Řízení vyrovnání systému napájecí baterie
K vyrovnání rozdílů mezi kapacitou a energií mezi jednotlivými články v sadě baterií a zlepšení míry využití energie bateriové sady je během procesu nabíjení a vybíjení potřeba vyrovnávací obvod. Na základě toho, jak obvod spotřebovává energii během procesu vyrovnávání, lze jej rozdělit do dvou hlavních kategorií: typ rozptylu energie a typ rozptylu energie-. Typ rozptylu energie odvádí přebytečnou energii ve formě tepla, zatímco typ rozptylu energie -nepřevádí nebo převádí přebytečnou energii na jiné baterie.
Řízení rovnováhy-typu rozptylu energie
Vyrovnávací obvody typu disipace energie- dosahují vyrovnání tím, že nabíjecí proud odvádějí paralelní odpory v jednotlivých článcích baterie, jak je znázorněno na obrázku 8-12. Tato struktura obvodu je jednoduchá a proces vyrovnávání je obvykle dokončen během nabíjení. Nedokáže však doplnit výkon jednotlivých článků s nízkou{5}}kapacitou, což má za následek plýtvání energií a zvýšené zatížení systému tepelného managementu. Elektrické spotřebiče typu rozptylu energie obecně spadají do dvou kategorií:
Elektrické spotřebiče typu -rozptýlené energie obecně spadají do dvou kategorií: Za prvé, obvod nabíjení s konstantním bočníkem pro vyrovnávání odporu, kde je paralelní odpor vždy připojen ke každému článku baterie. Tato metoda se vyznačuje vysokou spolehlivostí a velkou hodnotou bočníkového rezistoru, což snižuje rozdíly v napětí jednotlivých článků v důsledku samovybíjení prostřednictvím pevného bočníku. Jeho nevýhodou je, že bočníkový rezistor neustále spotřebovává energii při nabíjení i vybíjení, což má za následek značné energetické ztráty; je obecně vhodný pro aplikace, kde lze rychle doplnit energii.
Za druhé, spínačem-řízený obvod pro vyrovnávání bočníkového odporu, kde je bočníkový rezistor ovládán spínačem. Během nabíjení, kdy napětí jednotlivé baterie dosáhne vypínacího napětí, vyrovnávací zařízení zabrání přebíjení a přemění přebytečnou energii na teplo. Tento vyrovnávací obvod pracuje při nabíjení a může při nabíjení směrovat proud do jednotlivých článků s vyšším napětím. Jeho nevýhodou je, že kvůli omezené době vyrovnání je potřeba velké množství tepla vznikajícího při bočníku včas odvést přes systém tepelného managementu, což je patrné zejména u bateriových sad s větší kapacitou.
Například u 10Ah baterie může rozdíl napětí 100 mV způsobit rozdíl v kapacitě přes 500 mAh. Pokud je doba vyrovnání 2 hodiny, bočníkový proud je 250 mA, bočníkový odpor je přibližně 14 Ω a generované teplo je přibližně 2 Wh.
Správa vyrovnání typu ne-ztráta energie
Ne-obvody pro ztrátu energie spotřebují mnohem méně energie než obvody pro ztrátu energie, ale jejich struktura obvodů je poměrně složitá. Lze je rozdělit na dva typy: vyrovnání přeměny energie a vyrovnání přenosu energie.
Vyrovnávání přeměny energie
Vyrovnávání přeměny energie využívá spínací signály buď k doplnění energie jednotlivých článků z celé sady baterií, nebo k přeměně energie jednotlivých článků zpět na celkovou sadu baterií. K přeměně energie jednotlivých článků na celkovou energii obvykle dochází během procesu nabíjení baterie, jak je znázorněno na obrázku 8-13. Tento obvod detekuje napětí každého jednotlivého článku; když napětí jednotlivého článku dosáhne určité hodnoty, začne pracovat balanční modul. Odvádí nabíjecí proud v jednotlivém článku, aby se snížilo nabíjecí napětí, a odkloněný proud je modulem přeměněn a přiváděn zpět do nabíjecí sběrnice, čímž je dosaženo vyvážení. Některé metody vyvažování přeměny energie mohou také využívat volnoběžné induktory k dokončení přeměny energie z jednotlivých článků na baterii.
Obvod pro přeměnu energie celého bateriového bloku na jednotlivé články je znázorněn na obrázku 8-14. Tato metoda se také nazývá doplňkové vyvažování. Během procesu nabíjení hlavní nabíjecí modul nejprve nabíjí baterii, zatímco obvod detekce napětí monitoruje každý jednotlivý článek. Když je napětí kteréhokoli jednotlivého článku příliš vysoké, hlavní nabíjecí obvod se vypne a poté doplňkový balanční nabíjecí modul začne nabíjet baterii. Díky optimalizované konstrukci je nabíjecí napětí v balančním modulu přiváděno na každý jednotlivý článek prostřednictvím nezávislého DC/DC měniče a koaxiálního cívkového transformátoru, který přidává identické sekundární vinutí. Tím je zajištěno, že články s vyšším napětím přijímají méně energie z pomocného nabíjecího obvodu, zatímco články s nižším napětím více energie, čímž je dosaženo vyvážení. Problém s touto metodou je, že řízení konzistence sekundárního vinutí je obtížné. I při stejných závitech, s ohledem na svodovou indukčnost transformátoru a vzájemnou indukčnost mezi sekundárními vinutími, nemusí jednotlivé články přijímat stejné nabíjecí napětí. Kromě toho koaxiální cívka také zažívá určitou ztrátu energie a tato metoda vyvažování řeší pouze nerovnováhu nabíjení, ale neřeší nerovnováhu ve stavu vybití.
