Kỹ thuật cân bằng tế bào và cách sử dụng chúng

Một tế bào lithium danh nghĩa chỉ được đánh giá khoảng 4,2V, nhưng trong các ứng dụng của nó như EV, thiết bị điện tử di động, máy tính xách tay, ngân hàng điện, v.v. chúng tôi yêu cầu điện áp cao hơn nhiều so với điện áp danh định của nó. Đây là lý do tại sao các nhà thiết kế kết hợp nhiều cell nối tiếp để tạo thành một bộ pin có giá trị điện áp cao hơn. Như chúng ta đã biết từ bài viết về pin Xe điện trước đây của chúng tôi, khi pin được kết hợp nối tiếp với nhau, giá trị điện áp sẽ tăng lên. Ví dụ: khi bốn pin lithium 4.2V được mắc nối tiếp, điện áp đầu ra hiệu dụng của bộ pin thu được sẽ là 16.8V.

Nhưng bạn có thể tưởng tượng việc kết nối nhiều ô trong chuỗi giống như việc gắn nhiều con ngựa vào một cỗ xe. Chỉ khi tất cả các con ngựa chạy với tốc độ như nhau, cỗ xe sẽ được điều khiển với hiệu suất tối đa. Trong bốn con ngựa nếu một con ngựa chạy chậm thì ba con còn lại cũng phải giảm tốc độ của mình do đó làm giảm hiệu quả và nếu một con ngựa chạy nhanh hơn thì cuối cùng nó sẽ tự làm mình bị thương khi kéo tải của ba con ngựa kia. Tương tự, khi bốn ô được mắc nối tiếp, các giá trị điện áp của tất cả bốn ô phải bằng nhau để tính được bộ pin có hiệu suất tối đa. Phương pháp duy trì tất cả các điện áp của tế bào bằng nhau được gọi là cân bằng tế bào. Trong bài viết này, chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về tính năng cân bằng tế bào và sơ lược về cách sử dụng chúng ở cấp độ phần cứng và phần mềm.

Tại sao chúng ta cần Cân bằng Tế bào?

Cân bằng tế bào là một kỹ thuật trong đó mức điện áp của mỗi tế bào riêng lẻ được kết nối nối tiếp để tạo thành một bộ pin được duy trì bằng nhau để đạt được hiệu suất tối đa của bộ pin. Khi các tế bào khác nhau được kết hợp với nhau để tạo thành một bộ pin, nó luôn được đảm bảo rằng chúng có cùng giá trị hóa học và điện áp. Nhưng một khi gói được lắp đặt và phải sạc và xả, các giá trị điện áp của các ô riêng lẻ có xu hướng thay đổi do một số lý do mà chúng ta sẽ thảo luận sau. Sự thay đổi mức điện áp này gây ra sự mất cân bằng tế bào, điều này sẽ dẫn đến một trong các vấn đề sau

Chạy trốn nhiệt

Điều tồi tệ nhất có thể xảy ra là sự chạy trốn nhiệt. Như chúng ta đã biết, các tế bào lithium rất nhạy cảm với việc sạc quá mức và xả quá mức. Trong một gói bốn ô nếu một ô là 3,5V trong khi ô kia là 3,2V, bộ sạc sẽ sạc tất cả các ô cùng nhau vì chúng mắc nối tiếp và nó sẽ sạc ô 3,5V đến nhiều hơn điện áp được đề nghị vì các pin khác vẫn còn. yêu cầu sạc.

Suy thoái tế bào

Khi pin lithium được sạc quá mức thậm chí cao hơn một chút so với giá trị khuyến nghị của nó, hiệu quả và vòng đời của pin sẽ bị giảm. Ví dụ, điện áp sạc tăng nhẹ từ 4,2V lên 4,25V sẽ làm pin giảm nhanh hơn 30%. Vì vậy, nếu cân bằng tế bào không chính xác, thậm chí chỉ sạc quá mức nhẹ sẽ làm giảm thời gian sử dụng pin.

