Cellebalancering

Cellebalancering korrigerer forskelle i ladeniveauet mellem de serieforbundne cellegrupper i et elbilbatteri. Det hjælper med at forhindre, at én gruppe afslutter opladning eller afladning for tidligt, men kan ikke genskabe tabt kapacitet eller reparere en degraderet celle.

Hvad cellebalancering faktisk balancerer

Betegnelsen cellebalancering kan give indtryk af, at batteristyringssystemet (BMS) måler og justerer hver fysisk celle separat. Sådan er et elbilbatteri ikke altid opbygget.

Parallelforbundne celler har samme terminalspænding og overvåges normalt som én gruppe. I et 108s4p-batteri er 108 grupper eksempelvis serieforbundet, og hver gruppe indeholder fire parallelle celler. Pakken har 432 fysiske celler, men vil normalt have 108 voltage-overvågnings- og balanceringskanaler.

I hele denne artikel betyder cellegruppe én overvåget position i seriekæden. Det kan være én stor celle eller flere parallelle celler.

Alle serieforbundne grupper fører den samme pakkestrøm. Hvis der løber 50 A gennem batteriet, passerer de samme 50 A gennem hver serieposition. Grupperne kan alligevel nå forskellige ladetilstande, fordi deres kapacitet, modstand, temperatur, selvafladning og ældning ikke er fuldstændig ens.

Balancering er den BMS-funktion, der reducerer disse forskelle i ladeniveau. Det bredere system til overvågning, beregning og beskyttelse forklares i Batteristyringssystem.

Hvorfor cellegrupperne driver fra hinanden

Celler udvælges og matches under batteriproduktionen, men ikke to celler forbliver helt ens gennem hele deres levetid. Små forskelle ophobes gennem gentagne perioder med opladning, kørsel og parkering.

De vigtigste årsager omfatter:

Variationer fra produktionen og i den oprindelige kapacitet
Forskellig ældningshastighed og forskelligt kapacitetstab
Forskelle i intern modstand
Uens temperatur og køling
Små forskelle i selvafladning
Lækstrøm gennem måle- eller balanceringselektronik
En svag celle i en parallel gruppe
Forskelle i samleskinner, terminaler eller andre elektriske forbindelser
Forskydning i spændingssensoren eller en fejl i måleledningen

Disse årsager er ikke alle udtryk for det samme problem.

Ubalance i ladetilstanden

En ubalance i ladetilstanden betyder, at to grupper indeholder forskellige ladningsmængder i forhold til deres egen brugbare kapacitet. Hvis to ellers identiske grupper på 100 Ah indeholder henholdsvis 80 Ah og 78 Ah, er deres ladetilstand 80% og 78%.

Det er denne forskel, balanceringen skal korrigere.

Ubalance i kapaciteten

En ubalance i kapaciteten opstår, når én gruppe kan lagre mindre ladning end de andre. En degraderet gruppe på 90 Ah og en intakt gruppe på 100 Ah kan begge have 100% SOC, men den degraderede gruppe indeholder mindre ladning og vil normalt først nå tom tilstand.

Balancering kan bringe de to grupper på linje ved et valgt punkt i driftsområdet. Den kan ikke genskabe de manglende 10 Ah. Gruppen med den laveste kapacitet kan derfor fortsat begrænse den brugbare pakkeenergi efter balancering.

Forskelle i modstand og temperatur

En gruppe med høj modstand viser en større spændingsstigning under opladning og et større spændingsfald under acceleration. En kold gruppe kan også falde mere i spænding under belastning end en varm gruppe ved samme SOC.

Disse midlertidige spændingsforskelle er ikke nødvendigvis forskelle i ladning. Balancering alene ud fra den øjeblikkelige spænding, mens strømmen er høj, kan fjerne ladning fra den forkerte gruppe.

Selvafladning

En gruppe med større selvafladning kommer gradvist bagefter, mens bilen holder parkeret. Balancering kan gentagne gange bringe den tilbage på linje, men vedvarende forskydning kan være tegn på en cellefejl, forurening, lækstrøm gennem overvågningsudstyret eller en anden fejl, der kræver diagnosticering.

Serieforbundne celler afviger naturligt på grund af forskelle i temperatur, impedans, belastning og selvafladning, mens passiv balancering generelt er tilstrækkelig til små SOC-forskelle mellem nøje matchede celler. (Analog Devices)

Sådan begrænser én gruppe batteriet

Hver overvåget gruppe skal holde sig inden for sit tilladte spændings- og temperaturområde. Pakkens gennemsnit kan ikke tilsidesætte grænsen for en enkelt gruppe.

