Batteribalansering
Batteribalansering och batteriomfördelning hänvisar till tekniker som förbättrar den tillgängliga kapaciteten hos ett batteripaket med flera celler (vanligtvis i serie) och ökar varje cells livslängd. En batteribalanserare eller batteriregulator är en elektrisk enhet i ett batteripaket som utför batteribalansering. Balanserare finns ofta i litiumjonbatterier för bärbara datorer, elektriska fordon. etc.
Logisk grund
De individuella cellerna i ett batteripaket har naturligtvis något olika kapacitet, och kan därför, under loppet av laddnings- och urladdningscykler, vara i ett annat laddningstillstånd (SOC). Variationer i kapacitet beror på tillverkningsvariationer, monteringsvariationer (t.ex. celler från en produktionsserie blandad med andra), cellåldring, föroreningar eller miljöexponering (t.ex. vissa celler kan utsättas för ytterligare värme från närliggande källor som motorer, elektronik , etc.), och kan förvärras av den kumulativa effekten av parasitiska belastningar, såsom cellövervakningskretsar som ofta finns i ett batterihanteringssystem (BMS).
Att balansera ett flercellspaket hjälper till att maximera kapaciteten och livslängden för paketet genom att arbeta för att upprätthålla likvärdig laddningstillstånd för varje cell, i den grad det är möjligt med tanke på deras olika kapacitet, över bredast möjliga intervall. Balansering är endast nödvändig för förpackningar som innehåller mer än en cell i serie. Parallella celler kommer naturligt att balansera eftersom de är direkt anslutna till varandra, men grupper av parallellt anslutna celler, kopplade i serie (parallell serie ledningar) måste balanseras mellan cellgrupper.
Konsekvenser för säkerheten
För att förhindra oönskade, och ofta osäkra förhållanden, måste batterihanteringssystemet övervaka tillståndet hos enskilda celler för funktionsegenskaper som temperatur, spänning och ibland strömdragen – även om det senare ofta bara mäts per förpackning i stället för per cell, kanske med engångsskydd på cellnivå mot onormalt hög ström (som vid kortslutning eller annat feltillstånd.)
Under normal drift måste urladdningen stoppas när någon cell först tar slut, även om andra celler fortfarande kan ha betydande laddning. Likaså måste laddningen stoppas när någon cell når sin maximala säkra laddningsspänning. Underlåtenhet att göra någondera kan orsaka permanent skada på cellerna, eller i extrema fall kan det driva celler till omvänd polaritet, orsaka intern gasning, termisk rusning eller andra katastrofala fel. Om cellerna inte är balanserade, så att den höga och låga cutoffen åtminstone är i linje med tillståndet för den lägsta kapacitetscellen, kommer energin som kan tas från och återföras till batteriet att begränsas.
Uppladdningsbara litiumjonbattericeller är ganska känsligare för överladdning av batteripaketet, överhettning, felaktiga laddningsnivåer under lagring och andra former av felbehandling än de vanligaste batterikemierna (t.ex. NiMH). Anledningen är att de olika litiumbatteriernas kemi är känsliga för kemiska skador (t.ex. katodnedsmutsning, molekylär nedbrytning, etc.) av endast mycket små överspänningar (dvs. millivolt) under laddning, eller mer laddningsström än vad den interna kemin kan tolerera vid denna punkt i dess laddnings-/urladdningscykel, och så vidare. Värme accelererar dessa oönskade, men hittills ofrånkomliga, kemiska reaktioner och överhettning under laddning förstärker dessa effekter.
Eftersom litiumkemi ofta tillåter flexibla membranstrukturer, kan litiumceller användas i flexibla men förseglade påsar, vilket tillåter högre packningsdensiteter i ett batteripaket. När en litiumcell felbehandlas utgas en del av nedbrytningsprodukterna (vanligtvis av elektrolytkemikalier eller tillsatser). Sådana celler kommer att bli "svullna" och är mycket på väg att misslyckas. I förseglade litiumjonbatterier i cylindriskt format har samma utgasning orsakat ganska stora tryck (800+ psi har rapporterats [ citat behövs] ) ; sådana celler kan explodera om de inte är försedda med en tryckavlastningsmekanism. Förvärrar faran är att många litiumcellskemier inkluderar kolvätekemikalier [ citat behövs ] (vars exakta natur är typiskt proprietär), och dessa är brandfarliga. Utöver risken för att cellfelaktig behandling potentiellt kan orsaka en explosion, kan därför ett enkelt icke-explosivt läckage orsaka brand.
