Innowacyjne podejście do BMS

Równoważenie ogniw w celu zoptymalizowania pojemności baterii

Ogniwa baterii, nawet jeśli są dokładnie wykonane i dobrane, wykazują niewielkie różnice między sobą. Wszelkie niedopasowania pojemności między ogniwami powodują zmniejszenie całkowitej pojemności zespołu ogniw.

Aby lepiej zrozumieć ten punkt, rozważmy poprzedni przykład, w którym komórki utrzymywano między 10% a 90% pełnej pojemności. Pamiętajmy, iż efektywną żywotność akumulatora można znacznie skrócić poprzez głębokie rozładowanie lub przeładowanie. Dlatego, aby zapobiec takim sytuacjom, system BMS musi zapewniać narzędzia ochrony przed nadmiernym rozładowaniem (undervoltage protection, UVP) i ochrony przed przeładowaniem (overvoltage protection, OVP). Proces ładowania zostaje zatrzymany, gdy ogniwo o najniższej pojemności osiągnie próg OVP. W takim przypadku pozostałe ogniwa nie są w pełni naładowane, a bateria nie przechowuje maksymalnej dopuszczalnej energii. Podobnie, system jest zatrzymywany, gdy najmniej naładowane ogniwo osiągnie limit UVP. W efekcie, w akumulatorze nadal znajduje się energia, która mogłaby posłużyć do zasilania systemu, ale ze względów bezpieczeństwa nie można jej użyć.

Przykład pokazuje, że najsłabsze ogniwo w stosie determinuje wydajność całego akumulatora. Równoważenie ogniw to technika, która pomaga przezwyciężyć ten problem, wyrównując napięcie i SOC między ogniwami, gdy są w pełni naładowane.

Istnieją dwie techniki równoważenia ogniw - pasywna i aktywna. Przy równoważeniu pasywnym, jeśli jedno ogniwo zostanie przeładowane, nadmiar ładunku jest rozpraszany na rezystorze. Zazwyczaj istnieje obwód bocznikowy, który składa się z rezystora i MOSFET mocy używanego jako przełącznik. Gdy ogniwo jest przeładowane, MOSFET jest zamknięty, a nadmiar energii jest rozpraszany do rezystora. LTC6811 równoważy każde monitorowane ogniwo za pomocą wewnętrznego tranzystora MOSFET do kontroli prądu ładowania poszczególnych ogniw. Wewnętrzne tranzystory MOSFET umożliwiają projektowanie kompaktowych konstrukcji i są odpowiednie dla prądów do 60 mA. W przypadku wyższych prądów ładowania należałoby zastosować zewnętrzne tranzystory MOSFET. Dostępne są również timery do regulacji czasu równoważenia. Zaletami techniki rozpraszania są niski koszt i mała złożoność układu. Wadami są wysokie straty energii i bardziej złożona konstrukcja termiczna.

Z drugiej strony, aktywne równoważenie redystrybuuje nadmiar energii między różnymi ogniwami zespołu. W ten sposób odzyskuje się energię i wytwarza mniej ciepła. Wadą takiej techniki jest bardziej złożona konstrukcja układu.

Rysunek 9 przedstawia przykład aktywnego układu równoważenia przy użyciu LT8584. Ta architektura rozwiązuje problemy pasywnych rozwiązań bocznikujących poprzez aktywne bocznikowanie prądu ładowania i zwracanie energii z powrotem do stosu akumulatorów. Zamiast energii traconej w postaci ciepła, jest ona ponownie wykorzystywana do ładowania pozostałych akumulatorów w stosie. Architektura urządzenia rozwiązuje również problem skróconego czasu działania, gdy jedno  lub więcej ogniw w stosie osiąga dolny próg bezpieczeństwa napięcia przed wyczerpaniem całej pojemności stosu. Tylko aktywne równoważenie może rozprowadzić ładunek z silniejszych do słabszych ogniw. Dzięki temu słabsze ogniwa mogą kontynuować zasilanie układu, pobierając najwyższy procent energii z akumulatora. Topologia flyback umożliwia powrót ładunku między dowolnymi dwoma punktami w stosie akumulatorów. Większość aplikacji zwraca ładunek do ogniw modułu (12 lub więcej), inne zwracają ładunek do całego stosu akumulatorów, a niektóre aplikacje zwracają ładunek do pomocniczej szyny zasilającej.

Wnioski

Elektryfikacja ma kluczowe znaczenie dla rozwoju pojazdów niskoemisyjnych, ale wymaga inteligentnego zarządzania źródłem energii - akumulatorem litowo-jonowym. Niewłaściwie zarządzany akumulator może stać się zawodny i drastycznie obniżyć bezpieczeństwo samochodu. Wysoka dokładność pomaga zmaksymalizować wydajność i żywotność baterii. Aktywne i pasywne równoważenie ogniw pozwala na bezpieczne i wydajne zarządzanie baterią. Rozproszone moduły bateryjne mogą być łatwo obsługiwane, a solidny przesył danych ze sterownikiem BMS, zarówno przewodowy, jak i bezprzewodowy, umożliwia niezawodne obliczenia SOC i SOH.

Bibliografia

1. Greg Zimmer. 'Wireless Battery Management Systems Highlight Industry’s Drive for Higher Reliability' Linear Technology, February 2017.

2. 'Wireless BMS Concept Car' Lion Smart, June 2017.

3. Michael Kultgen and Jon Munson. 'Battery Stack Monitor Extends Life of Li-Ion Batteries in Hybrid Electric Vehicles', LT Journal, Vol. XIX No. 1, March 2009.

4. Mike Kultgen and Greg Zimmer. 'Maximizing Cell Monitoring Accuracy and Data Integrity in Energy Storage Battery Management Systems'. Analog Devices, Inc., 2019.

5. Stephen W. Moore and Peter J. Schneider. 'A Review of Cell  Equalization Methods for Lithium Ion and Lithium Polimer Battery Systems' SAE 2001 World Congress, March 2001

Autor: Cosimo Carriero, Field Applications Engineer, Analog Devices, Inc.

Zródło: Battery Stack Monitor Maximizes Performance of Li-Ion Batteries in Hybrid and Electric Vehicles

Artykułopublikowano dzięki uprzejmości firmy © Analog Devices