Hücre dengeleme teknikleri ve nasıl kullanılacağı

Nominal bir lityum hücre yalnızca yaklaşık 4,2V olarak derecelendirilmiştir, ancak EV, taşınabilir elektronikler, dizüstü bilgisayarlar, güç bankaları vb. Uygulamalarında, nominal voltajından çok daha yüksek voltaj gerekir. Tasarımcıların, daha yüksek voltaj değerlerine sahip bir pil paketi oluşturmak için birden fazla hücreyi seri olarak birleştirmesinin nedeni budur. Bir önceki Elektrikli Araç bataryası yazımızdan bildiğimiz gibi, bataryalar seri olarak birleştirildiğinde voltaj değeri artıyor. Örneğin, 4,2V'luk dört lityum hücresi seri olarak bağlandığında, ortaya çıkan pil paketinin etkin çıkış voltajı 16,8V olacaktır.

Ancak birçok hücreyi seri olarak bağlamanın, birçok atı bir arabaya atmaya benzediğini hayal edebilirsiniz. Sadece tüm atlar aynı hızda koşarsa, araba maksimum verimlilikle sürülür. Dört attan biri yavaş koşarsa, diğer üçü de hızını düşürmeli, böylece verimliliği düşürmelidir ve eğer bir at daha hızlı koşarsa, sonunda diğer üç atın yükünü çekerek kendine zarar verecektir. Benzer şekilde, dört hücre seri olarak bağlandığında, tüm dört hücrenin voltaj değerleri, pil takımını maksimum verimlilikle türetmek için eşit olmalıdır. Tüm hücre voltajlarını eşit tutma yöntemine hücre dengeleme denir. Bu yazıda hücre dengeleme hakkında daha fazla bilgi edinecek ve ayrıca bunları donanım ve yazılım düzeyinde nasıl kullanacağımızı kısaca öğreneceğiz.

Neden Hücre Dengelemeye ihtiyacımız var?

Hücre dengeleme, bir pil paketi oluşturmak için seri olarak bağlanan her bir hücrenin voltaj seviyelerinin, pil takımının maksimum verimini elde etmek için eşit tutulduğu bir tekniktir. Bir pil takımı oluşturmak için farklı hücreler bir araya getirildiğinde, her zaman aynı kimya ve voltaj değerine sahip olduklarından emin olunur. Ancak paket kurulduğunda ve şarj ve deşarj işlemine tabi tutulduktan sonra, tek tek hücrelerin voltaj değerleri, daha sonra tartışacağımız bazı nedenlerden dolayı değişme eğilimindedir. Gerilim seviyelerindeki bu değişiklik, hücre dengesizliğine neden olur ve bu da aşağıdaki sorunlardan birine yol açar.

Termal Kaçak

Olabilecek en kötü şey termal kaçaktır. Bildiğimiz gibi, lityum piller aşırı şarja ve aşırı boşalmaya karşı çok hassastır. Dört hücreli bir pakette, bir hücre 3.5V, diğeri 3.2V ise, şarj, seri oldukları için tüm hücreleri birlikte şarj edecek ve diğer piller hala olduğu için 3.5V hücreyi önerilen voltajdan daha fazla şarj edecektir. şarj gerektirir.

Hücre Bozulması

Bir lityum hücre, önerilen değerinin biraz üzerinde olsa bile aşırı şarj edildiğinde, hücrenin verimliliği ve yaşam döngüsü azalır. Örneğin, şarj voltajında ​​4,2V'den 4,25V'a hafif bir artış, pili% 30 daha hızlı bozacaktır. Dolayısıyla, hücre dengeleme doğru değilse, hafif bir aşırı şarj bile pil ömrünü kısaltacaktır.