De flesta batterikemi har mindre dramatiska och mindre farliga fellägen. Kemikalierna i de flesta batterier är ofta till viss del giftiga, men är sällan explosiva eller brandfarliga [ citat behövs ] ; många är frätande, vilket ger råd om att undvika att lämna batterier i utrustningen under långa perioder eftersom batterierna kan läcka och skada utrustningen. Blybatterier är ett undantag, eftersom laddning av dem genererar vätgas, som kan explodera om de utsätts för en antändningskälla (t.ex. en tänd cigarett) och en sådan explosion kommer att spraya svavelsyra i alla riktningar. Eftersom detta är frätande och potentiellt bländande är detta en särskild fara.
Teknologi
Balansering kan vara aktiv eller passiv . Termen batteriregulator avser vanligtvis endast enheter som utför passiv balansering.
Ett komplett BMS kan innefatta aktiv balansering såväl som temperaturövervakning, laddning och andra funktioner för att maximera livslängden på ett batteripaket.
Batteribalansering kan utföras av DC-DC-omvandlare , i en av tre topologier:
- Cell-till-batteri
- Batteri-till-cell
- Dubbelriktad
Typiskt är den effekt som hanteras av varje DC-DC-omvandlare några storleksordningar lägre än den effekt som hanteras av batteripaketet som helhet.
Passiv balansering
Vid passiv balansering hämtas energi från den mest laddade cellen och försvinner som värme, vanligtvis genom motstånd .
Passiv balansering utjämnar laddningstillståndet vid någon fast punkt – vanligtvis antingen "toppbalanserad", med alla celler som når 100 % SOC samtidigt; eller "bottenbalanserad", med alla celler som når minsta SOC samtidigt. Detta kan åstadkommas genom att blöda energi från cellerna med högre laddningstillstånd (t.ex. en kontrollerad kortslutning genom ett motstånd eller transistor), eller shunta energi genom en bana parallellt med en cell under laddningscykeln så att mindre av (vanligtvis reglerad konstant) ström förbrukas av cellen. Passiv balansering är i sig slöseri, med en del av paketets energi som används som värme för att utjämna laddningstillståndet mellan cellerna. Uppbyggnaden av spillvärme kan också begränsa den hastighet med vilken balansering kan ske.
Aktiv balansering
Vid aktiv balansering dras energi från den mest laddade cellen och överförs till de minst laddade cellerna, vanligtvis genom kondensatorbaserade, induktorbaserade eller DC-DC-omvandlare .
Aktiv balansering försöker omfördela energi från celler vid full laddning till de med lägre laddningstillstånd. Energi kan avtappas från en cell vid högre SOC genom att byta en reservoarkondensator i krets med cellen, sedan koppla bort kondensatorn och återansluta den till en cell med lägre SOC, eller genom en DC-till-DC-omvandlare ansluten över hela paketet . På grund av ineffektivitet går en del energi fortfarande till spillo som värme, men inte i samma grad. Trots de uppenbara fördelarna kan den extra kostnaden och komplexiteten för en aktiv balanseringstopologi vara betydande och är inte alltid vettigt beroende på applikationen.
En annan variant som ibland används på EAPC-batteripaket använder en flerstiftskontakt med ett motstånd och en diod i serie på varje nod: eftersom dropparna är kända applicerar laddaren sedan antingen en lämplig urladdningsström eller laddar de svaga cellerna tills de alla läser samma laddade terminalspänning. Detta har fördelen att minska packvikten något och sänka parasitisk dragning, samt möjliggöra flerpunktsbalansering.
Se även
Vidare läsning
- Kondensatorbaserat batteribalanseringssystem
- Instruktioner
- Litiumjonbattericellbalanseringsalgoritm för batterihanteringssystem baserad på realtidsavvikelsedetektering
Patent
- US Patent 384 447 , E. Julien, Reglerande kommutator för sekundärt batteri
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
