Cellebalansering i elbilbatterier: passive og aktive metoder

Cellebalansering justerer ladningen i batteriets seriekoblede cellegrupper, slik at forskjeller mellom dem ikke begrenser den brukbare energien unødvendig. Passive systemer fjerner ladning fra utvalgte grupper; aktive systemer overfører energi mellom deler av batteripakken.

Hvorfor ladningsforskjeller begrenser en batteripakke

En cellegruppe er én overvåket posisjon i batteriets seriekjede: enten én celle eller flere parallellkoblede celler. Kapittelet battery pack forklarer hvordan disse koblingene bygger opp pakkens spenning og kapasitet.

Batteristyringssystemet (BMS) må holde hver gruppe innenfor driftsgrensene. Under lading kan én gruppe nå sin øvre spenningsgrense mens andre fortsatt kan ta imot energi. Under utlading kan én nå sin nedre grense mens andre fortsatt inneholder energi. Begge situasjonene begrenser hva pakken kan levere. Balansering bidrar til å gjenvinne brukbar energi som ellers er utilgjengelig på grunn av ulike ladenivåer. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tre skiller forklarer hva balansering kan oppnå:

• En forskjell i ladetilstand (SOC) betyr at gruppene inneholder ulike ladningsmengder i forhold til kapasiteten sin.
• En kapasitetsforskjell betyr at én gruppe kan lagre mindre ladning enn en annen.
• En målt spenningsforskjell kan også skyldes motstand, temperatur eller målefeil.

Ulik selvutlading og små forskjeller i den elektriske belastningen på hver gruppe kan gradvis skape en ladningsforskjell. Forskjeller i opprinnelig kapasitet og aldring endrer hvor raskt hver gruppe beveger seg gjennom SOC-området sitt. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Se for deg et forenklet eksempel med to grupper på 90 Ah og 100 Ah. Begge kan starte fulladet, men etter at hver har levert 90 Ah, er den minste tom, mens den største fortsatt inneholder 10 Ah. Å utjevne dem øverst i ladevinduet gjenoppretter ikke den minste gruppens manglende kapasitet. Eksempelet ser bort fra andre grenser som kan stoppe utladingen tidligere. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passiv balansering

En passiv balanseringskrets kobler en motstand parallelt over en utvalgt gruppe via en elektronisk bryter. Strømmen i denne grenen omdanner elektrisk energi til varme. BMS styrer hvilke grener som er aktive, og hvor lenge de arbeider. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Under lading fordeles strømmen ved denne posisjonen i seriekjeden mellom cellene og balanseringsgrenen:

Netto ladestrøm til cellene = batteripakkens ladestrøm − avledningsstrøm

Hvis pakken for eksempel mottar 1 A og en utvalgt gren trekker 0,1 A, mottar cellene i gruppen 0,9 A. En ellers identisk gruppe med avslått balanseringsgren mottar hele 1 A og tar opp ladning raskere. Strømmene er eksempler og forutsetter at andre små elektriske belastninger er ubetydelige.

Den samme grenen kan fortsette å fjerne ladning etter at laderen stopper; den utvalgte gruppen leverer da selv strømmen gjennom motstanden. Orion Jr. 2-løsningen som beskrives nedenfor, støtter denne driften så lenge BMS fortsatt får strøm i CHARGE-modus. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

En liten avledningsstrøm reduserer bare strømmen inn i en gruppe litt under lading med høy strøm. Ladingen må fortsatt reduseres eller stoppes når en gruppe når grensen sin. Balansering supplerer derfor ladestyringen fremfor å erstatte den.

Kretsen er relativt enkel og kan korrigere gradvis ladningsdrift mellom grupper med godt samsvarende kapasiteter. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Ulempen er at energien som fjernes, blir til varme. Passiv balansering har heller ingen overføringsvei som kan forsyne en gruppe med lav ladetilstand fra de øvrige gruppene under utlading. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Balanseringsstrøm og tid

Et nyttig utgangspunkt er ladningsmengden som må fjernes, målt i amperetimer (Ah):

Balanseringstid (h) = ladningsforskjell (Ah) ÷ gjennomsnittlig balanseringsstrøm (A)

For to ellers identiske grupper på 100 Ah tilsvarer en SOC-forskjell på ett prosentpoeng 1 Ah. Å fjerne denne forskjellen med en kontinuerlig strøm på 0,1 A tar 10 timer. Hvis grenen bare er aktiv i halvparten av tiden med samme strøm, blir gjennomsnittsstrømmen 0,05 A, og korrigeringen tar 20 timer. Begge beregningene er forenklede og forutsetter at det ikke oppstår ytterligere drift, og at målgruppen er uendret.

NXPs MC33775A-cellekontroller for kjøretøy støtter passiv balansering med opptil 300 mA per kanal. Styringen omfatter individuelle tidsur og spenningsterskler. Den setter automatisk balanseringen på pause under målinger og avbryter den hvis balanseringsmotstandene blir overopphetet. Tallet 300 mA er en komponentgrense; den installerte kretsen og programvaren bestemmer strømmen og driftstiden i kjøretøyet. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Den faktiske strømmen avhenger også av cellespenningen og motstanden i balanseringsveien. TIs designveiledning for BQ7961x-Q1 forklarer valg av motstander og hensyn til temperaturgrenser; den automatiske modusen veksler mellom oddetalls- og partallskanaler. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Målepauser, termiske avbrudd og kanalenes sekvensering reduserer tiden en gren kan balansere. Dette forklarer hvorfor gjennomsnittsstrømmen kan være lavere enn strømmen når grenen er på; driftstiden på 50% i eksempelet med 20 timer er en illustrerende antakelse.