Eksik Paket şarjı

Bir paketteki piller eskidikçe, birkaç hücre komşu hücrelerden daha zayıf olabilir. Bu haftalardaki hücreler, normal sağlıklı bir hücreden daha hızlı şarj ve deşarj olacağı için büyük bir problem olacaktır. Seri hücreli bir pil paketini şarj ederken, bir hücre maksimum gerilime ulaşsa bile şarj işlemi durdurulmalıdır. Bu şekilde, bir pil paketindeki iki hücre bir hafta alırsa, daha hızlı şarj olurlar ve böylece kalan hücreler aşağıda gösterildiği gibi maksimum şarj olmaz.

Paket enerjisinin eksik kullanımı

Benzer şekilde aynı durumda pil takımı boşaldığında, zayıf hücreler sağlıklı hücrelere göre daha hızlı deşarj olur ve minimum gerilime diğer hücrelere göre daha hızlı ulaşır. BMS makalemizde öğrendiğimiz gibi, bir hücre minimum gerilime ulaşsa bile paketin yük bağlantısı kesilecektir. Bu, aşağıda gösterildiği gibi paket enerjisinin kullanılmayan kapasitesine yol açar.

Yukarıda belirtilen tüm olası dezavantajları hesaba katarak, pil paketini maksimum verimliliğe ulaştırmak için bir hücre dengelemesinin zorunlu olacağı sonucuna varabiliriz. Yine de, başlangıç ​​maliyetinin çok düşük olması gereken ve pil değişiminin bu uygulamalarda sorun olmadığı birkaç uygulama vardır, hücre dengelemesinden kaçınılabilir. Ancak elektrikli araçlar dahil uygulamaların çoğunda, pil paketinden maksimum meyve suyu elde etmek için hücre dengeleme zorunludur.

Pil paketlerinde hücre dengesizliğine ne sebep olur?

Artık bir pil paketindeki tüm hücreleri dengede tutmanın neden önemli olduğunu biliyoruz. Ancak sorunu doğru bir şekilde çözmek için hücrelerin neden ilk elden dengesizleştiğini bilmeliyiz. Daha önce de söylendiği gibi, hücreler seri olarak yerleştirilerek bir pil paketi oluşturulduğunda, tüm hücrelerin aynı voltaj seviyelerinde olduğundan emin olunur. Böylece yeni bir pil paketi her zaman dengeli hücrelere sahip olacaktır. Ancak paket devreye alındıkça aşağıdaki nedenlerle hücreler dengesizleşir.

SOC Dengesizliği

Bir hücrenin SOC'sini ölçmek karmaşıktır; bu nedenle, bir pildeki münferit hücrelerin SOC'sini ölçmek çok karmaşıktır. İdeal bir hücre dengeleme tekniği, aynı voltaj (OCV) seviyeleri yerine aynı SOC'nin hücreleriyle eşleşmelidir. Ancak pratikte mümkün olmadığından, hücreler yalnızca bir paket oluştururken voltaj açısından eşleştirilir, SOC'deki değişiklik zaman içinde OCV'de değişikliğe neden olabilir.

İç direnç değişimi

Aynı İç dirence (IR) sahip hücreleri bulmak çok zordur ve pil yaşlandıkça hücrenin IR'si de değişir ve bu nedenle bir pil paketinde tüm hücreler aynı IR'ye sahip olmayacaktır. Bildiğimiz gibi IR, bir hücreden akan akımı belirleyen hücrenin iç empedansına katkıda bulunur. IR değiştiğinden, hücre içindeki akım ve voltajı da değişir.

Sıcaklık

Hücrenin şarj ve deşarj kapasitesi aynı zamanda çevresindeki sıcaklığa da bağlıdır. EV'lerde veya güneş dizilerinde olduğu gibi büyük bir pil paketinde, hücreler atık alanlarına dağıtılır ve paketin kendisi arasında bir hücrenin, bir hücrenin daha hızlı şarj olmasına veya boşalmasına neden olarak dengesizliğe neden olan bir sıcaklık farkı olabilir.

