Tecniche di bilanciamento cellulare e come utilizzarle

Una cella al litio nominale è classificata solo per circa 4,2 V, ma nelle sue applicazioni come EV, elettronica portatile, laptop, power bank, ecc., Richiediamo una tensione molto più alta della sua tensione nominale. Questo è il motivo per cui i progettisti combinano più di una cella in serie per formare un pacco batteria con valori di tensione più elevati. Come sappiamo dal nostro precedente articolo sulle batterie per veicoli elettrici, quando le batterie vengono combinate in serie il valore della tensione viene sommato. Ad esempio, quando sono collegate in serie quattro celle al litio da 4,2 V, la tensione di uscita effettiva del pacco batteria risultante sarà di 16,8 V.

Ma puoi immaginare che collegare molte celle in serie sia come montare molti cavalli su un carro. Solo se tutti i cavalli corrono alla stessa velocità il carro sarà guidato con la massima efficienza. Su quattro cavalli se un cavallo corre lentamente, anche gli altri tre devono ridurre la velocità riducendo così l'efficienza e se un cavallo corre più velocemente si farebbe male a se stesso tirando il carico degli altri tre cavalli. Allo stesso modo, quando quattro celle sono collegate in serie i valori di tensione di tutte e quattro le celle dovrebbero essere uguali per ricavare il pacco batterie con la massima efficienza. Il metodo per mantenere tutte le tensioni delle celle uguali è chiamato bilanciamento delle celle. In questo articolo impareremo di più sul bilanciamento delle celle e anche brevemente su come usarli a livello di hardware e software.

Perché abbiamo bisogno del bilanciamento cellulare?

Il bilanciamento delle celle è una tecnica in cui i livelli di tensione di ogni singola cella collegata in serie per formare un pacco batteria vengono mantenuti uguali per ottenere la massima efficienza del pacco batteria. Quando celle diverse vengono combinate insieme per formare un pacco batteria, è sempre assicurato che abbiano la stessa chimica e lo stesso valore di tensione. Ma una volta che il pacco è installato e sottoposto a carica e scarica i valori di tensione delle singole celle tendono a variare per alcuni motivi di cui parleremo più avanti. Questa variazione dei livelli di tensione provoca uno sbilanciamento delle celle che porterà a uno dei seguenti problemi

Thermal Runaway

La cosa peggiore che può accadere è la fuga termica. Come sappiamo, le celle al litio sono molto sensibili al sovraccarico e allo scaricamento eccessivo. In un pacco di quattro celle se una cella è 3,5 V mentre l'altra è 3,2 V, la carica caricherà tutte le celle insieme poiché sono in serie e caricherà la cella da 3,5 V a una tensione superiore a quella consigliata poiché le altre batterie sono ancora richiedono la ricarica.

Degradazione cellulare

Quando una cella al litio viene sovraccaricata anche leggermente al di sopra del valore consigliato, l'efficienza e il ciclo di vita della cella si riducono. Ad esempio, un leggero aumento della tensione di carica da 4,2 V a 4,25 V degraderà la batteria più velocemente del 30%. Quindi, se il bilanciamento delle celle non è accurato, anche un leggero sovraccarico ridurrà la durata della batteria.

Carica incompleta del pacco

Man mano che le batterie di un pacchetto invecchiano, poche celle potrebbero essere più deboli delle celle adiacenti. Queste cellule settimanali saranno un problema enorme poiché si caricheranno e si scaricheranno più velocemente di una normale cellula sana. Durante la carica di un pacco batteria con celle in serie, il processo di carica deve essere interrotto anche se una cella raggiunge la tensione massima. In questo modo, se due celle in un pacco batteria hanno una settimana, si caricheranno più velocemente e quindi le celle rimanenti non verranno caricate al massimo come mostrato di seguito.

Uso incompleto dell'energia del pacco

Allo stesso modo, nello stesso caso in cui il pacco batteria viene scaricato, le celle più deboli si scaricheranno più velocemente di quelle sane e raggiungeranno la tensione minima più velocemente delle altre celle. Come abbiamo appreso nel nostro articolo BMS, il pacco verrà scollegato dal carico anche se una cella raggiunge la tensione minima. Ciò porta alla capacità inutilizzata dell'energia del pacco come mostrato di seguito.

