Tècniques d'equilibri cel·lular i com utilitzar-les

Una cèl·lula nominal de liti té una capacitat d’uns 4,2 V només, però en les seves aplicacions com EV, electrònica portàtil, ordinadors portàtils, bancs de potència, etc., necessitem una tensió molt superior a la seva tensió nominal. Aquesta és la raó per la qual els dissenyadors combinen més d’una cèl·lula en sèrie per formar un paquet de bateries amb valors de tensió més alts. Com sabem per l’article anterior sobre bateries de vehicles elèctrics, quan les bateries es combinen en sèrie, s’afegeix el valor de la tensió. Per exemple, quan es connecten quatre cèl·lules de liti de 4,2 V en sèrie, la tensió de sortida efectiva del paquet de bateries resultant serà de 16,8 V.

Però us podeu imaginar que connectar moltes cel·les en sèrie és com muntar molts cavalls a un carro. Només si tots els cavalls corren a la mateixa velocitat, el carro serà conduït amb la màxima eficiència. De cada quatre cavalls si un cavall corre lentament, els altres tres també han de reduir la seva velocitat, reduint així l’eficiència i, si un cavall corre més ràpid, acabaria fent-se mal tirant la càrrega dels altres tres cavalls. De la mateixa manera, quan es connecten quatre cel·les en sèrie, els valors de tensió de les quatre cel·les haurien de ser iguals per obtenir el paquet de bateries amb la màxima eficiència. El mètode per mantenir iguals totes les tensions de les cel·les s’anomena equilibri de les cel·les. En aquest article, aprendrem més sobre l’equilibri cel·lular i també breument sobre com utilitzar-los a nivell de maquinari i programari.

Per què necessitem l'equilibri cel·lular?

L’equilibri cel·lular és una tècnica en què els nivells de voltatge de cada cel·la connectada en sèrie per formar un paquet de bateries es mantenen iguals per aconseguir la màxima eficiència del paquet de bateries. Quan es combinen diferents cèl·lules per formar un paquet de bateries, sempre s’assegura que tinguin el mateix valor químic i de voltatge. Però un cop instal·lat el paquet i sotmès a càrrega i descàrrega, els valors de tensió de les cel·les individuals tendeixen a variar a causa d'alguns motius que parlarem més endavant. Aquesta variació dels nivells de tensió provoca un desequilibri cel·lular que comportarà un dels problemes següents

Fugida tèrmica

El pitjor que pot passar és la fugida tèrmica. Com sabem, les cèl·lules de liti són molt sensibles a la sobrecàrrega i la sobrecàrrega. En un paquet de quatre cel·les, si una cel·la és de 3,5 V mentre que l’altra és de 3,2 V, la càrrega carregarà totes les cel·les juntes, ja que estan en sèrie i carregarà la cel·la de 3,5 V a una tensió superior a la recomanada, ja que les altres bateries encara són requereixen càrrega.

Degradació cel·lular

Quan una cèl·lula de liti està sobrecarregada fins i tot lleugerament per sobre del seu valor recomanat, l’eficiència i el cicle de vida de la cèl·lula es redueixen. Per exemple, un lleuger augment del voltatge de càrrega de 4,2 V a 4,25 V degradarà la bateria més ràpidament un 30%. Per tant, si l’equilibri cel·lular no és precís, fins i tot una lleugera sobrecàrrega reduirà la durada de la bateria.

Càrrega incompleta del paquet

A mesura que les bateries d’un paquet envelleixen, poques cèl·lules poden ser més dèbils que les cèl·lules veïnes. Aquestes cèl·lules de la setmana seran un problema enorme, ja que es carregaran i descarregaran més ràpidament que una cèl·lula sana normal. Mentre es carrega un paquet de bateries amb cèl·lules de la sèrie, el procés de càrrega s’ha d’aturar fins i tot si una cèl·lula arriba al voltatge màxim. D'aquesta manera, si dues cèl·lules d'un paquet de bateries reben una setmana, es carregaran més ràpidament i, per tant, les cèl·lules restants no es carregaran al màxim, tal com es mostra a continuació.