Aktiv balansering

Aktiv balansering bruker en kraftelektronisk krets til å flytte energi mellom grupper eller mellom en gruppe og en større del av pakken. Kretsen kan midlertidig lagre energi i en kondensator eller magnetisk komponent før den leveres et annet sted. Oppbygningen bestemmer hvilke grupper som kan utveksle energi. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

En konstruksjon som støtter overføring under utlading, kan forsyne en gruppe nær den nedre grensen fra grupper som fortsatt inneholder energi. Dette kan forlenge pakkens brukbare utlading selv når gruppenes kapasiteter er forskjellige. Under lading kan en egnet krets flytte energi bort fra en gruppe som nærmer seg den øvre grensen. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Overføringsstrømmen og den tilgjengelige balanseringstiden begrenser gevinsten, slik ADI påpeker. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing En praktisk følge er at en overføringskrets kan levere for lite energi til å holde den begrensende gruppen over den nedre grensen ved høyt effektbehov. Omfordeling av energi forbedrer utnyttelsen av pakken; hver gruppes lagringskapasitet forblir uendret.

Svitsjing og energiomforming gir tap, og ekstra maskinvare øker kostnad, størrelse og styringskompleksitet. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Den tekniske avveiningen er om gjenvunnet energi og balanseringshastighet rettferdiggjør disse tilleggene for den aktuelle pakken.

Hvordan spenningsmålinger styrer balanseringen

Forskjellen mellom høyeste og laveste målte gruppespenning kalles ofte spenningsspredning eller cellespenningsdelta. Betydningen endrer seg med strøm, temperatur og SOC.

En gruppe med høyere indre motstand kan vise høyere spenning under lading og lavere spenning under utlading, selv uten SOC-forskjell. Å fjerne ladning bare fordi gruppen har høyest spenning under ladestrøm, kan forverre ubalansen. Lavere strøm og stabiliserte forhold reduserer disse effektene og gjør spenningen lettere å tolke. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Temperaturforskjeller påvirker også spenningsforløpet. Et sensoravvik eller en feil i måleledningen kan gi en tilsynelatende forskjell uten å skape en fysisk ladningsubalanse. Kapittelet battery management system forklarer hvordan målefeil skilles fra cellefeil.

Litiumjernfosfat (LFP) gir en særskilt utfordring: Spenningen endrer seg lite gjennom store deler av SOC-området. Ulike ladenivåer kan derfor gi lignende spenninger. Hysterese, der spenningen avhenger av cellens nylige lade- eller utladingshistorikk, gjør sammenligningen enda mer krevende. De brattere delene av spenningskurven gir mer informasjon om ladningsforskjeller. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Spenning, strømmålinger og batterimodeller bidrar til SOC-estimatet. Balansering endrer fysisk ladningen i utvalgte grupper; SOC-kalibrering korrigerer BMS-estimatet. En endring i den viste prosenten alene viser ikke at ladning er omfordelt.

Når balansering skjer, og hva føreren kan utlede

Styringsstrategien bestemmer når balanseringen aktiveres eller settes på pause. Vilkårene kan omfatte gruppespenning, den målte forskjellen mellom gruppene, temperatur og kjøretøyets driftstilstand.

Toppbalansering utjevner gruppene nær øvre ende av ladevinduet; bunnbalansering utjevner dem nær nedre ende. Begrepene beskriver utjevningspunktet. Passiv og aktiv beskriver mekanismen som endrer ladningsfordelingen. Grupper med ulike kapasiteter kan være utjevnet i den ene enden og gli fra hverandre når pakken beveger seg mot den andre.

En dokumentert løsning er Orion Jr. 2, et BMS for pakker med opptil 48 V nominell spenning i lette kjøretøy og stasjonære bruksområder. Manualen fra 2018 beskriver justerbare balanseringsterskler og anbefaler toppbalansering. Balansering i midten eller ved bunnen kan kreve en ekstern kontroller som gir signal om når balanseringen skal kjøres. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Viste 100% markerer toppen av ladevinduet som presenteres for føreren, fremfor hver celles absolutte fulladingspunkt, slik det forklares i battery buffers and the operating window. Visningen forteller ikke om de nødvendige balanseringsvilkårene var oppfylt, eller hvor lenge balanseringen kjørte. Følg ladeveiledningen for det aktuelle kjøretøyet fremfor en universell rutine med fullading eller dyputlading. Kapittelet battery charging forklarer de separate faktorene bak ladehastigheten og den gradvise reduksjonen.

Hvis en gruppe gjentatte ganger kommer ut av balanse, må en diagnose avklare om årsaken er ladningsdrift, redusert kapasitet, motstand, temperatur eller et måleproblem. En måling av spenningsspredningen er mest nyttig sammen med forholdene og historikken som skapte den. Permanent kapasitetstap omtales i battery degradation.