Tenendo conto di tutti i possibili svantaggi di cui sopra, possiamo concludere che un bilanciamento delle celle sarebbe obbligatorio per utilizzare il pacco batteria alla sua massima efficienza. Tuttavia ci sono poche applicazioni in cui il costo iniziale dovrebbe essere molto basso e la sostituzione della batteria non è un problema in quelle applicazioni il bilanciamento delle celle potrebbe essere evitato. Ma nella maggior parte delle applicazioni, inclusi i veicoli elettrici, il bilanciamento delle celle è obbligatorio per ottenere il massimo dalla batteria.

Cosa causa lo sbilanciamento cellulare nei pacchi batteria?

Ora sappiamo perché è importante mantenere tutte le celle bilanciate in un pacco batteria. Ma per affrontare correttamente il problema dovremmo sapere perché le cellule si sbilanciano in prima persona. Come detto in precedenza, quando si forma un pacco batterie ponendo le celle in serie si fa in modo che tutte le celle abbiano gli stessi livelli di tensione. Quindi un pacco batteria nuovo avrà sempre celle bilanciate. Ma quando il pacchetto viene messo in uso, le cellule si sbilanciano per i seguenti motivi.

Squilibrio SOC

La misurazione del SOC di una cellula è complicata; quindi è molto complesso misurare il SOC di singole celle in una batteria. Una tecnica di bilanciamento delle celle ideale dovrebbe far corrispondere le celle dello stesso SOC invece degli stessi livelli di tensione (OCV). Ma poiché non è praticamente possibile che le celle siano abbinate solo in termini di tensione quando si crea un pacchetto, la variazione del SOC potrebbe portare a una variazione dell'OCV a tempo debito.

Variazione della resistenza interna

È molto difficile trovare celle della stessa resistenza interna (IR) e con l'invecchiamento della batteria anche l'IR della cella viene modificato e quindi in un pacco batteria non tutte le celle avranno lo stesso IR. Come sappiamo l'IR contribuisce all'impedenza interna della cellula che determina la corrente che scorre attraverso una cellula. Poiché l'IR viene variato, anche la corrente attraverso la cella e la sua tensione vengono variate.

Temperatura

La capacità di carica e scarica della cella dipende anche dalla temperatura circostante. In un enorme pacco batterie come nei veicoli elettrici o negli array solari, le celle sono distribuite su aree di rifiuti e potrebbe esserci una differenza di temperatura tra il pacco stesso, causando una cella di caricarsi o scaricarsi più velocemente delle celle rimanenti causando uno squilibrio.

Dalle ragioni sopra esposte è chiaro che non possiamo impedire che la cellula si sbilanci durante l'operazione. Quindi, l'unica soluzione è usare un sistema esterno che costringa le cellule a riequilibrarsi dopo che si sono sbilanciate. Questo sistema è chiamato Battery Balancing System. Esistono molti tipi diversi di tecniche hardware e software utilizzate per il bilanciamento delle celle della batteria. Discutiamo i tipi e le tecniche ampiamente utilizzate.

Tipi di bilanciamento delle celle della batteria

Le tecniche di bilanciamento cellulare possono essere ampiamente classificate nelle seguenti quattro categorie elencate di seguito. Discuteremo di ogni categoria.

Bilanciamento cellulare passivo
Bilanciamento cellulare attivo
Bilanciamento cellulare senza perdita
Redox Shuttle

1. Bilanciamento cellulare passivo

Il metodo di bilanciamento cellulare passivo è il metodo più semplice di tutti. Può essere utilizzato in luoghi in cui il costo e le dimensioni sono i principali vincoli. I seguenti sono i due tipi di bilanciamento cellulare passivo.

Carica di manovra

In questo metodo un carico fittizio come un resistore viene utilizzato per scaricare la tensione in eccesso e equalizzarla con altre celle. Questi resistori sono chiamati resistori di bypass o resistori di sanguinamento. Ogni cella collegata in serie in un pacchetto avrà la propria resistenza di bypass collegata tramite un interruttore come mostrato di seguito.