Ús incomplet de l'energia del paquet

De la mateixa manera, en el mateix cas quan es descarrega el paquet de bateries, les cel·les més febles es descarregaran més ràpidament que les cel·les sanes i assoliran el voltatge mínim més ràpid que les altres cel·les. Tal com hem après al nostre article BMS, el paquet es desconnectarà de la càrrega fins i tot si una cel·la arriba al voltatge mínim. Això condueix a la capacitat inutilitzada de l'energia del paquet, tal com es mostra a continuació.

Tenint en compte tots els possibles desavantatges anteriors, podem concloure que un equilibri de cèl·lules seria obligatori per utilitzar la bateria amb la màxima eficiència. Tot i així, hi ha poques aplicacions en què el cost inicial hauria de ser molt baix i la substitució de la bateria no és un problema en aquestes aplicacions, es podria evitar l'equilibri de les cel·les. Però en la majoria d’aplicacions, inclosos els vehicles elèctrics, l’equilibri de les cel·les és obligatori per obtenir el màxim suc de la bateria.

Què provoca el desequilibri cel·lular a les bateries?

Ara sabem per què és important mantenir totes les cel·les equilibrades en una bateria. Però per abordar el problema correctament hauríem de saber per què les cèl·lules es desequilibren de primera mà. Com s’ha dit anteriorment, quan es forma un paquet de bateries col·locant les cel·les en sèrie, s’assegura que totes les cel·les tinguin els mateixos nivells de voltatge. Per tant, una bateria nova sempre tindrà cèl·lules equilibrades. Però a mesura que es fa servir el paquet, les cel·les es desequilibren a causa dels motius següents.

Desequilibri SOC

Mesurar el SOC d’una cèl·lula és complicat; per tant, és molt complex mesurar el SOC de cèl·lules individuals en una bateria. Una tècnica d’equilibri de cèl·lules ideal hauria de coincidir amb les cèl·lules del mateix SOC en lloc del mateix voltatge (OCV). Però com que pràcticament no és possible que les cèl·lules es facin coincidir només en termes de tensió quan es fabriqui un paquet, la variació del SOC pot conduir a un canvi de OCV en el seu moment.

Variació de resistència interna

És molt difícil trobar cèl·lules de la mateixa resistència interna (IR) i, a mesura que la bateria envelleix, les IR també canvien i, per tant, en un paquet de bateries no totes les cèl·lules tindran el mateix IR. Com sabem, el IR contribueix a la impedància interna de la cèl·lula que determina el corrent que circula per una cèl·lula. Com que l'IR varia, el corrent a través de la cel·la i el seu voltatge també varien.

Temperatura

La capacitat de càrrega i descàrrega de la cel·la també depèn de la temperatura que l’envolta. En un enorme paquet de bateries, com en els vehicles elèctrics o en matrius solars, les cèl·lules es distribueixen per zones residuals i pot haver-hi diferències de temperatura entre el propi paquet provocant que una cèl·lula es carregui o descarregui més ràpidament que les cèl·lules restants provocant un desequilibri.

Per les raons anteriors és evident que no podem evitar que les cèl·lules es desequilibrin durant l'operació. Per tant, l’única solució és utilitzar un sistema extern que obligui les cèl·lules a equilibrar-se de nou després de desequilibrar-se. Aquest sistema s’anomena Sistema d’equilibri de la bateria. Hi ha molts tipus diferents de tècniques de maquinari i programari que s’utilitzen per a l’equilibri de les cel·les de la bateria. Anem a discutir els tipus i les tècniques àmpliament utilitzades.

Tipus d’equilibri de cèl·lules de bateria

Les tècniques d'equilibri de cèl·lules es poden classificar a grans trets en les quatre categories següents que es detallen a continuació. Debatrem sobre cada categoria.

1. Equilibri de cèl·lules passives
2. Equilibri cel·lular actiu
3. Equilibri cel·lular sense pèrdues
4. Redox Shuttle

1. Equilibri de cèl·lules passives

El mètode d’equilibri de cèl·lules passives és el mètode més senzill de tots. Es pot utilitzar en llocs on el cost i la mida són limitacions importants. A continuació es detallen els dos tipus d’equilibri de cèl·lules passives.

