge. Dagens övervakningskonstruktioner för fordon innehåller dessa timer- och temperaturkontroller eftersom avtappningsmotstånden och kopplingskomponenterna behöver skyddas. (Texas Instruments)

Passiv balansering lämpar sig därför väl för att korrigera gradvis avvikelse mellan i övrigt likartade grupper. Den är ingen snabb reparationsprocess för ett batteri med allvarlig obalans.

Aktiv balansering

Aktiv balansering överför laddning genom kraftelektroniska kretsar i stället för att avsiktligt förbruka all energi i avtappningsmotstånd. Beroende på topologi kan energi flyttas:

Från en högre grupp till en lägre grupp
Mellan en grupp och en större del av paketet
Mellan moduler eller paketsektioner
Från paketet till en grupp med låg laddning

Överföringskretsen kan använda kondensatorer, induktorer, transformatorer, kopplingsmatriser eller dubbelriktade DC-DC-omvandlare.

Aktiv balansering kan arbeta med högre ström och omfördela energi under laddning, urladdning eller vila. Under urladdning kan den exempelvis mata energi från starkare grupper till en grupp som närmar sig sin undre gräns och därmed skjuta upp den punkt där gruppen avslutar paketets användbara urladdning.

Metoden är inte förlustfri. Ledare, brytare, magnetiska komponenter och styrelektronik förbrukar energi och utvecklar värme. Den tillför också:

Kostnad och fler komponenter
Utrymme och vikt
Styrkomplexitet
Hänsyn till elektromagnetiska störningar
Fler krav på diagnostik och funktionssäkerhet
Ytterligare möjliga feltyper

Aktiv balansering kan göra en större del av den befintliga paketenergin användbar när gruppernas kapacitet har divergerat, men återställer inte en svag grupps ursprungliga kapacitet. Samma grupp kan åter bli den begränsande under nästa cykel. Analog Devices beskriver den centrala skillnaden tydligt: passiv balansering förbrukar överskottsladdning, medan aktiv balansering omfördelar den. (Analog Devices)

Aktiv balansering är inte automatiskt den bästa konstruktionen för alla elbilar. Passiv balansering kan räcka när cellerna är väl matchade och BMS regelbundet korrigerar små avvikelser. Aktiv balansering blir mer attraktiv när vinsten i användbar energi motiverar den extra hårdvaran och valideringsbördan. Översikter över balanseringsarkitekturer för elbilar visar samma övergripande avvägning: aktiva system ger flexiblare energiöverföring, medan passiva system har fördelar i kostnad och enkelhet. (Energies)

När balansering sker

Det finns inget universellt balanseringsschema. Beroende på batteri och BMS-strategi kan balansering ske:

Under AC-laddning
Nära slutet av laddningen
Efter att laddningen har stoppat
Medan fordonet fortfarande är anslutet
Under utvalda parkerings- eller körförhållanden
När spänning, ström och temperatur uppfyller de programmerade kriterierna

Många system utför en stor del av balanseringen vid hög SOC. Laddningsströmmen är lägre, BMS kan identifiera vilken grupp som först når den övre gränsen och det anslutna fordonet kan ha tillräckligt med tid för en långsam korrigering.

Detta kallas ofta toppbalansering, men andra strategier kan rikta in grupperna nära den nedre änden eller använda modellbaserad balansering över ett större arbetsområde. Valet beror på cellkemi, paketkonstruktion, arbetsfönster och tillverkarens prioriteringar.

Laddning till visade 100% bevisar inte att balansering har skett. BMS kan dessutom kräva lämplig temperatur, en minsta skillnad i spänning eller beräknad SOC, låg ström, ytterligare tid med anslutning eller något annat tillverkarspecifikt villkor.

Balansering och SOC-kalibrering är olika saker

Balansering ändrar laddningsfördelningen mellan seriekopplade grupper. SOC-kalibrering ändrar BMS uppskattning av hur fullt batteriet är.

En hög eller låg referenspunkt kan hjälpa BMS att kalibrera SOC på nytt, och en lång laddning kan också ge tid för balansering, men processerna är ändå separata. Ett fordon kan uppdatera den visade procentsatsen utan att någon betydande laddning flyttas mellan grupperna. Det kan också balansera grupper utan att det syns på instrumentpanelen.

Förare bör därför följa laddningsråden för sitt exakta fordon i stället för en generell regel om att ”ladda till 100% för balansering”. Kemi, BMS-strategi, programvara, lagringstid och det dagliga räckviddsbehovet påverkar lämplig rutin. Laddningsprestanda och effektnedtrappning vid hög SOC behandlas separat i Batteriladdning och laddningsprestanda.

Vad balansering inte kan åtgärda

Cellbalansering kan inte:

Återställa kapacitet som förlorats genom degradering
Återställa permanent ökad resistans
Reparera en intern kortslutning
Stoppa onormal självurladdning
Reparera en skadad samlingsskena, pol eller mätledning
Korrigera otillräcklig kylning
Reparera en felvisande spännings- eller temperatursensor
Få alla grupper att åldras i samma takt
Återvinna litium eller aktivt material som redan gått förlorat inne i en cell

Om en grupp upprepade gånger glider ur balans kort efter balansering kan batteriet ha ett underliggande problem med kapacitet, resistans, självurladdning, temperatur, anslutning eller mätning. Balanseringen kan tillfälligt rikta in gruppen, men en ihållande obalans kräver diagnostik.

De flesta elbilar visar inte balanseringsaktiviteten direkt. Möjliga indirekta symtom är:

Laddningen trappas ned eller stoppas tidigare än väntat
Minskad användbar energi
En plötslig korrigering av visad SOC
Snabbare SOC-fall nära tomt batteri
Minskad drivkraft vid låg SOC
En stor rapporterad spänningsspridning
Fordonet förblir aktivt efter laddning
En batteri- eller drivlinevarning

Inget av symtomen bevisar att det finns en obalans. Temperatur, normal nedtrappning av laddningen, fel i SOC-beräkningen, laddarbegränsningar, allmän degradering, kylfel och programvarustrategi kan ge liknande beteende.

En tillförlitlig diagnos jämför gruppspänning, temperatur, resistans, självurladdning och historik under kontrollerade förhållanden. En skärmbild av spänningsdeltat eller en enda laddning räcker inte. Permanent kapacitetsförlust och provning av batterihälsa förklaras i Batteridegradering.

Cellbalansering är som mest effektiv när den obemärkt korrigerar små skillnader innan föraren märker dem. När en grupp har blivit så svag att den upprepade gånger begränsar paketet kan balanseringen hantera konsekvensen, men inte ta bort orsaken.