Il circuito di esempio sopra mostra quattro celle ciascuna delle quali è collegata a due resistori di bypass tramite un interruttore come MOSFET. Il controller misura la tensione di tutte e quattro le celle e accende il mosfet per la cella la cui tensione è maggiore delle altre celle. Quando il mosfet è attivato, quella particolare cella inizia a scaricarsi attraverso le resistenze. Poiché conosciamo il valore dei resistori, possiamo prevedere la quantità di carica dissipata dalla cella. Il condensatore collegato in parallelo alla cella viene utilizzato per filtrare i picchi di tensione durante la commutazione.

Questo metodo non è molto efficiente perché l'energia elettrica viene dissipata come calore nei resistori e il circuito tiene conto anche delle perdite di commutazione. Un altro svantaggio è che l'intera corrente di scarica scorre attraverso il mosfet che è per lo più incorporato nel controller IC e quindi la corrente di scarica deve essere limitata a valori bassi che aumentano il tempo di scarica. Un modo per superare l'inconveniente è utilizzare un interruttore esterno per aumentare la corrente di scarica come mostrato di seguito

Il MOSFET a canale P interno verrà attivato dal controller che provoca la scarica della cella (I-bias) attraverso i resistori R1 e R2. Il valore di R2 è selezionato in modo tale che la caduta di tensione che si verifica attraverso di esso a causa del flusso di corrente di scarica (I-bias) sia sufficiente per attivare il secondo MOSFET a canale N. Questa tensione è chiamata tensione gate source (Vgs) e la corrente richiesta per polarizzare il MOSFET è chiamata corrente di polarizzazione (I-bias).

Una volta che il MOSFET a canale N è acceso, la corrente ora scorre attraverso il resistore di bilanciamento R-Bal . Il valore di questo resistore può essere basso consentendo il passaggio di più corrente attraverso di esso e quindi scaricando la batteria più velocemente. Questa corrente è chiamata corrente di drenaggio (I-drain). In questo circuito la corrente di scarica totale è la somma della corrente di drain e della corrente di polarizzazione. Quando il MOSFET a canale P viene spento dal controller la corrente di polarizzazione è zero e quindi anche la tensione Vgs diventa zero. Questo spegne il MOSFET a canale N lasciando la batteria per tornare all'ideale.

CI di bilanciamento cellulare passivo

Anche se la tecnica di bilanciamento passivo non è efficiente, è più comunemente utilizzata a causa di questa semplicità e basso costo. Invece di progettare l'hardware è possibile utilizzare anche pochi circuiti integrati prontamente disponibili come LTC6804 e BQ77PL900 di rinomati produttori rispettivamente come Linear e Texas Instruments. Questi circuiti integrati possono essere collegati in cascata per monitorare più celle e risparmiare tempo e costi di sviluppo.

Limitazione della carica

Il metodo di limitazione della carica è il metodo più inefficiente di tutti. Qui si considera solo la sicurezza e la durata della batteria rinunciando all'efficienza. In questo metodo le tensioni delle singole celle vengono monitorate continuamente.

Durante il processo di carica, anche se una cella raggiunge la piena tensione di carica, la carica viene interrotta lasciando le altre celle a metà. Allo stesso modo durante la scarica anche se una cella raggiunge la tensione di interruzione minima il pacco batterie viene scollegato dal carico fino a quando il pacco non si ricarica nuovamente.

Sebbene questo metodo sia inefficiente, riduce i requisiti di costo e dimensioni. Quindi viene utilizzato in un'applicazione in cui le batterie potrebbero essere spesso caricate.

2. Bilanciamento cellulare attivo

Nel bilanciamento delle celle passive la carica in eccesso non è stata utilizzata, quindi è ritenuta inefficiente. Mentre nel bilanciamento attivo la carica in eccesso forma una cella viene trasferita ad un'altra cella di bassa carica per equalizzarle. Ciò si ottiene utilizzando elementi di immagazzinamento della carica come condensatori e induttori. Ci sono molti metodi per eseguire il bilanciamento delle cellule attive, parliamo di quelli comunemente usati.