Vyrovnávání přenosu energie
Vyrovnávání přenosu energie využívá prvky pro ukládání energie, jako jsou induktory nebo kondenzátory, k přenosu náboje z jednotlivých článků s vysokou{0}}kapacitou na články s nižší{1}}kapacitou v rámci baterie, jak je znázorněno na obrázku 8-15. Tento obvod přenáší energii mezi sousedními články přepínáním kondenzátorů a přesouvá náboj z vysokonapěťových článků na nízkonapěťové články, aby se dosáhlo vyvážení. Alternativně lze obousměrného přenosu energie mezi sousedními články dosáhnout pomocí indukčního ukládání energie. Tento obvod má velmi nízké energetické ztráty, ale vyžaduje vícenásobné přenosy během vyvažování, což má za následek dlouhou dobu vyvažování a není vhodné pro vícečlánkové baterie. Vylepšená metoda vyrovnávání{10} spínání kondenzátorů může zvýšit rychlost vyrovnávání výběrem nejvyššího{11}}napětí a nejnižšího napětí jednotlivých článků pro přenos energie. Stanovení energie a implementace spínacího obvodu při vyrovnávání přenosu energie jsou však poměrně obtížné.
Kromě výše uvedených způsobů vyvažování lze k dosažení vyvážení baterie během nabíjení použít také udržovací nabíjení. Toto je nejjednodušší metoda a nevyžaduje žádné externí pomocné obvody. Zahrnuje nepřetržité nabíjení sériově-zapojené baterie malým proudem. Protože nabíjecí proud je velmi malý, přebíjení má malý dopad na plně nabitou baterii. Protože plně nabitá baterie nemůže přeměnit více elektrické energie na chemickou energii, přebytečná energie se přemění na teplo. Baterie, které nejsou plně nabité, však mohou nadále přijímat elektrickou energii, dokud nedosáhnou úplného nabití. Tímto způsobem po relativně dlouhé době dosáhnou všechny baterie plného nabití, čímž se dosáhne vyrovnání kapacity. Tato metoda však vyžaduje velmi dlouhou dobu ekvalizačního nabíjení a spotřebovává značné množství energie k dosažení ekvalizace. Kromě toho je tato metoda neúčinná při řízení vyrovnání vybíjení.
Problémy v aplikaci
Stávající řešení vyvažování baterie primárně určují kapacitu baterie na základě metody vyvažování založené na napětí -a napětí- baterie. Pro dosažení vyvážení baterie je zásadní vysoká přesnost a přesnost detekce napětí. Svodový proud v obvodu detekce napětí přímo ovlivňuje konzistenci baterie. Proto je návrh jednoduchého a účinného obvodu detekce napětí klíčovou výzvou pro vyvažovací obvody. Navíc napětí není jediným měřítkem kapacity baterie. Vnitřní odpor a přechodový odpor při způsobu připojení také způsobují změny napětí. Proto spoléhání se pouze na napětí při vyvažování může vést k nadměrnému-vyrovnávání a plýtvání energií. V extrémních případech může dokonce způsobit nerovnováhu v baterii, a to i přes počáteční vyvážení kapacity.
Obvody rozptylu energie mají jednoduchou strukturu, ale vyrovnávací rezistory spotřebovávají energii během proudového bočníku a generují teplo, což způsobuje problémy s tepelným managementem. Protože v podstatě omezují příliš vysoká nebo nízká svorková napětí v jednotlivých článcích prostřednictvím rozptylu energie, jsou vhodné pouze pro statické vyvážení. Jejich vysoký-nárůst teploty snižuje spolehlivost systému, takže nejsou vhodné pro dynamické vyvažování. Tato metoda je vhodná pouze pro baterie s malou nebo nízkou{4}}kapacitou.
Obvody přenosu energie jsou metodou kompenzace kapacity baterie, kdy baterie s vyšší{0}}kapacitou přispívá určitou energií ke kompenzaci baterie s nižší-kapacitou. I když je tato metoda proveditelná, je složitá, objemná a nákladná kvůli potřebě monitorování napětí jednotlivých článků ve skutečném obvodu. Kromě toho je přenos energie dosahován prostřednictvím média pro ukládání energie, což přináší problémy se spotřebou energie a řízením. Tato metoda vyvažování se obecně používá u středních až velkých bateriových sad.
Na druhé straně obvody pro přeměnu energie využívají k dosažení přeměny energie spínaný zdroj. Ve srovnání s obvody pro přenos energie jsou výrazně méně složité a levnější. Avšak u koaxiálních cívek mají různé délky a tvary drátů spojujících vinutí s každým článkem za následek různé transformační poměry, což vede k nekonzistentnímu vyvážení každého článku a vede k chybám vyvážení. Kromě toho samotná koaxiální cívka spotřebovává energii kvůli elektromagnetickému úniku a dalším problémům.