Tính phí chưa đầy đủ của Gói

Khi pin trong một gói cũ đi, một vài ô có thể yếu hơn các ô lân cận. Những tế bào trong tuần này sẽ có vấn đề lớn vì chúng sẽ sạc và xả nhanh hơn một tế bào khỏe mạnh bình thường. Trong khi sạc một bộ pin với các ô nối tiếp, quá trình sạc phải dừng lại ngay cả khi một ô đạt điện áp tối đa. Bằng cách này, nếu hai ô trong một bộ pin được một tuần thì chúng sẽ sạc nhanh hơn và do đó các ô còn lại sẽ không được sạc tối đa như hình dưới đây.

Sử dụng không đầy đủ năng lượng Gói

Tương tự trong trường hợp tương tự khi bộ pin đang được xả, các tế bào yếu hơn sẽ phóng điện nhanh hơn tế bào khỏe mạnh và chúng sẽ đạt điện áp tối thiểu nhanh hơn các tế bào khác. Như chúng ta đã tìm hiểu trong bài viết BMS của mình, gói sẽ bị ngắt kết nối khỏi tải ngay cả khi một tế bào đạt đến điện áp tối thiểu. Điều này dẫn đến khả năng không sử dụng của năng lượng gói như hình dưới đây.

Khi xem xét tất cả các nhược điểm có thể xảy ra ở trên, chúng tôi có thể kết luận rằng cân bằng tế bào sẽ là bắt buộc để sử dụng bộ pin đạt hiệu quả tối đa. Vẫn có một số ứng dụng mà chi phí ban đầu sẽ rất thấp và việc thay thế pin không phải là vấn đề trong những ứng dụng đó có thể tránh được việc cân bằng tế bào. Nhưng trong hầu hết các ứng dụng bao gồm cả xe điện, cân bằng tế bào là bắt buộc để có được năng lượng tối đa từ bộ pin.

Nguyên nhân gây mất cân bằng tế bào trong bộ pin?

Bây giờ chúng ta biết tại sao giữ cân bằng tất cả các tế bào trong một bộ pin là quan trọng. Nhưng để giải quyết vấn đề một cách đúng đắn, chúng ta nên biết tại sao các tế bào bị mất cân bằng ngay từ đầu. Như đã nói trước đó khi một bộ pin được hình thành bằng cách đặt các tế bào nối tiếp, nó sẽ đảm bảo rằng tất cả các tế bào đều ở cùng mức điện áp. Vì vậy, một bộ pin mới sẽ luôn có các ô cân bằng. Nhưng khi gói được đưa vào sử dụng, các tế bào sẽ mất cân bằng do những lý do sau.

Mất cân bằng SOC

Việc đo SOC của một ô rất phức tạp; do đó rất phức tạp để đo SOC của các tế bào riêng lẻ trong pin. Một kỹ thuật cân bằng tế bào lý tưởng phải phù hợp với các tế bào có cùng SOC thay vì cùng mức điện áp (OCV). Nhưng vì thực tế không thể có các tế bào chỉ được khớp với các điều kiện điện áp khi tạo một gói, sự thay đổi trong SOC có thể dẫn đến sự thay đổi trong OCV trong quá trình thích hợp.

Biến đổi nội trở

Rất khó để tìm thấy các tế bào có cùng Điện trở bên trong (IR) và khi tuổi thọ của pin, IR của tế bào cũng bị thay đổi và do đó trong một bộ pin không phải tất cả các tế bào đều có IR giống nhau. Như chúng ta biết IR góp phần vào trở kháng bên trong của tế bào, xác định dòng điện chạy qua một tế bào. Vì IR thay đổi nên dòng điện qua tế bào và điện áp của nó cũng thay đổi theo.

Nhiệt độ

Khả năng sạc và xả của cell cũng phụ thuộc vào nhiệt độ xung quanh nó. Trong một bộ pin khổng lồ như trong EVs hoặc các mảng năng lượng mặt trời, các tế bào được phân bổ trên một khu vực lãng phí và có thể có sự chênh lệch nhiệt độ giữa các bộ pin khiến một tế bào sạc hoặc xả nhanh hơn các tế bào còn lại gây mất cân bằng.