Navette di carica (condensatori volanti)

Questo metodo utilizza condensatori per trasferire la carica dalla cella ad alta tensione alla cella a bassa tensione. Il condensatore è collegato tramite interruttori SPDT inizialmente l'interruttore collega il condensatore alla cella ad alta tensione e una volta caricato il condensatore, l'interruttore lo collega alla cella a bassa tensione dove la carica dal condensatore fluisce nella cella. Poiché la carica sta effettuando la navetta tra le celle, questo metodo viene chiamato navette di carica. La figura seguente dovrebbe aiutarti a capire meglio.

Questi condensatori sono chiamati condensatori volanti poiché volano tra le celle a bassa e ad alta tensione che trasportano i caricatori. Lo svantaggio di questo metodo è che la carica può essere trasferita solo tra celle adiacenti. Inoltre ci vuole più tempo poiché il condensatore deve essere caricato e poi scaricato per trasferire le cariche. È anche molto meno efficiente poiché ci sarà una perdita di energia durante la carica e la scarica del condensatore e anche le perdite di commutazione devono essere considerate. L'immagine sotto mostra come il condensatore volante sarà collegato in un pacco batteria

Convertitore induttivo (metodo Buck Boost)

Un altro metodo di bilanciamento delle celle attive consiste nell'utilizzare induttori e circuiti di commutazione. In questo metodo il circuito di commutazione è costituito da un convertitore buck boost . La carica dalla cella ad alta tensione viene pompata nell'induttore e quindi scaricata nella cella a bassa tensione utilizzando il convertitore buck boost. La figura seguente rappresenta un convertitore induttivo con solo due celle e un singolo convertitore buck boost.

Nel circuito di cui sopra la carica può essere trasferita dalla cella 1 alla cella 2 commutando i MOSFET sw1 e sw2 nel modo seguente. Per prima cosa l'interruttore SW1 è chiuso, questo farà fluire la carica dalla cella 1 nell'induttore con la corrente I. Una volta che l'induttore è completamente carico, l'interruttore SW1 viene aperto e l'interruttore sw2 viene chiuso.

Ora, l'induttore che è completamente carico invertirà la sua polarità e inizierà a scaricarsi. Questa volta la carica dall'induttore fluisce nella cella2 con corrente I-scarica. Una volta che l'induttore è completamente scarico, l'interruttore sw2 viene aperto e l'interruttore sw1 viene chiuso per ripetere il processo. Le forme d'onda sottostanti ti aiuteranno a ottenere un'immagine chiara.

Durante il tempo t0 l'interruttore sw1 è chiuso (acceso), il che fa aumentare la corrente che carico e la tensione attraverso l'induttore (VL) ad aumentare. Quindi, una volta che l'induttore è completamente carico all'istante t1, l'interruttore sw1 viene aperto (spento) che fa sì che l'induttore scarichi la carica che ha accumulato nella fase precedente. Quando un induttore si scarica cambia la sua polarità quindi la tensione VL viene mostrata in negativo. Durante la scarica la corrente di scarica (scarica I) diminuisce dal suo valore massimo. Tutta questa corrente entra nella cella 2 per caricarla. È consentito un piccolo intervallo dal tempo t2 al tempo t3 e poi a t3 l'intero ciclo si ripete di nuovo.

Questo metodo soffre anche di un importante svantaggio che la carica potrebbe essere trasferita solo da una cella superiore a una cella inferiore. Dovrebbe essere considerata anche la perdita nella commutazione e la caduta di tensione del diodo. Ma è più veloce ed efficiente del metodo del condensatore.

Convertitore induttivo (basato su fly back)

Come abbiamo discusso, il metodo del convertitore buck boost potrebbe trasferire solo le cariche dalla cella superiore a quella inferiore. Questo problema può essere evitato utilizzando un convertitore Fly back e un trasformatore. In un convertitore di tipo flyback il lato primario dell'avvolgimento è collegato al pacco batteria e il lato secondario è collegato a ogni singola cella del pacco batteria come mostrato di seguito

Come sappiamo, la batteria funziona con CC e il trasformatore non avrà alcun effetto fino a quando la tensione non verrà cambiata. Quindi per iniziare il processo di carica l'interruttore sul lato della bobina primaria Sp è acceso. Questo converte la CC in CC pulsata e il lato primario del trasformatore viene attivato.

