Cellbalansering i elbilsbatterier: passiva och aktiva metoder

Cellbalansering justerar laddningen i batteriets seriekopplade cellgrupper så att skillnader mellan dem inte begränsar den användbara energin i onödan. Passiva system tar bort laddning från utvalda grupper; aktiva system överför energi mellan delar av batteripaketet.

Varför laddningsskillnader begränsar ett batteripaket

En cellgrupp är en övervakad position i batteriets seriekedja: antingen en enskild cell eller flera parallellkopplade celler. Kapitlet battery pack förklarar hur dessa kopplingar bygger upp paketets spänning och kapacitet.

Batterihanteringssystemet (BMS) måste hålla varje grupp inom dess driftgränser. Under laddning kan en grupp nå sin övre spänningsgräns medan andra fortfarande kan ta emot energi. Under urladdning kan en grupp nå sin nedre gräns medan andra fortfarande innehåller energi. Båda situationerna begränsar vad paketet kan leverera. Balansering hjälper till att återvinna användbar energi som annars är otillgänglig på grund av olika laddningsnivåer. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tre åtskillnader förklarar vad balanseringen kan åstadkomma:

• En skillnad i laddningsnivå (SOC) innebär att grupperna innehåller olika laddningsmängder i förhållande till sin kapacitet.
• En kapacitetsskillnad innebär att en grupp kan lagra mindre laddning än en annan.
• En uppmätt spänningsskillnad kan också bero på resistans, temperatur eller mätfel.

Ojämn självurladdning och små skillnader i elektrisk belastning på enskilda grupper kan gradvis skapa en laddningsskillnad. Skillnader i ursprunglig kapacitet och åldrande påverkar hur snabbt varje grupp rör sig genom sitt SOC-område. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Tänk på ett förenklat exempel med två grupper på 90 Ah och 100 Ah. Båda kan börja fulladdade, men efter att var och en har lämnat 90 Ah är den mindre tom medan den större fortfarande innehåller 10 Ah. Att balansera dem vid laddningsfönstrets övre gräns återställer inte den mindre gruppens saknade kapacitet. Exemplet bortser från andra gränser som kan avbryta urladdningen tidigare. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age

Passiv balansering

En passiv balanseringskrets ansluter ett motstånd parallellt över en utvald grupp via en elektronisk brytare. Strömmen i denna gren omvandlar elektrisk energi till värme. BMS styr vilka grenar som arbetar och hur länge. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Under laddning delas strömmen som når denna position i seriekedjan mellan cellerna och balanseringsgrenen:

Nettoladdström till cellerna = batteripaketets laddström − avledningsström

Om paketet exempelvis tar emot 1 A och en utvald gren drar 0,1 A får cellerna i den gruppen 0,9 A. En i övrigt identisk grupp med avstängd balanseringsgren får hela 1 A och laddas snabbare. Strömmarna är illustrativa och förutsätter att andra små elektriska belastningar är försumbara.

Samma gren kan fortsätta att ta bort laddning när laddaren har stannat; den utvalda gruppen levererar då själv strömmen genom motståndet. Orion Jr. 2-lösningen som beskrivs nedan stöder denna drift så länge BMS fortfarande strömförsörjs i läget CHARGE. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

En liten avledningsström minskar bara strömmen in i en grupp marginellt vid laddning med hög ström. Laddningen måste fortfarande sänkas eller stoppas när en grupp når sin gräns. Balanseringen kompletterar därför laddstyrningen i stället för att ersätta den.

Kretsen är relativt enkel och kan korrigera gradvis laddningsdrift mellan grupper med väl matchade kapaciteter. Analog Devices — Maximize the Run Time in Automotive Battery Stacks Even as Cells Age Nackdelen är att den borttagna energin blir värme. Passiv balansering saknar också en överföringsväg för att försörja en lågt laddad grupp från de övriga under urladdning. Analog Devices — Passive Battery Cell Balancing

Balanseringsström och tid

En användbar utgångspunkt är den laddningsmängd som måste tas bort, mätt i amperetimmar (Ah):

Balanseringstid (h) = laddningsskillnad (Ah) ÷ genomsnittlig balanseringsström (A)

För två i övrigt identiska grupper på 100 Ah motsvarar en skillnad på en procentenhet i SOC 1 Ah. Att ta bort skillnaden med en kontinuerlig ström på 0,1 A tar 10 timmar. Om grenen bara arbetar under halva den förflutna tiden med samma ström blir medelströmmen 0,05 A och korrigeringen tar 20 timmar. Båda beräkningarna är förenklade och förutsätter att ingen ytterligare drift uppstår och att samma grupp fortsätter att vara målet.

NXP:s fordonsanpassade cellstyrenhet MC33775A stöder passiv balansering med upp till 300 mA per kanal. Styrningen omfattar individuella tidtagare och spänningströsklar. Den pausar balanseringen automatiskt under mätningar och avbryter den om balanseringsmotstånden överhettas. Siffran 300 mA är en komponentgräns; den installerade kretsen och programvaran bestämmer ström och drifttid i fordonet. NXP — MC33775A product short data sheet, revision 2

Den faktiska strömmen beror också på cellspänningen och resistansen i balanseringsvägen. TI:s konstruktionsguide för BQ7961x-Q1 förklarar hur motstånd väljs och hur temperaturgränser beaktas; automatläget växlar mellan udda och jämna kanaler. Texas Instruments — BQ7961x-Q1 automotive BMS design recommendations, revision B Mätpauser, termiska avbrott och kanalernas sekvensering minskar tiden som en gren kan balansera. Därför kan medelströmmen vara lägre än strömmen när grenen är på; drifttiden på 50% i exemplet med 20 timmar är ett illustrativt antagande.