Yukarıdaki nedenlerden, operasyon sırasında hücrenin dengesizliğini önleyemeyeceğimiz açıktır. Dolayısıyla tek çözüm, hücreleri dengesizleştikten sonra tekrar dengeye gelmeye zorlayan harici bir sistem kullanmaktır. Bu sisteme Batarya Dengeleme Sistemi denir. Pil hücresi dengelemesi için kullanılan birçok farklı donanım ve yazılım tekniği vardır. Türleri ve yaygın olarak kullanılan teknikleri tartışalım.

Pil Hücresi Dengeleme Türleri

Hücre dengeleme teknikleri, aşağıda sıralanan aşağıdaki dört kategoriye genel olarak sınıflandırılabilir. Her kategori hakkında tartışacağız.

1. Pasif Hücre Dengeleme
2. Aktif Hücre Dengeleme
3. Kayıpsız Hücre Dengeleme
4. Redox Servisi

1. Pasif Hücre Dengeleme

Pasif hücre dengeleme yöntemi, en basit yöntemdir. Maliyet ve büyüklüğün büyük kısıtlar olduğu yerlerde kullanılabilir. Aşağıdakiler iki tür pasif hücre dengelemesidir.

Şarj Şöntleme

Bu yöntemde , aşırı gerilimi boşaltmak ve diğer hücrelerle eşitlemek için direnç gibi bir yapay yük kullanılır. Bu dirençlere baypas dirençleri veya kanama dirençleri denir. Bir pakette seri olarak bağlanan her hücrenin, aşağıda gösterildiği gibi bir anahtar aracılığıyla bağlanan kendi baypas direnci olacaktır.

Yukarıdaki örnek devre, her biri MOSFET gibi bir anahtar aracılığıyla iki baypas direncine bağlanan dört hücreyi göstermektedir. Kontrolörler, dört hücrenin tümünün voltajını ölçer ve voltajı diğer hücrelerden daha yüksek olan hücre için mosfet'i çalıştırır. Mosfet açıldığında, bu belirli hücre dirençler yoluyla boşalmaya başlar. Dirençlerin değerini bildiğimiz için, hücre tarafından ne kadar yükün dağıtıldığını tahmin edebiliriz. Hücreye paralel bağlanan kapasitör, anahtarlama sırasında voltaj yükselmelerini filtrelemek için kullanılır.

Bu yöntem çok verimli değildir çünkü elektrik enerjisi dirençlerde ısı olarak yayılır ve devre aynı zamanda anahtarlama kayıplarını da hesaba katar. Diğer bir dezavantaj, tüm deşarj akımının, çoğunlukla kontrolör IC'sinde oluşturulan mosfet boyunca akması ve bu nedenle deşarj akımının, boşaltma süresini artıran düşük değerlerle sınırlandırılması gerekliliğidir. Dezavantajın üstesinden gelmenin bir yolu, aşağıda gösterildiği gibi deşarj akımını artırmak için harici bir anahtar kullanmaktır.

Dahili P-kanal MOSFET, kontrolör tarafından tetiklenerek hücrenin R1 ve R2 dirençleri aracılığıyla deşarj olmasına (I-önyargı) neden olacaktır. R2 değeri, deşarj akımının akışı (I-önyargı) nedeniyle üzerinde meydana gelen voltaj düşüşünün, ikinci N-kanal MOSFET'i tetiklemek için yeterli olacağı şekilde seçilir. Bu gerilime geçit kaynağı gerilimi (Vgs) adı verilir ve MOSFET'in ön gerilimini sağlamak için gereken akıma ön gerilim akımı (I-öngerilim) denir.

N-kanallı MOSFET açıldığında, akım şimdi dengeleme direnci R-Bal'dan geçer . Bu direncin değeri, daha fazla akımın geçmesine izin verecek şekilde düşük olabilir ve böylece pili daha hızlı boşaltır. Bu akıma drenaj akımı (I-drenaj) denir. Bu devrede toplam deşarj akımı, boşaltma akımı ve ön gerilim akımının toplamıdır. P-kanalı MOSFET kontrolör tarafından kapatıldığında, polarlama akımı sıfırdır ve dolayısıyla Vgs voltajı da sıfır olur. Bu, tekrar ideal hale gelmek için pili bırakan N-kanal MOSFET'i kapatır.