Under opladning

Opladningen begrænses af den gruppe, der først når sin øvre spændingsgrænse. Forestil dig fire grupper nær afslutningen af en opladning:

Gruppe A når sin øvre grænse.
Gruppe B er på 98% SOC.
Gruppe C er på 97% SOC.
Gruppe D er på 99% SOC.

Hvis opladningen fortsatte med samme strøm, ville gruppe A blive overopladet, selv om de andre grupper stadig har plads. BMS'et skal reducere ladestrømmen, balancere udvalgte grupper, stoppe opladningen eller kombinere disse handlinger. Noget af kapaciteten i gruppe B og C forbliver uudnyttet.

Under afladning

Afladningen begrænses af den gruppe, der først når sin nedre grænse. De stærkere grupper kan stadig indeholde energi, men bilen kan ikke fortsætte med at trække ubegrænset strøm uden at overaflade den begrænsende gruppe.

BMS'et reducerer normalt den tilgængelige motoreffekt, før gruppen når sin absolutte nedre grænse. Om nødvendigt forhindrer det til sidst yderligere afladning til fremdrift.

Den gruppe, der begrænser opladningen, er ikke altid den gruppe, der begrænser afladningen. En gruppe med højere modstand kan stige mest i spænding under opladning og falde mest under acceleration, mens en gruppe med lavere kapacitet først kan nå slutningen af sin brugbare ladning. Derfor kræver en spændningsspredning sammenhæng og ikke blot én grænseværdi.

Både passiv og aktiv balancering har til formål at gøre brugbar energi tilgængelig, som ellers ville være bundet af en SOC-forskel. Ingen af metoderne ændrer cellernes fysiske kapacitet. (Analog Devices)

Sådan identificerer BMS'et en ubalance

Celleovervågningselektronikken måler spændingen i hver seriegruppe. BMS'et vurderer derefter målingerne sammen med:

Pakkestrøm
Celle- og modultemperaturer
Spændingsreaktion under opladning og afladning
Spændingsstabilisering efter strømmen er stoppet
Beregnet SOC for gruppen
Indlært kapacitet og modstand
Tidligere balanceringsaktivitet
Selvafladning under parkering
Diagnosticering af sensorer og kommunikation

Forskellen mellem den højeste og laveste målte gruppespænding kaldes ofte cellespændingsdeltaet eller spændningsspredningen. Den er nyttig, men er ikke et komplet mål for balancen.

Spændingen er lettest at fortolke, når strømmen er lav, temperaturerne ligner hinanden, og midlertidige virkninger fra polarisering og modstand har lagt sig. Under lynladning eller kraftig acceleration kan den målte spredning hovedsageligt skyldes modstanden frem for SOC.

En gruppe, der ser ud til at være højest under opladning og lavest under afladning, kan have højere modstand og ikke overskydende lagret ladning. BMS'et skal skelne mellem:

En reel SOC-forskel
En kapacitetsforskel
En modstandsrelateret spændingsforskel
En temperaturpåvirkning
Unormal selvafladning
En fejl i en sensor, måleledning eller forbindelse

Balanceringsbeslutninger, der alene træffes ud fra spændingen ved høj strøm, kan forværre forskellen. Teknisk vejledning om balancering lægger derfor vægt på strøm, virkninger fra modstand og forholdene nær afslutningen af opladningen, hvor strømmen er faldet. (Texas Instruments)

Hvorfor LFP kræver særlig omhu

Lithium-jernfosfatceller (LFP) har en forholdsvis flad kurve for tomgangsspænding gennem en stor del af deres SOC-område. En betydelig ændring i den lagrede ladning kan kun give en lille spændingsforskel, mens temperatur, hysterese, sensorfejl og nylig strøm kan skabe forskelle af tilsvarende størrelse.

Spændingen giver flere oplysninger i de stejlere dele af LFP-kurven, men et præcist BMS har stadig brug for nøjagtig integration af strøm, temperaturkompensation, en kemispecifik model og egnede referenceforhold. Analog Devices' vejledning om kapacitetsberegning for LFP beskriver den flade spændingskurve og hysterese som centrale udfordringer ved beregningen. (Analog Devices)

Det gør ikke LFP umulig at balancere. Det betyder, at en enkel regel som »afled fra den højeste spænding« er mindre pålidelig i det flade midterområde.

