Managementul egalizării sistemului bateriei de alimentare
Pentru a echilibra capacitatea și diferențele de energie între celulele individuale dintr-un pachet de baterii și pentru a îmbunătăți rata de utilizare a energiei a pachetului de baterii, este necesar un circuit de egalizare în timpul procesului de încărcare și descărcare. Pe baza modului în care circuitul consumă energie în timpul procesului de egalizare, acesta poate fi împărțit în două categorii principale: tipul de disipare a energiei și tipul fără-disipare a energiei. Tipul de disipare a energiei disipă excesul de energie sub formă de căldură, în timp ce tipul de energie fără-disipare transferă sau transformă energia în exces în alte baterii.
Gestionarea echilibrului de tip{0}}de disipare a energiei
Circuitele de egalizare de tip disipare a energiei-realizează egalizarea prin derivarea curentului de încărcare prin rezistențele paralele din celulele individuale ale bateriei, așa cum se arată în Figura 8-12. Această structură a circuitului este simplă, iar procesul de egalizare este în general finalizat în timpul încărcării. Cu toate acestea, nu poate reumple puterea celulelor individuale cu-capacitate redusă, ceea ce duce la risipă de energie și o sarcină crescută a sistemului de management termic. Aparatele electrice de tip disipare a energiei se împart în general în două categorii:
Aparatele electrice de tip-de disipare a energiei se împart în general în două categorii: în primul rând, un circuit de încărcare de egalizare a rezistenței de șunt constant, în care un rezistor de șunt este întotdeauna conectat în paralel la fiecare celulă a bateriei. Această metodă se caracterizează printr-o fiabilitate ridicată și o valoare mare a rezistenței de șunt, reducând diferențele de tensiune individuală a celulei datorate auto-descărcării printr-un șunt fix. Dezavantajul său este că rezistorul de șunt consumă în mod constant energie atât în timpul încărcării, cât și al descărcării, rezultând o pierdere semnificativă de energie; este în general potrivit pentru aplicații în care energia poate fi completată rapid.
În al doilea rând, un comutator-circuit de încărcare a egalizării rezistenței de șunt, în care rezistența de șunt este controlată de un comutator. În timpul încărcării, când tensiunea individuală a bateriei atinge tensiunea de întrerupere, dispozitivul de egalizare previne supraîncărcarea și transformă excesul de energie în căldură. Acest circuit de egalizare funcționează în timpul încărcării și poate deriva curentul către celule individuale cu tensiuni mai mari în timpul încărcării. Dezavantajul său este că, din cauza timpului de egalizare limitat, cantitatea mare de căldură generată în timpul șuntării trebuie să fie disipată în timp util prin sistemul de management termic, ceea ce se observă mai ales la pachetele de baterii cu capacități mai mari.
De exemplu, într-un acumulator de 10 Ah, o diferență de tensiune de 100 mV poate duce la o diferență de capacitate de peste 500 mAh. Dacă timpul de egalizare este de 2 ore, curentul de șunt este de 250mA, rezistența de șunt este de aproximativ 14Ω, iar căldura generată este de aproximativ 2Wh.
Gestionarea egalizării de tip non-de disipare a energiei
Circuitele non-de disipare a energiei consumă mult mai puțină energie decât circuitele de disipare a energiei, dar structura lor este relativ complexă. Ele pot fi împărțite în două tipuri: egalizarea conversiei energiei și egalizarea transferului de energie.
Echilibrarea conversiei energetice
Echilibrarea conversiei energiei utilizează semnale de comutare fie pentru a reumple energia celulelor individuale din acumulatorul total, fie pentru a converti energia celulelor individuale înapoi în acumulatorul total. Conversia de la energia celulei individuale la energia totală are loc de obicei în timpul procesului de încărcare a acumulatorului, așa cum se arată în Figura 8-13. Acest circuit detectează tensiunea fiecărei celule individuale; când tensiunea unei celule individuale atinge o anumită valoare, modulul de echilibrare începe să funcționeze. Acesta deviază curentul de încărcare în celula individuală pentru a reduce tensiunea de încărcare, iar curentul deviat este convertit de modul și alimentat înapoi la magistrala de încărcare, realizând echilibrarea. Unele metode de echilibrare a conversiei energiei pot folosi, de asemenea, inductori cu roată liberă pentru a finaliza conversia energiei de la celulele individuale la pachetul de baterii.
Circuitul pentru conversia energiei întregului pachet de baterii în celule individuale este prezentat în Figura 8-14. Această metodă se mai numește și echilibrare suplimentară. În timpul procesului de încărcare, modulul principal de încărcare încarcă mai întâi acumulatorul, în timp ce circuitul de detectare a tensiunii monitorizează fiecare celulă în parte. Când tensiunea oricărei celule individuale este prea mare, circuitul principal de încărcare se oprește, iar apoi modulul suplimentar de încărcare de echilibrare începe să încarce acumulatorul. Prin design optimizat, tensiunea de încărcare din modulul de echilibrare este aplicată fiecărei celule individuale printr-un convertor DC/DC independent și un transformator de bobină coaxială, adăugând o înfășurare secundară identică. Acest lucru asigură că celulele cu tensiune mai mare primesc mai puțină energie din circuitul auxiliar de încărcare, în timp ce celulele cu tensiune mai mică primesc mai multă energie, realizând astfel echilibrarea. Problema cu această metodă este că controlul consistenței înfășurării secundare este dificil. Chiar și cu ture identice, luând în considerare inductanța de scurgere a transformatorului și inductanța reciprocă între înfășurările secundare, este posibil ca celulele individuale să nu primească aceeași tensiune de încărcare. În plus, bobina coaxială suferă și o anumită disipare a energiei, iar această metodă de echilibrare abordează doar dezechilibrele de încărcare, nereușind să abordeze dezechilibrele din starea de descărcare.