Desplaçament de càrrega

En aquest mètode s'utilitza una càrrega fictícia com una resistència per descarregar l'excés de tensió i igualar-la amb altres cel·les. Aquestes resistències s’anomenen resistències de derivació o resistències de sagnat. Cada cel·la connectada en sèrie en un paquet tindrà la seva pròpia resistència de derivació connectada mitjançant un commutador, tal com es mostra a continuació.

El circuit de mostra anterior mostra quatre cel·les cadascuna de les quals està connectada a dues resistències de derivació mitjançant un commutador com MOSFET. Els controladors mesuren el voltatge de les quatre cel·les i activen el mosfet per a la cel·la el voltatge de la qual és superior a les altres cel·les. Quan s’activa el mosfet, aquesta cèl·lula en particular comença a descarregar-se a través de les resistències. Com que sabem el valor de les resistències, podem predir quanta càrrega està dissipant la cèl·lula. El condensador connectat en paral·lel amb la cel·la s’utilitza per filtrar els pics de tensió durant la commutació.

Aquest mètode no és molt eficient perquè l'energia elèctrica es dissipa a mesura que es produeix calor a les resistències i el circuit també explica pèrdues de commutació. Un altre inconvenient és que tot el corrent de descàrrega flueix a través del mosfet, que majoritàriament s’incorpora al controlador IC i, per tant, el corrent de descàrrega s’ha de limitar a valors baixos que augmenten el temps de descàrrega. Una manera de superar l'inconvenient és utilitzar un commutador extern per augmentar el corrent de descàrrega, tal com es mostra a continuació

El MOSFET intern del canal P serà activat pel controlador que fa que la cèl·lula es descarregui (I-bias) a través de les resistències R1 i R2. El valor de R2 es selecciona de manera que la caiguda de tensió que es produeix a través d’ell a causa del flux de corrent de descàrrega (I-bias) sigui suficient per activar el segon MOSFET de canal N. Aquesta tensió s’anomena tensió de la font d’entrada (Vgs) i el corrent necessari per polaritzar el MOSFET s’anomena corrent de polarització (I-bias).

Un cop activat el MOSFET de canal N, el corrent passa ara per la resistència d’equilibri R-Bal . El valor d'aquesta resistència pot ser baix permetent passar més corrent i descarregant així la bateria més ràpidament. Aquest corrent s’anomena corrent de drenatge (I-drain). En aquest circuit, el corrent de descàrrega total és la suma del corrent de drenatge i del corrent de polarització. Quan el controlador apaga el MOSFET del canal P, el corrent de polarització és zero i, per tant, la tensió Vgs també és zero. Això apaga el MOSFET del canal N deixant la bateria per tornar a ser ideal.

CI d'equilibri passiu de cèl·lules

Tot i que la tècnica d’equilibri passiu no és eficient, s’utilitza més habitualment per aquesta simplicitat i baix cost. En lloc de dissenyar el maquinari, també podeu fer servir poques IC de fàcil accés, com ara LTC6804 i BQ77PL900, de fabricants de renom com instruments lineals i Texas, respectivament. Aquests circuits integrats es poden connectar en cascada per controlar diverses cel·les i estalvien temps i costos de desenvolupament.

Limitació de càrrega

El mètode de limitació de càrrega és el mètode més ineficient de tots. Aquí només es té en compte la seguretat i el temps de vida de la bateria mentre es renuncia a l’eficiència. En aquest mètode, les tensions de les cèl·lules individuals es controlen contínuament.

Durant el procés de càrrega, fins i tot si una cel·la arriba al voltatge de càrrega total, la càrrega s’atura i deixa les altres cel·les a la meitat del camí. De la mateixa manera, durant la descàrrega, fins i tot si una cel·la arriba al voltatge de tall mínim, el paquet de bateries es desconnecta de la càrrega fins que el paquet es torna a carregar.

Tot i que aquest mètode és ineficient, redueix els requisits de cost i mida. Per tant, s’utilitza en una aplicació on les bateries sovint es poden carregar.

2. Equilibri cel·lular actiu

En l'equilibri de cèl·lules passives no es va fer servir l'excés de càrrega, per tant es considera ineficient. Mentre que en l'equilibri actiu de l'excés de càrrega es transfereix una cel·la a una altra cel·la de baixa càrrega per igualar-les. Això s’aconsegueix utilitzant elements d’emmagatzematge de càrrega com ara condensadors i inductors. Hi ha molts mètodes per realitzar un equilibri de cèl·lules actiu que permet discutir sobre els més utilitzats.

