Analiza stanja ravnoteže i algoritam ravnoteže

U idealnom baterijskom paketu, sve pojedinačne ćelije imaju isti kapacitet i uvijek su na istom SoC-u, koji je također SoC baterije; Kada je SOC paketa baterija 100%, SOC svih ćelija je također 100%, što ograničava dalje punjenje. Kada je SOC paketa baterija 50%, sve pojedinačne ćelije su takođe 50% SoC Kada je baterija na 0% SoC, sve ćelije su takođe na 0% SOC, i sve one ograničavaju dalje pražnjenje. Čak i ako sve ćelije imaju isti kapacitet, ako su stvari na različitim SOC, baterija je neuravnotežena;

Baterija koja se sastoji od šest baterijskih ćelija povezanih u seriju. Svaki pravougaonik predstavlja ćeliju baterije, njegova visina predstavlja njen kapacitet, a vertikalna pozicija predstavlja njen SoC. (a) Isti kapacitet, uravnotežen, (b) isti kapacitet, neuravnotežen, (c) različiti kapaciteti, gornji balansirani i (d) različiti kapaciteti, srednje uravnoteženi. Kada je ćelija 2 na 100% SoC, to ograničava svako dalje punjenje. Dakle, baterija je na 100% SoC; Još uvijek ima više prostora za druge baterije, ali one se ne mogu dalje puniti jer će se na taj način prepuniti druga baterija. Kada je baterija na 50% SoC, raspon SoC svake ćelije je otprilike 30% do 70%. Kada je baterija #4 na 0% SoC, to ograničava svako dalje pražnjenje. Dakle, SoC baterije je 0%; Ostale baterije imaju još malo napunjenosti, ali se ne mogu isprazniti jer bi se time prekomjerno ispraznila baterija #4. Imajte na umu da dvije različite rešetke ćelija ograničavaju kapacitet baterije, sa #2 na vrhu i #4 na dnu.

U datom trenutku, stanje neravnoteže (SoI) baterije je razlika između najnapunjenije ćelije SoC i najmanje napunjene ćelije SoC u baterijskom paketu. Na primjer, ako je SoC najnapunjenije baterije 75%, a SoC najmanje napunjene baterije 70%, tada je SoI niza 5%. Za baterije sa istim SoC za pojedinačne ćelije, SoI je 0%.

Stanje ravnoteže (SoB) baterije je 100% minus SoI. Ako je SoI baterije 5%, njegov SoB je 95%. U gornjoj diskusiji, kutije su korištene za predstavljanje SoC raspona svake pojedinačne ćelije. Ako ovaj prikaz nije baš dobar, sljedeći grafikon napona baterije i nivoa SoC-a sa SoC-om baterije može jasnije prenijeti ovaj koncept.

U idealnim uslovima jednakog kapaciteta i ravnoteže, sve ćelije u serijski povezanim baterijama imaju isti kapacitet i u svakom trenutku, SoC je isti (slika {{0}}). Kada se baterija napuni ili isprazni, svi naponi ćelija ostaju konzistentni. SoC svake ćelije je isti kao i baterija (na primjer, kada je SoC baterije 50%, SoC svake ćelije je također 50%). Možda ćete shvatiti da je gornja kriva samo za OCV i NMC litijum-jonske baterije SoC-a. Sve tri baterije slijede ovu krivu. Donja kriva predstavlja SoC ćelije baterije i SoC baterije, u ovom slučaju, to je prava linija od 0% do 100% u omjeru 1:1-a. Šematski dijagram tri baterije spojene u seriju na 50% SoC odgovara vertikalnoj liniji u sredini dvije slike. Kada je baterija puna, sve ćelije su na 100% SoC; Ne postoji ograničenje punjenja za jednu baterijsku ćeliju - sve se pune u isto vrijeme. Slično, kada je baterija prazna, SoC svih ćelija je 0%; Nijedna baterija ne može ograničiti pražnjenje - sve one ograničavaju pražnjenje u isto vrijeme. Kapacitet baterije je isti kao i kapacitet svake ćelije baterije (10 sati u ovom primjeru). To znači da je dostupan cjelokupni kapacitet svake ćelije. Prema tome, stanje ravnoteže baterije je 100% (što ukazuje na potpunu ravnotežu baterije), a stanje neravnoteže je 0% (što ukazuje da nema neravnoteže).