Pasif hücre dengeleme IC'leri

Pasif dengeleme tekniği verimli olmasa da, bu basitlik ve düşük maliyet nedeniyle daha yaygın olarak kullanılmaktadır. Donanımı tasarlamak yerine, sırasıyla Linear ve Texas enstrümanları gibi ünlü üreticilerden LTC6804 ve BQ77PL900 gibi hazır birkaç IC'yi de kullanabilirsiniz. Bu IC'ler, birden çok hücreyi izlemek için kademeli hale getirilebilir ve geliştirme süresinden ve maliyetinden tasarruf sağlar.

Şarj Sınırlaması

Ücret Sınırlama yöntemi, hepsinin en verimsiz yöntemidir. Burada verimlilikten vazgeçilirken sadece pilin güvenliği ve kullanım ömrü dikkate alınır. Bu yöntemde, bireysel hücre voltajları sürekli olarak izlenir.

Şarj işlemi sırasında bir hücre tam şarj voltajına ulaşsa bile şarj durdurulur ve diğer hücreler yarı yolda kalır. Benzer şekilde boşaltma sırasında, bir hücre minimum kesme gerilimine ulaşsa bile, paket yeniden şarj olana kadar akü paketinin yük bağlantısı kesilir.

Bu yöntem verimsiz olmasına rağmen, maliyet ve boyut gereksinimlerini azaltır. Bu nedenle, pillerin sıklıkla şarj edilebildiği bir uygulamada kullanılır.

2. Aktif Hücre Dengeleme

Pasif hücre dengelemede fazla yük kullanılmaz, bu nedenle verimsiz olduğu kabul edilir. Oysa aktif bir dengeleme aşırı yük şekilde bir hücre düşük şarj başka bir hücreye transfer edilir eşitlemeye. Bu, Kapasitörler ve İndüktörler gibi yük depolama elemanları kullanılarak elde edilir. Aktif hücre dengelemesini gerçekleştirmenin birçok yöntemi vardır, yaygın olarak kullanılanları tartışalım.

Şarj Mekikleri (Uçan Kapasitörler)

Bu yöntem, yükü yüksek voltaj hücresinden düşük voltaj hücresine aktarmak için kapasitörler kullanır. Kondansatör, SPDT anahtarları aracılığıyla bağlanır başlangıçta anahtar, kondansatörü yüksek voltaj hücresine bağlar ve kondansatör şarj edildikten sonra anahtar, kondansatörden gelen yükün hücreye aktığı düşük voltaj hücresine bağlanır. Yük hücreler arasında gidip geldiğinden, bu yönteme şarj mekikleri adı verilir. Aşağıdaki şekil daha iyi anlamanıza yardımcı olacaktır.

Bu kapasitörlere, şarj cihazı taşıyan alçak gerilim ve yüksek gerilim hücreleri arasında uçtuğu için uçan kapasitörler denir. Bu yöntemin dezavantajı, yükün yalnızca bitişik hücreler arasında aktarılabilmesidir. Ayrıca, yükleri aktarmak için kapasitörün şarj edilmesi ve ardından boşaltılması gerektiğinden daha fazla zaman alır. Ayrıca kapasitörün şarj edilmesi ve deşarjı sırasında enerji kaybı olacağı ve anahtarlama kayıplarının da hesaba katılması gerektiği için çok daha az verimlidir. Aşağıdaki resim, uçan kapasitörün bir pil paketine nasıl bağlanacağını göstermektedir.