Từ những lý do trên, rõ ràng chúng ta không thể tránh khỏi việc tế bào bị mất cân bằng trong quá trình hoạt động. Vì vậy, giải pháp duy nhất là sử dụng một hệ thống bên ngoài buộc các tế bào phải cân bằng trở lại sau khi chúng bị mất cân bằng. Hệ thống này được gọi là Hệ thống cân bằng pin. Có nhiều loại kỹ thuật phần cứng và phần mềm khác nhau được sử dụng để cân bằng tế bào pin. Hãy thảo luận về các loại và kỹ thuật được sử dụng rộng rãi.

Các loại cân bằng tế bào pin

Kỹ thuật cân bằng tế bào có thể được phân loại rộng rãi thành bốn loại sau đây được liệt kê dưới đây. Chúng ta sẽ thảo luận về từng loại.

Cân bằng tế bào thụ động
Cân bằng tế bào chủ động
Cân bằng tế bào không mất mát
Redox Shuttle

1. Cân bằng tế bào thụ động

Phương pháp cân bằng tế bào thụ động là phương pháp đơn giản nhất. Nó có thể được sử dụng ở những nơi mà chi phí và kích thước là những hạn chế lớn. Sau đây là hai kiểu cân bằng tế bào thụ động.

Charge Shunting

Trong phương pháp này, một tải giả như một điện trở được sử dụng để xả điện áp dư thừa và cân bằng nó với các tế bào khác. Những điện trở này được gọi là điện trở bỏ qua hoặc điện trở chảy máu. Mỗi ô kết nối nối tiếp trong một gói sẽ có điện trở rẽ nhánh riêng được kết nối thông qua một công tắc như hình dưới đây.

Mạch mẫu ở trên cho thấy bốn ô, mỗi ô được kết nối với hai điện trở bỏ qua thông qua một công tắc như MOSFET. Bộ điều khiển đo điện áp của tất cả bốn ô và bật mosfet cho ô có điện áp cao hơn các ô khác. Khi mosfet được bật, tế bào cụ thể đó bắt đầu phóng điện qua các điện trở. Vì chúng ta biết giá trị của điện trở nên chúng ta có thể đoán được lượng điện tích đang bị tiêu hao bởi tế bào. Tụ điện được kết nối song song với cell được sử dụng để lọc các xung điện áp trong quá trình chuyển mạch.

Phương pháp này không hiệu quả lắm vì năng lượng điện bị tiêu tán dưới dạng nhiệt trong các điện trở và mạch cũng gây ra tổn thất khi chuyển mạch. Một nhược điểm khác là toàn bộ dòng phóng điện chạy qua mosfet chủ yếu được tích hợp trong vi mạch điều khiển và do đó dòng phóng điện phải được giới hạn ở các giá trị thấp làm tăng thời gian phóng điện. Một cách khắc phục nhược điểm là sử dụng công tắc ngoài để tăng dòng phóng điện như hình bên dưới

MOSFET kênh P bên trong sẽ được kích hoạt bởi bộ điều khiển làm cho tế bào phóng điện (I-bias) thông qua các điện trở R1 và R2. Giá trị của R2 được chọn theo cách sao cho sụt áp xảy ra trên nó do dòng phóng điện (I-bias) đủ để kích hoạt MOSFET kênh N thứ hai. Điện áp này được gọi là điện áp nguồn cổng (Vgs) và dòng điện cần thiết để phân cực MOSFET được gọi là dòng phân cực (I-bias).

Khi MOSFET kênh N được bật, hiện tại dòng điện chạy qua điện trở cân bằng R-Bal . Giá trị của điện trở này có thể thấp cho phép dòng điện chạy qua nhiều hơn và do đó pin sẽ xả nhanh hơn. Dòng điện này được gọi là dòng điện xả (I-dra). Trong mạch này, tổng dòng xả là tổng của dòng xả và dòng phân cực. Khi bộ điều khiển tắt MOSFET kênh P, dòng điện xu hướng bằng không và do đó điện áp Vgs cũng bằng không. Thao tác này sẽ tắt MOSFET kênh N để pin trở lại lý tưởng.