Ako je kapacitet isti, ali je SoC na početku drugačiji (kao što je prikazano na slici {{0}}), tada jedna baterija ograničava punjenje (baterija 1 u ovom primjeru), a druga baterija ograničava pražnjenje ( baterija 3 u ovom primjeru). Stoga se kapacitet baterije smanjio. Gornja kriva pokazuje odnos između napona i napunjenosti za tri tipa litijum-jonskih baterija. Imajte na umu da je oblik krive isti. Kreću se samo ulijevo (jedinica br. 1 ima veći SoC) ili udesno (jedinica br. 3 ima niži SoC). Donja kriva je "SoC i SoC baterije" od tri ćelije (a ne 1:1 u ovom slučaju). Imajte na umu da je nagib isti jer tri ćelije imaju isti kapacitet. Oni se samo pomiču lijevo ili desno Kada je niz na 0% SoC (lijevi kraj dijagrama), ćelija #3 je prazna i pražnjenje je onemogućeno. Druge dvije baterije i dalje imaju visok napon (3,38 V za bateriju 2 i 3,6 V za bateriju 1) i napunjenost (20% SoC za bateriju 2 i 40% SoC za bateriju 1). Međutim, ovo punjenje nije dostupno jer ne može da isprazni ćeliju #3. Kada je SoC baterije 50% (vertikalna linija u sredini grafikona), SoC ćelije 1 je 70%, SoC ćelije 2 je 50%, a SoC ćelije 3 je 30%.

Kada je baterija na 100% SoC (na desnom kraju slike), ćelija #1 je puna i punjenje je onemogućeno; Napon druge dvije baterije je niži (3,87 V za bateriju 2 i 3,75 V za bateriju 3), a i dalje mogu prihvatiti više punjenja (80% SoC za bateriju 2 i 60% SoC za bateriju 3). Međutim, ovaj prostor nije dostupan jer se ne može puniti osim ako baterija br.1 nije prenapunjena. Svaka baterija radi unutar ograničenog opsega SoC-a: • SoC baterije br. 1 ograničava punjenje, u rasponu od 40% do 100%; Opseg SoC jedinice 2 je od 20% do 80%; SoC za bateriju 3, ograničeno pražnjenje, u rasponu od 0% do 60%. Delta unutar SoC raspona svih baterija je 60% u cijelom rasponu. Odnosno, samo 60% kapaciteta jedinice je dostupno za žice, a 40% je nedostupno zbog neravnoteže - ravnotežno stanje baterije je 60%, a stanje neravnoteže je 40%. Kapacitet svake ćelije baterije je 10 sati, ali kapacitet baterije je samo 6 sati (60% od 10 sati).

Kada ćelije u baterijskom paketu imaju različite kapacitete (što je zaista slučaj), baterija se može balansirati samo na SoC nivou jedne ćelije. Na drugim mjestima, baterije imaju različite nivoe SoC-a. Kada se baterija napuni ili isprazni od ove tačke, SoC baterije se razilazi. Zatim, kada se baterija vrati na prvobitni nivo SoC-a, SoC-ovi svih ćelija se ponovo sastavljaju. Na slici 3-13, gornja kriva prikazuje odnos između napona i napunjenosti tri ćelije baterije. Imajte na umu da ove krive imaju isti opći oblik. Samo će se njihova širina promijeniti. Ako je kapacitet visok (ćelija 1), kriva će biti šira; Ako je kapacitet nizak, kriva je uska (ćelija br. 3). Donja kriva predstavlja SoC tri baterije i SoC baterije. Imajte na umu da su nagibi različiti jer ove tri ćelije imaju različite kapacitete: s obzirom na struju koja teče u bateriju ili iz nje, SoC baterije niskog kapaciteta mijenja se brže od baterije velikog kapaciteta.

U ovom primjeru:

Kada je baterija na 0% SoC (lijevi kraj grafikona), ćelija #3 je prazna i ne može se isprazniti; Druge dvije ćelije i dalje imaju napunjenost (ćelija 1 je na 40% SoC, ćelija #2 je na 20% SoC), ćelija 1 je na 3,5V, ćelija 2 je na 3,38V, a razlika u SoC između ćelija #1 i #3 je 40%, što znači da je neuravnoteženo stanje baterije 40%.

Kada je baterija na 50% SoC (vertikalna linija u sredini grafikona), SoC tri baterije je 50%, tako da je napon isti na 3,65V.