Passiv balancering

Passiv balancering fjerner en lille mængde ladning fra udvalgte grupper med højere SOC. En transistor forbinder en modstand over gruppen, og den afledte elektriske energi bliver til varme.

Under opladning gør afledning fra en højere gruppe det muligt for de lavere grupper at indhente den, mens batteripakken fortsat modtager energi. Nogle systemer kan også aflade udvalgte grupper, mens bilen holder parkeret, eller efter opladningen er stoppet.

Passiv balancering er udbredt, fordi kredsløbet er kompakt, relativt billigt og let at integrere i celleovervågningsudstyr. De vigtigste begrænsninger er:

Den fjernede energi går tabt som varme.
Balanceringsstrømmen er lille sammenlignet med lade- eller fremdriftsstrømmen.
Store forskelle kan kræve mange timer.
Modstandens temperatur kan begrænse, hvor mange kanaler der er aktive på samme tid.
Den kan ikke flytte energi til en lavere gruppe under afladning.

Balanceringsstrøm og tid

Balanceringsudstyr til biler arbejder ofte i milliamperområdet. NXP's MC33775A-cellecontroller til biler understøtter eksempelvis passiv balancering med op til 300 mA pr. kanal og omfatter styring efter tid, spænding og temperatur. Det er en komponentegenskab og ikke en værdi, der gælder for alle elbiler. (NXP)

Et enkelt estimat af tiden er:

Balanceringstid = ladningsforskel ÷ balanceringsstrøm

En SOC-forskel på 1% i en gruppe på 100 Ah svarer til 1 Ah. Med en kontinuerlig balanceringsstrøm på 0,1 A tager det cirka 10 timer at fjerne denne forskel.

Den virkelige balancering kan tage længere tid, fordi BMS'et kan sætte den på pause for at måle spænding, begrænse tilstødende kanaler, reducere driftscyklussen efterhånden som komponenterne bliver varme, stoppe uden for et tilladt temperaturområde eller lade bilen gå i en tilstand med lavere strømforbrug. Aktuelle overvågningskredsløb til biler omfatter disse tids- og temperaturstyringer, fordi afledningsmodstandene og koblingskomponenterne skal beskyttes. (Texas Instruments)

Passiv balancering er derfor velegnet til at korrigere gradvis forskydning mellem grupper, der ellers ligner hinanden. Det er ikke en hurtig reparationsproces til et batteri med alvorlig ubalance.

Aktiv balancering

Aktiv balancering overfører ladning gennem effektelektroniske kredsløb i stedet for bevidst at omdanne det hele til varme i afledningsmodstande. Afhængigt af topologien kan energi flyttes:

Fra en højere gruppe til en lavere gruppe
Mellem en gruppe og en større del af batteripakken
Mellem moduler eller pakkesektioner
Fra batteripakken til en gruppe med lav ladning

Overførselskredsløbet kan bruge kondensatorer, induktorer, transformatorer, koblingsmatricer eller tovejs DC-DC-omformere.

Aktiv balancering kan arbejde med højere strøm og omfordele energi under opladning, afladning eller hvile. Under afladning kan den eksempelvis føre energi fra stærkere grupper til en gruppe, der nærmer sig sin nedre grænse, og dermed udskyde det tidspunkt, hvor gruppen afslutter pakkens brugbare afladning.

Metoden er ikke tabsfri. Ledere, koblingskomponenter, magnetiske komponenter og styreelektronik bruger energi og udvikler varme. Den tilføjer også:

Pris og antal komponenter
Plads og vægt
Kompleksitet i styringen
Hensyn til elektromagnetisk interferens
Flere krav til diagnosticering og funktionel sikkerhed
Yderligere mulige fejltilstande

Aktiv balancering kan gøre en større del af pakkens eksisterende energi brugbar, når gruppernes kapacitet er blevet forskellig, men genskaber ikke en svag gruppes oprindelige kapacitet. Den samme gruppe kan igen blive den begrænsende ved næste cyklus. Analog Devices beskriver den centrale forskel tydeligt: Passiv balancering bortleder overskydende ladning, mens aktiv balancering omfordeler den. (Analog Devices)

Aktiv balancering er ikke automatisk den bedste løsning til alle elbiler. Passiv balancering kan være tilstrækkelig, når cellerne er nøje matchede, og BMS'et jævnligt korrigerer små forskydninger. Aktiv balancering bliver mere attraktiv, når fordelen ved mere brugbar energi berettiger det ekstra udstyr og valideringsarbejde. Gennemgange af balanceringsarkitekturer til elbiler når frem til den samme overordnede afvejning: Aktive systemer tilbyder mere fleksibel energioverførsel, mens passive systemer bevarer fordele i pris og enkelhed. (Energies)

Hvornår finder balancering sted?