Endüktif dönüştürücü (Buck Boost yöntemi)

Aktif hücre dengelemesinin bir başka yöntemi de indüktörler ve anahtarlama devreleri kullanmaktır. Bu yöntemde anahtarlama devresi bir buck boost dönüştürücüden oluşur . Yüksek voltaj hücresinden gelen yük, indüktöre pompalanır ve daha sonra buck boost dönüştürücü kullanılarak düşük voltaj hücresine boşaltılır. Aşağıdaki şekil, yalnızca iki hücreli ve tek kova yükseltme dönüştürücülü bir Endüktif dönüştürücüyü temsil etmektedir.

Yukarıdaki devrede, MOSFETS sw1 ve sw2'yi aşağıdaki şekilde değiştirerek hücre 1'den hücre 2'ye aktarılabilir. İlk olarak SW1 anahtarı kapatılır, bu, 1. hücredeki yükün akım I-şarjı ile indüktöre akmasını sağlayacaktır. İndüktör tamamen şarj edildiğinde, SW1 anahtarı açılır ve sw2 anahtarı kapanır.

Şimdi, tamamen dolu olan indüktör polaritesini tersine çevirecek ve boşalmaya başlayacaktır. Bu sefer, indüktörden oluşan yük, akım I-deşarjı ile hücreye2 akar. İndüktör tamamen boşaldığında, sw2 anahtarı açılır ve işlemi tekrarlamak için sw1 anahtarı kapatılır. Aşağıdaki dalga biçimleri net bir görüntü elde etmenize yardımcı olacaktır.

T0 süresi boyunca sw1 anahtarı kapanır (açılır) ve bu da akım I şarjının artmasına ve indüktör (VL) üzerindeki voltajın artmasına neden olur. Daha sonra, indüktör t1 zamanında tamamen şarj olduğunda, anahtar sw1 açılır (kapanır), bu da indüktörün önceki adımda biriktirdiği yükü boşaltmasını sağlar. Bir indüktör boşaldığında, polaritesini değiştirir, dolayısıyla VL voltajı negatif olarak gösterilir. Boşalırken deşarj akımı (I deşarj) maksimum değerinden düşer. Tüm bu akım, şarj etmek için hücre 2'ye girer. T2'den t3'e kadar küçük bir aralığa izin verilir ve sonra t3'te tüm döngü tekrar tekrar eder.

Bu yöntem aynı zamanda, yükün yalnızca daha yüksek hücreden düşük hücreye aktarılabilmesi gibi büyük bir dezavantaja sahiptir. Ayrıca anahtarlamadaki kayıp ve diyot voltaj düşüşü de dikkate alınmalıdır. Ancak kapasitör yönteminden daha hızlı ve verimlidir.

Endüktif dönüştürücü (Geri dönüş tabanlı)

Buck boost dönüştürücü yöntemini tartıştığımız gibi, yükleri yalnızca yüksek hücreden alt hücreye aktarabilirdi. Bu problem, bir geri dönüş dönüştürücü ve bir transformatör kullanılarak önlenebilir. Geri dönüş tipi bir dönüştürücüde, sargının birincil tarafı pil paketine bağlanır ve ikincil taraf, aşağıda gösterildiği gibi pil paketinin her bir hücresine bağlanır.

Akünün DC ile çalıştığını bildiğimiz gibi, voltaj değiştirilene kadar transformatörün hiçbir etkisi olmayacaktır. Bu nedenle şarj işlemine başlamak için birincil bobin tarafındaki Sp anahtar açılır. Bu, DC'yi darbeli DC'ye dönüştürür ve transformatör birincil tarafı etkinleştirilir.

Şimdi ikincil tarafta her hücrenin kendi anahtarı ve ikincil bobini vardır. Alçak gerilim hücresinin mosfetini değiştirerek, söz konusu bobinin transformatör için ikincil görevi görmesini sağlayabiliriz. Bu şekilde birincil bobinden yük ikincil bobine aktarılır. Bu, genel pil paketi voltajının zayıf hücreye boşalmasına neden olur.