SoB je 100%, SoI je 0%.

Kada je baterija na 100% SoC (desni kraj dijagrama), ćelija br. 3 je puna i ne može se puniti; Druge dvije ćelije i dalje mogu prihvatiti više napunjenosti (ćelija 1 na 60% SoC i ćelija 2 na 80% SoC), sa ćelijom 1 na 3,82 V i ćelijom 2 na 3,9 V. Razlika u SoC-u između baterija #1 i #3 je 40%, što znači da je stanje neravnoteže baterije 40%.

Kako bi izbalansirao bateriju, BMS provjerava napon baterije kako bi utvrdio koje su baterije neuravnotežene. Međutim, zbog činjenice da krivulje OCV i SoC nisu ravna linija, razlika napona između dvije baterije nije direktno proporcionalna njihovoj razlici napunjenosti. Za datu neravnotežu, razlika napona između dvije baterije povezane u seriju zavisi od više faktora: stepena neravnoteže: što je veći stepen neravnoteže, veća je razlika napona; SoC baterije: Zbog oblika OCV i SoC krive, razlika napona je izraženija na niskim i visokim nivoima SoC; Hemija baterije: Za LFP baterije, u SOC-u, bez obzira na SoI, napon baterije je skoro isti; Razlika napona postaje značajna samo kada je SoC na niskom i visokom nivou. Ovi grafikoni prikazuju razliku napona između dvije baterije i niza SoC-a, s različitim količinama neravnoteže SoC-a između njih. Na primjer, kriva od 10% se koristi kada je SoC jedne jedinice 10% veći od one druge jedinice. Za NMC jedinice, teško je otkriti neravnotežu od 1%, osim za SoC ispod 5% (Slika 3.18 (a)); Neravnoteža od 10% se lako može otkriti, osim otprilike 35% SoC-a. Za LFP jedinice, lako je otkriti neravnotežu od 1% kada je SoC ispod 10% i iznad 95% (Slika 3.18 (b)). Na drugim mjestima je gotovo neprimjetan; Kada je SoC 50%, može se otkriti samo 30% ozbiljne neravnoteže. Stoga, iako su LFP baterije vrlo pogodne za primjenu energije, pufer baterije sa LFP baterijama zapravo je nemoguće postići srednji balans. Pokušaj balansiranja baterijskog paketa u području gdje je delta napon prenizak nije samo besmislen, već će vjerovatno imati i povratnu reakciju, jer drugi faktori mogu utjecati na razliku u naponu terminala baterije više od neravnoteže.

Razlika u struji samopražnjenja je direktan uzrok neravnoteže baterije. SoC baterija sa visokim samopražnjenjem opada brže od baterija sa niskim samopražnjenjem. Kako vrijeme prolazi, nivoi SoC-a svake ćelije baterije se razlikuju i stanje neravnoteže se povećava. Iako se sve baterije samoprazne minimalnom brzinom, neke su brže od drugih, posebno na različitim temperaturama (slika {{0}} (a)). Najgori scenario se dešava kada su neke baterije na sobnoj temperaturi, dok su druge u vrućem stanju (na primer, zato što su postavljene pored punjača). Struja samopražnjenja najhladnije baterije je 0.000023C, dok je struja samopražnjenja najtoplije baterije 0,00017C,

Razlika od 0.00015 stepeni Celzijusa. Zbog ove razlike, žica će biti neuravnotežena za 11% svakog mjeseca. Kako bi kompenzirao varijaciju struje samopražnjenja između baterija, BMS dobija uravnoteženu struju iz baterije s najnižom strujom samopražnjenja. Ova struja ravnoteže je tačno jednaka razlici struje samopražnjenja između ove baterije i baterije sa najvećim samopražnjenjem. U primjeru prikazanom na slici, imajte na umu kako BMS osigurava da se svaka ćelija prazni istom strujom od 150 μ A tako što daje dodatnu struju pražnjenja ćelijama s niskom strujom samopražnjenja. Alternativno, BMS može napuniti bateriju najvećom strujom samopražnjenja kako bi kompenzirao razliku.

Algoritam za balansiranje se zasniva na balansiranju napona: samo kada je baterija na vrednosti podešavanja balansa, balansira se na osnovu očitavanja napona baterije; Na osnovu SoC-a (predviđanja): može se izbalansirati u bilo kojem trenutku, na osnovu procijenjenih nivoa SoC-a baterije