IC cân bằng tế bào thụ động

Mặc dù kỹ thuật cân bằng thụ động không hiệu quả nhưng nó vẫn được sử dụng phổ biến hơn vì tính đơn giản và chi phí thấp. Thay vì thiết kế phần cứng, bạn cũng có thể sử dụng một số vi mạch sẵn có như LTC6804 và BQ77PL900 của các nhà sản xuất nổi tiếng như các thiết bị Linear và Texas. Các IC này có thể được xếp tầng để giám sát nhiều ô và tiết kiệm thời gian và chi phí phát triển.

Giới hạn phí

Phương pháp giới hạn phí là phương pháp kém hiệu quả nhất. Ở đây chỉ xem xét sự an toàn và thời gian sử dụng của pin trong khi phụ thuộc vào hiệu suất. Trong phương pháp này, điện áp tế bào riêng lẻ được theo dõi liên tục.

Trong quá trình sạc, ngay cả khi một tế bào đạt đến mức sạc đầy điện áp, quá trình sạc sẽ dừng lại để các tế bào khác đi được một nửa quãng đường. Tương tự trong quá trình phóng điện, ngay cả khi một tế bào đạt đến điện áp cắt tối thiểu, bộ pin sẽ được ngắt kết nối khỏi tải cho đến khi bộ pin được sạc lại.

Mặc dù phương pháp này không hiệu quả nhưng nó làm giảm các yêu cầu về chi phí và kích thước. Do đó, nó được sử dụng trong một ứng dụng có thể thường xuyên sạc pin.

2. Cân bằng tế bào chủ động

Trong cân bằng tế bào Thụ động, điện tích dư thừa không được sử dụng, do đó nó được coi là không hiệu quả. Trong khi ở trạng thái cân bằng tích cực, hình thức điện tích dư thừa một ô được chuyển sang ô khác có điện tích thấp để cân bằng chúng. Điều này đạt được bằng cách sử dụng các phần tử lưu trữ điện tích như Tụ điện và Cuộn cảm. Có nhiều phương pháp để thực hiện Cân bằng ô đang hoạt động, chúng ta hãy thảo luận về những phương pháp thường được sử dụng.

Phí tàu con thoi (Tụ điện bay)

Phương pháp này sử dụng các tụ điện để chuyển điện tích từ tế bào điện áp cao sang tế bào điện áp thấp. Tụ điện được kết nối thông qua các công tắc SPDT ban đầu công tắc kết nối tụ điện với tế bào điện áp cao và khi tụ điện được sạc, công tắc kết nối nó với tế bào điện áp thấp nơi điện tích từ tụ điện chảy vào tế bào. Vì điện tích đang chuyển động giữa các ô nên phương pháp này được gọi là chuyển động điện tích. Hình dưới đây sẽ giúp bạn hiểu rõ hơn.

Các tụ điện này được gọi là tụ điện bay vì bay giữa các tế bào điện áp thấp và điện áp cao mang theo bộ sạc. Hạn chế của phương pháp này là điện tích chỉ có thể được chuyển giữa các ô liền kề. Ngoài ra, cần nhiều thời gian hơn vì tụ điện phải được sạc và sau đó được phóng điện để chuyển các điện tích. Nó cũng rất kém hiệu quả vì sẽ mất năng lượng trong quá trình sạc và xả tụ điện và tổn thất chuyển mạch cũng phải được tính đến. Hình ảnh dưới đây cho thấy cách kết nối tụ điện bay trong một bộ pin

Bộ chuyển đổi cảm ứng (phương pháp Buck Boost)

Một phương pháp khác của Cân bằng tế bào chủ động là sử dụng cuộn cảm và mạch chuyển mạch. Trong phương pháp này, mạch chuyển đổi bao gồm một bộ chuyển đổi tăng cường buck . Điện tích từ tế bào điện áp cao được bơm trong cuộn cảm và sau đó được xả vào tế bào điện áp thấp bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi tăng cường buck. Hình dưới đây đại diện cho một bộ chuyển đổi cảm ứng chỉ có hai ô và bộ chuyển đổi tăng cường buck đơn.