Transbordadors de càrrega (condensadors voladors)

Aquest mètode utilitza condensadors per transferir càrrega de cel·la d’alta tensió a cel·la de baixa tensió. El condensador es connecta mitjançant commutadors SPDT inicialment, el commutador connecta el condensador a la cel·la d’alta tensió i un cop carregat el condensador, el commutador el connecta a la cel·la de baixa tensió on la càrrega del condensador flueix a la cel·la. Com que la càrrega es desplaça entre les cel·les, aquest mètode es coneix com a llançadores de càrrega. La figura següent us ajudarà a entendre millor.

Aquests condensadors s’anomenen condensadors voladors ja que es mouen entre les cel·les de baixa tensió i alta tensió que porten carregadors. L’inconvenient d’aquest mètode és que la càrrega només es pot transferir entre cel·les adjacents. També es necessita més temps perquè el condensador s’ha de carregar i descarregar per transferir les càrregues. També és molt menys eficient, ja que hi haurà pèrdues d’energia durant la càrrega i descàrrega del condensador i també s’hauran de tenir en compte les pèrdues de commutació. La imatge següent mostra com es connectarà el condensador de vol en una bateria

Convertidor inductiu (mètode Buck Boost)

Un altre mètode d’equilibri actiu de les cèl·lules és l’ús d’inductors i circuits de commutació. En aquest mètode, el circuit de commutació consisteix en un convertidor de buck boost . La càrrega de la cèl·lula d’alta tensió es bomba a l’inductor i després es descarrega a la cèl·lula de baixa tensió mitjançant l’ús del convertidor d’augment de pes. La figura següent representa un convertidor inductiu amb només dues cel·les i un convertidor d’augment de dòlar únic.

Al circuit anterior es pot transferir la càrrega de la cel·la 1 a la cel·la 2 canviant els MOSFETS sw1 i sw2 de la següent manera. Primer es tanca l'interruptor SW1, la qual cosa farà que la càrrega de la cel·la 1 flueixi cap a l'inductor amb la càrrega I actual. Un cop l’inductor està completament carregat, l’interruptor SW1 s’obre i l’interruptor sw2 es tanca.

Ara, l’inductor completament carregat invertirà la polaritat i començarà a descarregar-se. Aquesta vegada, la càrrega de l’inductor flueix cap a la cèl·lula2 amb la corrent descàrrega I. Un cop l’inductor està completament descarregat, l’interruptor sw2 s’obre i l’interruptor sw1 es tanca per repetir el procés. Les formes d’ona següents us ajudaran a obtenir una imatge clara.

Durant el temps t0, l'interruptor sw1 està tancat (engegat), cosa que fa que augmenti la càrrega de corrent I i augmenti la tensió a través de l'inductor (VL). Després, una vegada que l’inductor està completament carregat en el moment t1, l’interruptor sw1 s’obre (apaga), cosa que fa que l’inductor descarregui la càrrega que va acumular en el pas anterior. Quan un inductor es descarrega, canvia la seva polaritat, de manera que el voltatge VL es mostra en negatiu. En descarregar el corrent de descàrrega (descàrrega I) disminueix del seu valor màxim. Tot aquest corrent entra a la cel·la 2 per carregar-lo. Es permet un petit interval des del temps t2 fins a t3 i després a t3 es repeteix tot el cicle.

Aquest mètode també té un desavantatge important: la càrrega només es pot transferir de cel·la superior a cel·la inferior. També s’ha de tenir en compte la pèrdua de commutació i caiguda de tensió del díode. Però és més ràpid i eficaç que el mètode del condensador.

Convertidor inductiu (basat en Fly Back)

Com hem comentat, el mètode del convertidor d’augment de dòlar només podria transferir càrregues de la cel·la superior a la cel·la inferior. Aquest problema es pot evitar utilitzant un convertidor Fly back i un transformador. En un convertidor de tipus flyback, el costat principal del bobinatge està connectat al paquet de bateries i el costat secundari està connectat a cada cel·la individual del paquet de bateries, tal com es mostra a continuació.