Ora sul lato secondario ogni cella ha il proprio interruttore e la bobina secondaria. Commutando il mosfet della cella a bassa tensione possiamo fare in modo che quella particolare bobina funga da secondario per il trasformatore. In questo modo la carica della bobina primaria viene trasferita alla bobina secondaria. Ciò fa sì che la tensione complessiva del pacco batteria si scarichi nella cella debole.

Il più grande vantaggio di questo metodo è che qualsiasi cella debole nel pacco può essere facilmente caricata dalla tensione del pacco e non una cella particolare è scarica. Ma poiché in coinvolge un trasformatore, occupa un ampio spazio e la complessità del circuito è elevata.

3. Bilanciamento senza perdite

Il bilanciamento senza perdite è un metodo sviluppato di recente che riduce le perdite riducendo i componenti hardware e fornendo un maggiore controllo del software. Ciò rende anche il sistema più semplice e più facile da progettare. Questo metodo utilizza un circuito di commutazione a matrice che fornisce la capacità di aggiungere o rimuovere una cella da un pacco durante la carica e la scarica. Di seguito è mostrato un semplice circuito di commutazione a matrice per otto celle.

Durante il processo di carica, la cella ad alta tensione verrà rimossa dal pacco utilizzando i dispositivi di commutazione. Nella figura sopra la cella 5 viene rimossa dal pacco utilizzando gli interruttori. Considera i cerchi della linea rossa come interruttori aperti e il cerchio della linea blu come interruttori chiusi. Così il tempo di riposo delle celle più deboli viene aumentato durante il processo di carica in modo da bilanciarle durante la carica. Ma la tensione di carica deve essere regolata di conseguenza. La stessa tecnica può essere seguita anche durante la scarica.

4. Redox Shuttle

Il metodo finale non è per i progettisti di hardware ma per gli ingegneri chimici. Nelle batterie al piombo non abbiamo il problema del bilanciamento delle celle perché quando una batteria al piombo viene sovraccaricata provoca gasazioni che ne impediscono il sovraccarico. L'idea alla base della navetta Redox è cercare di ottenere lo stesso effetto sulle celle al litio alterando la chimica dell'elettrolita della cella al litio. Questo elettrolita modificato dovrebbe impedire il sovraccarico della cella.

Algoritmi di bilanciamento delle cellule

Una tecnica di bilanciamento cellulare efficace dovrebbe combinare l'hardware con un algoritmo appropriato. Esistono molti algoritmi per il bilanciamento delle celle e dipende dal design dell'hardware. Ma i tipi possono essere ridotti a due diverse sezioni.

Misurazione della tensione a circuito aperto (OCV)

Questo è il metodo facile e più comunemente seguito. Qui vengono misurate le tensioni delle celle aperte per ciascuna cella e il circuito di bilanciamento delle celle funziona per equalizzare i valori di tensione di tutte le celle collegate in serie. È semplice misurare OCV (tensione a circuito aperto) e quindi la complessità di questo algoritmo è inferiore.

Misurazione dello stato di carica (SOC)

In questo metodo il SOC delle cellule è bilanciato. Come già sappiamo, misurare il SOC di una cella è un compito complesso poiché dobbiamo tenere conto del valore di tensione e corrente della cella in un periodo di tempo per calcolare il valore di SOC. Questo algoritmo è complesso e utilizzato in luoghi in cui è richiesta alta efficienza e sicurezza come nelle industrie aerospaziali e spaziali.

Questo conclude l'articolo qui. Spero che ora tu abbia una breve idea di cosa sia il bilanciamento delle celle come viene implementato a livello di hardware e software. Se hai idee o tecniche, condividile nella sezione commenti o usa i forum per ottenere assistenza tecnica.