Trong mạch trên, điện tích có thể được chuyển từ ô 1 sang ô 2 bằng cách chuyển MOSFETS sw1 và sw2 theo cách sau. Đầu tiên công tắc SW1 được đóng lại, điều này sẽ làm cho điện tích từ ô 1 chảy vào cuộn cảm với điện tích I hiện tại. Khi cuộn cảm được sạc đầy, công tắc SW1 được mở và công tắc sw2 được đóng lại.

Bây giờ, cuộn cảm được sạc đầy sẽ đảo ngược cực của nó và bắt đầu phóng điện. Lúc này điện tích tạo thành cuộn cảm chảy vào cell2 với dòng điện I phóng. Khi cuộn cảm được xả hết, công tắc sw2 được mở và công tắc sw1 được đóng lại để lặp lại quá trình. Các dạng sóng dưới đây sẽ giúp bạn có hình ảnh rõ ràng.

Trong thời gian t0, công tắc sw1 đóng (bật) dẫn đến dòng điện I tăng và điện áp trên cuộn cảm (VL) tăng. Sau đó, khi cuộn cảm được sạc đầy tại thời điểm t1, công tắc sw1 được mở (tắt) làm cho cuộn cảm xả điện tích mà nó đã tích lũy ở bước trước. Khi một cuộn cảm phóng điện, nó thay đổi cực tính của nó do đó điện áp VL được hiển thị bằng âm. Khi phóng điện dòng phóng điện (I xả) giảm từ giá trị lớn nhất của nó. Tất cả dòng điện này đi vào ô 2 để sạc nó lên. Khoảng thời gian nhỏ được phép từ thời điểm t2 đến t3 và sau đó tại thời điểm t3 cả chu kỳ lặp lại một lần nữa.

Phương pháp này cũng có một nhược điểm lớn là phí chỉ có thể được chuyển từ ô cao hơn sang ô thấp hơn. Ngoài ra, tổn thất trong chuyển mạch và sụt áp diode cũng cần được xem xét. Nhưng nó nhanh hơn và hiệu quả hơn so với phương pháp tụ điện.

Bộ chuyển đổi cảm ứng (Dựa trên bay trở lại)

Như chúng ta đã thảo luận, phương pháp chuyển đổi buck boost chỉ có thể chuyển phí từ ô cao hơn sang ô thấp hơn. Sự cố này có thể tránh được bằng cách sử dụng bộ chuyển đổi Fly back và một máy biến áp. Trong bộ chuyển đổi kiểu flyback, phía chính của cuộn dây được kết nối với bộ pin và phía thứ cấp được kết nối với từng ô riêng lẻ của bộ pin như hình dưới đây

Như chúng ta đã biết pin hoạt động bằng điện một chiều và máy biến áp sẽ không có tác dụng gì cho đến khi chuyển đổi điện áp. Vì vậy, để bắt đầu quá trình sạc, công tắc ở phía cuộn sơ cấp Sp được chuyển sang. Điều này chuyển đổi DC thành DC xung và phía sơ cấp của máy biến áp được kích hoạt.

Bây giờ ở phía thứ cấp mỗi ô có công tắc riêng và cuộn dây thứ cấp. Bằng cách chuyển đổi mosfet của tế bào điện áp thấp, chúng ta có thể làm cho cuộn dây cụ thể đó hoạt động như một cuộn thứ cấp cho máy biến áp. Bằng cách này, điện tích của cuộn sơ cấp được chuyển sang cuộn thứ cấp. Điều này làm cho điện áp tổng thể của bộ pin phóng điện vào ô yếu.