Aktiv balansering

Aktiv balansering använder en kraftelektronisk krets för att flytta energi mellan grupper eller mellan en grupp och en större del av paketet. Kretsen kan tillfälligt lagra energi i en kondensator eller magnetisk komponent innan den lämnas någon annanstans. Uppbyggnaden avgör vilka grupper som kan utbyta energi. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems

En konstruktion som stöder överföring under urladdning kan försörja en grupp nära dess nedre gräns från grupper som fortfarande innehåller energi. Detta kan förlänga paketets användbara urladdning även om gruppernas kapaciteter skiljer sig åt. Under laddning kan en lämplig krets föra bort energi från en grupp som närmar sig sin övre gräns. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing

Överföringsströmmen och den tillgängliga balanseringstiden begränsar nyttan, som ADI påpekar. Analog Devices — Active Battery Cell Balancing En praktisk följd är att en överföringskrets kan leverera för lite energi för att hålla den begränsande gruppen över dess nedre gräns vid ett högt effektbehov. Omfördelning av energi förbättrar utnyttjandet av paketet; varje grupps lagringskapacitet förblir oförändrad.

Switchning och energiomvandling orsakar förluster, och extra hårdvara ökar kostnad, storlek och styrkomplexitet. Ashraf et al. — Review of Cell-Balancing Schemes for Electric Vehicle Battery Management Systems Den tekniska avvägningen är om den återvunna energin och balanseringshastigheten motiverar dessa tillägg för det avsedda paketet.

Hur spänningsvärden styr balanseringen

Skillnaden mellan högsta och lägsta uppmätta gruppspänning kallas ofta spänningsspridning eller cellspänningsdelta. Betydelsen ändras med ström, temperatur och SOC.

En grupp med högre intern resistans kan visa högre spänning under laddning och lägre under urladdning, även utan SOC-skillnad. Att ta bort laddning enbart för att gruppen har högst spänning under laddström kan förvärra obalansen. Lägre ström och stabiliserade förhållanden minskar dessa effekter och gör spänningen lättare att tolka. Texas Instruments — Battery Cell Balancing: What to Balance and How

Temperaturskillnader påverkar också spänningsförloppet. En sensoravvikelse eller ett fel i mätledningen kan ge en skenbar skillnad utan att skapa en fysisk laddningsobalans. Kapitlet battery management system förklarar hur mätfel skiljs från cellfel.

Litiumjärnfosfat (LFP) medför en särskild utmaning: Spänningen ändras bara lite över en stor del av SOC-området. Olika laddningsnivåer kan därför ge liknande spänningar. Hysteres, där spänningen beror på cellens senaste laddnings- eller urladdningshistorik, försvårar jämförelsen ytterligare. De brantare delarna av spänningskurvan ger mer information om laddningsskillnader. Analog Devices — Considerations for Fuel Gauging Lithium-Iron-Phosphate Batteries

Spänning, strömmätningar och batterimodeller bidrar till SOC-uppskattningen. Balansering förändrar fysiskt laddningen i utvalda grupper; SOC-kalibrering korrigerar BMS-uppskattningen. En ändring av den visade procentsatsen bevisar inte i sig att laddning har omfördelats.

När balansering sker och vad föraren kan dra för slutsatser

Styrstrategin avgör när balansering aktiveras och pausas. Villkoren kan omfatta gruppspänning, uppmätt skillnad mellan grupperna, temperatur och fordonets driftläge.

Toppbalansering jämnar ut grupperna nära laddningsfönstrets övre ände; bottenbalansering nära den nedre. Begreppen beskriver utjämningspunkten. Passiv och aktiv beskriver mekanismen som ändrar laddningsfördelningen. Grupper med olika kapaciteter kan vara utjämnade i ena änden och glida isär när paketet rör sig mot den andra.

En dokumenterad lösning är Orion Jr. 2, ett BMS för paket med upp till 48 V nominell spänning i lätta fordon och stationära tillämpningar. Manualen från 2018 beskriver justerbara balanseringströsklar och rekommenderar toppbalansering. Balansering i mitten eller vid botten kan kräva en extern styrenhet som anger när balanseringen ska köras. Ewert Energy Systems — Orion Jr. 2 BMS operation manual

Visade 100% markerar toppen av laddningsfönstret som presenteras för föraren, snarare än varje cells absoluta fulladdningspunkt, som förklaras i battery buffers and the operating window. Visningen avslöjar inte om de nödvändiga balanseringsvillkoren uppfylldes eller hur länge balanseringen pågick. Följ laddningsanvisningarna för det aktuella fordonet i stället för en universell rutin med fulladdning eller djupurladdning. Kapitlet battery charging förklarar de separata faktorerna bakom laddningshastigheten och dess gradvisa minskning.

Om en grupp återkommande hamnar i obalans behöver diagnosen fastställa om orsaken är laddningsdrift, minskad kapacitet, resistans, temperatur eller ett mätproblem. En avläsning av spänningsspridningen är mest användbar tillsammans med de förhållanden och den historik som gav upphov till den. Permanent kapacitetsförlust behandlas i battery degradation.