Echilibrarea transferului de energie
Echilibrarea transferului de energie utilizează elemente de stocare a energiei, cum ar fi inductori sau condensatori, pentru a transfera sarcina de la celule individuale cu capacitate mare-la celule cu capacitate mai mică-din cadrul unui pachet de baterii, așa cum se arată în Figura 8-15. Acest circuit transferă energie între celulele adiacente prin comutarea condensatoarelor, deplasând sarcina de la celulele de-tensiune înaltă la celulele de-joasă tensiune pentru a realiza echilibrarea. Alternativ, transferul bidirecțional de energie între celulele adiacente poate fi realizat folosind stocarea inductivă a energiei. Acest circuit are pierderi de energie foarte reduse, dar necesită transferuri multiple în timpul echilibrării, ceea ce duce la un timp lung de echilibrare și îl face nepotrivit pentru acumulatorii cu mai multe-celule. O metodă îmbunătățită de echilibrare-de comutare a condensatorului poate crește viteza de echilibrare prin selectarea celulelor individuale cu cea mai mare-tensiune și cea mai joasă tensiune pentru transferul de energie. Totuși, determinarea energiei și implementarea circuitului de comutare în echilibrarea transferului de energie sunt relativ dificile.
Pe lângă metodele de echilibrare de mai sus, încărcarea continuă poate fi folosită și pentru a obține echilibrarea bateriei în timpul aplicațiilor de încărcare. Aceasta este cea mai simplă metodă și nu necesită circuite auxiliare externe. Aceasta implică încărcarea continuă a acumulatorului-conectat în serie cu un curent mic. Deoarece curentul de încărcare este foarte mic, supraîncărcarea are un impact redus asupra unei baterii complet încărcate. Deoarece o baterie complet încărcată nu poate converti mai multă energie electrică în energie chimică, energia în exces va fi transformată în căldură. Cu toate acestea, bateriile care nu sunt încărcate complet pot continua să primească energie electrică până când ajung la încărcare completă. În acest fel, după o perioadă relativ lungă, toate bateriile vor ajunge la încărcare completă, realizând astfel egalizarea capacității. Cu toate acestea, această metodă necesită un timp de încărcare de egalizare foarte lung și consumă o cantitate considerabilă de energie pentru a obține egalizarea. În plus, această metodă este ineficientă în gestionarea egalizării debitului.
Probleme în aplicare
Soluțiile existente de echilibrare a bateriei determină în primul rând capacitatea bateriei pe baza tensiunii acumulatorului-o metodă de echilibrare bazată pe tensiune-. Pentru a realiza echilibrarea pachetului de baterii, acuratețea și precizia ridicate în detectarea tensiunii sunt cruciale. Curentul de scurgere în circuitul de detectare a tensiunii are un impact direct asupra consistenței acumulatorului. Prin urmare, proiectarea unui circuit simplu și eficient de detectare a tensiunii este o provocare cheie pentru circuitele de echilibrare. În plus, tensiunea nu este singura măsură a capacității bateriei. Rezistența internă și rezistența de contact în metoda de conectare provoacă și variații de tensiune. Prin urmare, bazarea exclusiv pe tensiune pentru echilibrare poate duce la supra-echilibrare și risipă de energie. În cazuri extreme, poate provoca chiar dezechilibre în acumulatorul, în ciuda echilibrării inițiale a capacității.
Circuitele de disipare a energiei sunt simple ca structură, dar rezistențele de echilibrare consumă energie în timpul manevării curentului și generează căldură, provocând probleme de management termic. Deoarece limitează în esență tensiunile terminale excesiv de mari sau scăzute în celulele individuale prin disiparea energiei, ele sunt potrivite doar pentru echilibrarea statică. Creșterea lor mare-de temperatură reduce fiabilitatea sistemului, făcându-le nepotrivite pentru echilibrarea dinamică. Această metodă este potrivită numai pentru bateriile de-capacitate mică sau mică.
Circuitele de transfer de energie sunt o metodă de compensare a capacității bateriei, în care o baterie cu capacitate-mai mare contribuie cu ceva energie pentru a compensa o baterie cu capacitate-mai mică. Deși este fezabilă, această metodă este complexă, voluminoasă și costisitoare datorită necesității de monitorizare a tensiunii celulelor individuale din circuitul real. În plus, transferul de energie se realizează printr-un mediu de stocare a energiei, care introduce probleme de consum și control de energie. Această metodă de echilibrare este utilizată în general în bateriile medii până la mari.
Circuitele de conversie a energiei, pe de altă parte, utilizează o sursă de alimentare comutată pentru a realiza conversia energiei. În comparație cu circuitele de transfer de energie, acestea sunt semnificativ mai puțin complexe și mai puțin costisitoare. Cu toate acestea, pentru bobinele coaxiale, lungimile și formele diferite ale firelor care conectează înfășurările la fiecare celulă au ca rezultat rapoarte de transformare diferite, ducând la echilibrarea inconsecventă a fiecărei celule și ducând la erori de echilibrare. În plus, bobina coaxială în sine consumă energie din cauza scurgerilor electromagnetice și a altor probleme.