Ưu điểm lớn nhất của phương pháp này là bất kỳ tế bào yếu nào trong gói có thể dễ dàng được sạc từ điện áp của gói và không phải tế bào cụ thể nào bị phóng điện. Nhưng vì liên quan đến một máy biến áp, nó chiếm một không gian lớn và độ phức tạp của mạch cao.

3. Cân bằng không tổn thất

Cân bằng không tổn thất là một phương pháp được phát triển gần đây để giảm tổn thất bằng cách giảm các thành phần phần cứng và cung cấp nhiều quyền kiểm soát phần mềm hơn. Điều này cũng làm cho hệ thống đơn giản hơn và dễ thiết kế hơn. Phương pháp này sử dụng một mạch chuyển mạch ma trận cung cấp khả năng thêm hoặc bớt một ô khỏi một gói trong quá trình sạc và xả. Một mạch chuyển mạch ma trận đơn giản cho tám ô được hiển thị bên dưới.

Trong quá trình sạc, tế bào có điện áp cao sẽ bị loại bỏ khỏi gói bằng cách bố trí công tắc. Trong hình trên, ô 5 được loại bỏ khỏi gói bằng cách sử dụng các công tắc. Coi đường tròn màu đỏ là công tắc mở và đường tròn màu xanh là công tắc đóng. Do đó, thời gian nghỉ ngơi của các tế bào yếu hơn được tăng lên trong quá trình sạc để cân bằng chúng trong quá trình sạc. Nhưng điện áp sạc phải được điều chỉnh cho phù hợp. Kỹ thuật tương tự cũng có thể được thực hiện trong quá trình xả.

4. Redox Shuttle

Phương pháp cuối cùng không dành cho các nhà thiết kế phần cứng mà dành cho các kỹ sư hóa học. Trong pin axit chì, chúng tôi không gặp vấn đề về cân bằng tế bào bởi vì khi pin axit chì được sạc quá mức, nó gây ra hiện tượng thoát khí khiến nó không bị sạc quá mức. Ý tưởng đằng sau tàu con thoi oxy hóa khử là cố gắng đạt được hiệu ứng tương tự trên tế bào lithium bằng cách thay đổi hóa học của chất điện phân của tế bào lithium. Chất điện phân được sửa đổi này sẽ ngăn tế bào bị quá tải.

Các thuật toán Cân bằng Tế bào

Một kỹ thuật cân bằng tế bào hiệu quả nên kết hợp phần cứng với một thuật toán thích hợp. Có nhiều thuật toán để cân bằng ô và nó phụ thuộc vào thiết kế phần cứng. Nhưng các loại có thể được đun sôi thành hai phần khác nhau.

Đo điện áp mạch hở (OCV)

Đây là phương pháp dễ dàng và thông dụng nhất. Tại đây, điện áp của ô mở được đo cho từng ô và mạch cân bằng ô hoạt động để cân bằng các giá trị điện áp của tất cả các ô mắc nối tiếp. Nó đơn giản để đo OCV (Điện áp hở mạch) và do đó độ phức tạp của thuật toán này ít hơn.

Đo mức phí (SOC)

Trong phương pháp này, SOC của các ô được cân bằng. Như chúng ta đã biết đo SOC của ô là một công việc phức tạp vì chúng ta phải tính giá trị điện áp và dòng điện của ô trong một khoảng thời gian để tính giá trị của SOC. Thuật toán này phức tạp và được sử dụng ở những nơi yêu cầu hiệu quả và độ an toàn cao như trong các ngành hàng không và vũ trụ.

Điều này kết thúc bài viết ở đây. Hy vọng bây giờ bạn đã có một ý tưởng ngắn gọn về cân bằng tế bào là cách nó được thực hiện ở cấp độ phần cứng và phần mềm. Nếu bạn có bất kỳ ý tưởng hoặc kỹ thuật nào, hãy chia sẻ chúng trong phần bình luận hoặc sử dụng diễn đàn để nhận trợ giúp kỹ thuật.