Bu yöntemin en büyük avantajı , paketteki herhangi bir zayıf hücrenin, paket voltajından kolayca şarj edilebilmesi ve belirli bir hücrenin deşarj olmamasıdır. Ancak içinde bir transformatör bulunduğundan, geniş bir yer kaplar ve devrenin karmaşıklığı yüksektir.

3. Kayıpsız dengeleme

Kayıpsız dengeleme, donanım bileşenlerini azaltarak ve daha fazla yazılım kontrolü sağlayarak kayıpları azaltan yeni geliştirilmiş bir yöntemdir. Bu aynı zamanda sistemi daha basit ve tasarlamayı daha kolay hale getirir. Bu yöntem, şarj etme ve boşaltma sırasında bir paketten bir hücre ekleme veya çıkarma yeteneği sağlayan bir matris anahtarlama devresi kullanır. Aşağıda sekiz hücre için basit bir matris anahtarlama devresi gösterilmektedir.

Şarj işlemi sırasında, yüksek voltajlı hücre, anahtar düzenlemeleri kullanılarak paketten çıkarılacaktır. Yukarıdaki şekilde hücre 5, anahtarlar kullanılarak paketten çıkarılır. Kırmızı çizgi dairelerini açık anahtarlar ve mavi çizgi dairelerini kapalı anahtarlar olarak düşünün. Böylece, şarj sırasında dengelenmeleri için, zayıf hücrelerin şarj işlemi sırasında dinlenme süresi artırılır. Ancak şarj voltajının buna göre ayarlanması gerekir. Aynı teknik taburculuk sırasında da takip edilebilir.

4. Redox Shuttle

Son yöntem, donanım tasarımcıları için değil, kimya mühendisleri içindir. Kurşun asitli aküde hücre dengeleme problemi yaşamıyoruz çünkü bir kurşun asit akü aşırı şarj edildiğinde gazlanmaya neden olarak aşırı şarj olmasını engelliyor. Redox mekiğinin arkasındaki fikir, lityum hücrenin elektrolitinin kimyasını değiştirerek lityum hücreler üzerinde aynı etkiyi elde etmeye çalışmaktır. Bu modifiye edilmiş elektrolit, hücrenin aşırı yüklenmesini önlemelidir.

Hücre Dengeleme algoritmaları

Etkili bir hücre dengeleme tekniği, donanımı uygun bir algoritma ile birleştirmelidir. Hücre dengeleme için birçok algoritma vardır ve bu, donanım tasarımına bağlıdır. Ancak türler iki farklı bölüme indirilebilir.

Açık devre voltajının (OCV) ölçülmesi

Bu, en kolay ve en çok izlenen yöntemdir. Burada her hücre için açık hücre voltajları ölçülür ve hücre dengeleme devresi, seri bağlı tüm hücrelerin voltaj değerlerini eşitlemek için çalışır. OCV'yi (Açık devre voltajı) ölçmek kolaydır ve bu nedenle bu algoritmanın karmaşıklığı daha azdır.

Şarj Durumu Ölçümü (SOC)

Bu yöntemde hücrelerin SOC'si dengelenir. Bir hücrenin SOC'sini ölçmenin karmaşık bir iş olduğunu zaten bildiğimiz gibi, SOC değerini hesaplamak için hücrenin belirli bir süre boyunca voltaj ve akım değerini hesaba katmamız gerekir. Bu algoritma karmaşıktır ve havacılık ve uzay endüstrileri gibi yüksek verimlilik ve güvenliğin gerekli olduğu yerlerde kullanılır.

Bu, makaleyi burada sonlandırıyor. Şimdi, donanım ve yazılım düzeyinde hangi hücre dengelemesinin nasıl uygulandığına dair kısa bir fikriniz olduğunu umuyoruz. Herhangi bir fikriniz veya tekniğiniz varsa, bunları yorum bölümünde paylaşın veya teknik yardım almak için forumları kullanın.