Com sabem, la bateria funciona amb corrent continu i el transformador no tindrà cap efecte fins que es commuti el voltatge. Per començar el procés de càrrega, es commuta l’interruptor del costat principal de la bobina Sp. Això converteix CC a CC pulsat i s’activa el costat principal del transformador.

Ara, al costat secundari, cada cel·la té el seu propi interruptor i la bobina secundària. En canviar el mosfet de la cel·la de baixa tensió, podem fer que aquesta bobina actuï com a secundària del transformador. D'aquesta manera, la càrrega de la bobina primària es transfereix a la bobina secundària. Això fa que el voltatge global de la bateria es descarregui a la cel·la feble.

L'avantatge més gran d'aquest mètode és que qualsevol cel·la feble del paquet es pot carregar fàcilment a partir del voltatge del paquet i no una cel·la particular és la descàrrega. Però com que implica un transformador, ocupa un gran espai i la complexitat del circuit és elevada.

3. Equilibri sense pèrdues

L’equilibri sense pèrdues és un mètode desenvolupat recentment que redueix les pèrdues reduint els components de maquinari i proporcionant més control de programari. Això també fa que el sistema sigui més senzill i més fàcil de dissenyar. Aquest mètode utilitza un circuit de commutació de matriu que proporciona la possibilitat d’afegir o eliminar una cèl·lula d’un paquet durant la càrrega i descàrrega. A continuació es mostra un circuit senzill de commutació de matriu per a vuit cel·les.

Durant el procés de càrrega, la cel·la d'alta tensió es traurà del paquet mitjançant els dispositius de commutació. A la figura anterior, la cel·la 5 s’elimina del paquet mitjançant els commutadors. Considereu que els cercles de línia vermella són interruptors oberts i el cercle de línia blava com a interruptors tancats. Així, el temps de repòs de les cèl·lules més febles s’incrementa durant el procés de càrrega per tal d’equilibrar-les durant la càrrega. Però la tensió de càrrega s’ha d’ajustar en conseqüència. També es pot seguir la mateixa tècnica durant la descàrrega.

4. Redox Shuttle

El mètode final no és per als dissenyadors de maquinari, sinó per als enginyers químics. A la bateria de plom àcid no tenim el problema de l’equilibri de les cèl·lules perquè quan una bateria de plom àcid està sobrecarregada provoca gasificació que impedeix que es carregui massa. La idea darrere del transbordador Redox és intentar aconseguir el mateix efecte sobre les cèl·lules de liti alterant la química de l’electròlit de la cèl·lula de liti. Aquest electròlit modificat hauria d’evitar que la cel·la es sobrecarregués.

Algorismes d'equilibri cel·lular

Una tècnica d’equilibri cel·lular eficaç hauria de combinar el maquinari amb un algorisme adequat. Hi ha molts algorismes per a l'equilibri de cel·les i depèn del disseny del maquinari. Però els tipus es poden reduir en dues seccions diferents.

Mesura de la tensió del circuit obert (OCV)

Aquest és el mètode més fàcil i seguit. Aquí es mesuren les tensions de les cel·les obertes per a cada cel·la i el circuit d’equilibri de les cel·les funciona per igualar els valors de tensió de totes les cel·les connectades en sèrie. És senzill mesurar OCV (voltatge de circuit obert) i, per tant, la complexitat d’aquest algorisme és menor.

Mesurament de l'estat de càrrega (SOC)

En aquest mètode el SOC de les cèl·lules s’equilibra. Com ja sabem, mesurar el SOC d'una cel·la és una tasca complexa, ja que hem de tenir en compte el valor de corrent i tensió de la cel·la durant un període de temps per calcular el valor de SOC. Aquest algorisme és complex i s'utilitza en llocs on es requereix una alta eficiència i seguretat, com en les indústries aeroespacials i espacials.

Això conclou l'article aquí. Espero que ara tingueu una breu idea de com és l’equilibri cel·lular com s’implementa a nivell de maquinari i programari. Si teniu alguna idea o tècnica, compartiu-les a la secció de comentaris o utilitzeu els fòrums per obtenir ajuda tècnica.