Der findes ingen universel tidsplan for balancering. Afhængigt af batteriet og BMS-strategien kan balancering finde sted:

Under AC-opladning
Nær afslutningen af opladningen
Efter opladningen er stoppet
Mens bilen fortsat er tilsluttet
Under udvalgte parkerings- eller kørselsforhold
Når spænding, strøm og temperatur opfylder de programmerede kriterier

Mange systemer udfører en stor del af balanceringen ved høj SOC. Ladestrømmen er lavere, BMS'et kan identificere, hvilken gruppe der først når den øvre grænse, og den tilsluttede bil kan have tilstrækkelig tid til en langsom korrigering.

Det kaldes ofte topbalancering, men andre strategier kan bringe grupperne på linje nær den nedre grænse eller bruge modelbaseret balancering over et bredere driftsområde. Den valgte metode afhænger af cellekemi, batterikonstruktion, driftsområde og producentens prioriteringer.

Opladning til viste 100% beviser ikke, at balancering har fundet sted. BMS'et kan også kræve en egnet temperatur, en mindste forskel i spænding eller beregnet SOC, lav strøm, yderligere tilsluttet tid eller en anden producentspecifik betingelse.

Balancering og SOC-kalibrering er forskellige

Balancering ændrer fordelingen af ladning mellem serieforbundne grupper. SOC-kalibrering ændrer BMS'ets beregning af, hvor fuldt batteriet er.

Et højt eller lavt referencepunkt kan hjælpe BMS'et med at genkalibrere SOC, og en lang opladning kan samtidig give tid til balancering, men de to processer er fortsat adskilte. En bil kan opdatere den viste procentdel uden at flytte en betydelig ladning mellem grupperne. Den kan også balancere grupper uden at skabe en synlig ændring på instrumentpanelet.

Førere bør derfor følge ladevejledningen til netop deres bil i stedet for en generel regel om at »lade til 100% for at balancere«. Kemi, BMS-strategi, software, opbevaringstid og det daglige behov for rækkevidde påvirker alle den rette rutine. Ladeydelse og den aftagende effekt ved høj SOC beskrives separat i Batteriopladning og ladeydelse.

Hvad balancering ikke kan løse

Cellebalancering kan ikke:

Genskabe kapacitet, der er tabt ved degradering
Tilbageføre en permanent forøget modstand
Reparere en intern kortslutning
Stoppe unormal selvafladning
Reparere en beskadiget samleskinne, terminal eller måleledning
Korrigere utilstrækkelig køling
Reparere en unøjagtig spændings- eller temperatursensor
Få alle grupper til at ældes med samme hastighed
Genvinde lithium eller aktivt materiale, der allerede er gået tabt inde i en celle

Hvis én gruppe gentagne gange kommer ud af balance kort efter balancering, kan batteriet have et underliggende problem med kapacitet, modstand, selvafladning, temperatur, forbindelse eller måling. Balancering kan midlertidigt bringe gruppen på linje, men vedvarende ubalance kræver diagnosticering.

De fleste elbiler viser ikke balanceringsaktiviteten direkte. Mulige indirekte symptomer omfatter:

Ladeeffekten aftager, eller opladningen stopper tidligere end forventet
Reduceret brugbar energi
En pludselig korrektion af den viste SOC
Et hurtigere fald i SOC nær tom tilstand
Reduceret motoreffekt ved lav SOC
En stor rapporteret spændningsspredning
Bilen forbliver aktiv efter opladning
En advarsel om batteriet eller drivlinjen

Ingen af disse symptomer beviser en ubalance. Temperatur, normal reduktion af ladeeffekten, fejl i SOC-beregningen, laderens begrænsninger, generel degradering, kølefejl og softwarestrategi kan give lignende adfærd.

En pålidelig diagnose sammenligner gruppespænding, temperatur, modstand, selvafladning og historik under kontrollerede forhold. Ét skærmbillede af spændingsdeltaet eller én opladning er ikke tilstrækkeligt. Permanent kapacitetstab og test af batteriets sundhed forklares i Batteridegradering.

Cellebalancering er mest effektiv, når den ubemærket korrigerer små forskelle, før føreren bemærker dem. Når en gruppe er blevet så svag, at den gentagne gange begrænser batteripakken, kan balanceringen håndtere konsekvensen, men ikke fjerne årsagen.