Аналіз стану рівноваги та алгоритм рівноваги

В ідеальній акумуляторній батареї всі окремі елементи мають однакову ємність і завжди знаходяться на одному SoC, який також є SoC акумуляторної батареї; Коли SOC акумуляторної батареї становить 100%, SOC усіх елементів також становить 100%, що обмежує подальше заряджання. Коли SOC акумуляторної батареї становить 50%, усі окремі елементи також 50% SoC Коли акумуляторна батарея має 0% SoC, усі елементи також мають 0% SOC, і всі вони обмежують подальший розряд. Навіть якщо всі елементи мають однакову ємність, якщо речі знаходяться на різних SOC, акумуляторна батарея незбалансована;

Акумуляторна батарея, що складається з шести елементів батареї, з’єднаних послідовно. Кожен прямокутник позначає осередок батареї, його висота — його ємність, а його вертикальне положення — його SoC. (a) однакова ємність, збалансована, (b) однакова ємність, незбалансована, (c) різна ємність, верхня збалансована, (d) різна ємність, середньо збалансована. Коли комірка 2 має 100% SoC, це обмежує будь-яке подальше заряджання. Таким чином, акумуляторна батарея має 100% SoC; Є ще більше місця для інших акумуляторів, але їх не можна додатково заряджати, оскільки це призведе до надмірного заряду другого акумулятора. Коли акумуляторна батарея має 50% SoC, діапазон SoC кожного елемента становить приблизно від 30% до 70%. Коли акумулятор № 4 має 0% SoC, це обмежує будь-який подальший розряд. Таким чином, SoC акумуляторної батареї становить 0%; Інші батареї все ще мають заряд, але їх не можна розрядити, оскільки це призведе до надмірного розрядження батареї № 4. Зауважте, що дві різні сітки елементів обмежують ємність акумуляторної батареї, з № 2 угорі та № 4 на дні.

У певний момент стан дисбалансу (SoI) акумуляторної батареї є різницею між найбільш зарядженим елементом SoC і найменш зарядженим елементом SoC в акумуляторному блоку. Наприклад, якщо SoC найбільш зарядженої батареї становить 75%, а SoC найменш зарядженої батареї становить 70%, тоді SoI рядка становить 5%. Для акумуляторних блоків з однаковою SoC для окремих елементів SoI становить 0%.

Рівноважний стан (SoB) акумуляторної батареї становить 100% мінус SoI. Якщо SoI акумуляторної батареї становить 5%, її SoB становить 95%. У наведеному вище обговоренні рамки використовувалися для представлення діапазону SoC кожної окремої комірки. Якщо це представлення не дуже добре, наведений нижче графік напруги батареї та рівня SoC для акумуляторної батареї SoC може більш чітко передати цю концепцію.

За ідеальних умов рівної ємності та балансу всі елементи в послідовно з’єднаній батареї мають однакову ємність, і в будь-який момент часу SoC є однаковим (Малюнок {{0}}). Коли акумуляторна батарея заряджається або розряджається, напруга всіх елементів залишається постійною. SoC кожної комірки такий самий, як і акумуляторної батареї (наприклад, коли SoC батареї становить 50%, SoC кожної комірки також становить 50%). Можливо, ви розумієте, що наведена вище крива стосується лише літій-іонних батарей OCV і NMC для SoC. Усі три елементи батареї дотримуються цієї кривої. Нижня крива представляє SoC елемента батареї та SoC акумуляторної батареї, у цьому випадку це пряма лінія від 0% до 100% у співвідношенні 1:1-a. Принципова діаграма трьох елементів батареї, з’єднаних послідовно на 50% SoC, відповідає вертикальній лінії посередині двох фігур. Коли акумуляторна батарея повна, усі елементи працюють на 100% SoC; Немає ліміту зарядки для одного елемента батареї - усі вони заряджаються одночасно. Подібним чином, коли акумуляторна батарея розряджена, SoC усіх елементів становить 0%; Жодна батарея не може обмежити розряд - усі вони обмежують розряд одночасно. Ємність акумуляторної батареї дорівнює ємності кожної батареї (у цьому прикладі 10 годин). Тобто доступна вся ємність кожної камери. Таким чином, стан рівноваги акумуляторної батареї становить 100% (що вказує на повну рівновагу батареї), а стан дисбалансу становить 0% (що вказує на відсутність дисбалансу).

Якщо ємність однакова, але SoC на початку відрізняється (як показано на малюнку {{0}}), тоді одна батарея обмежує зарядку (у цьому прикладі батарея 1), а інша батарея обмежує розряд ( акумулятор 3 у цьому прикладі). Тому ємність акумуляторної батареї зменшилася. Наведена вище крива показує залежність між напругою та зарядом для трьох типів літій-іонних батарей. Зверніть увагу, що форма кривої однакова. Вони рухаються лише ліворуч (блок № 1 має вищий SoC) або праворуч (блок № 3 має нижчий SoC). Нижня крива — це «SoC і SoC акумуляторної батареї» з трьох елементів (у цьому випадку не 1:1). Зверніть увагу, що нахил однаковий, оскільки три клітини мають однакову місткість. Вони просто рухаються вліво або вправо. Коли рядок знаходиться на 0% SoC (лівий кінець графіка), комірка № 3 порожня, а розряд вимкнено. Дві інші батареї все ще мають високу напругу (3,38 В для батареї 2 і 3,6 В для батареї 1) і заряджені (20% SoC для батареї 2 і 40% SoC для батареї 1). Однак ця зарядка недоступна, оскільки вона не може розрядити комірку № 3. Коли SoC акумуляторної батареї становить 50% (вертикальна лінія посередині графіка), SoC комірки 1 становить 70%, SoC комірки 2 становить 50%, а SoC комірки 3 становить 30%.

Коли акумуляторна батарея становить 100% SoC (у правому кінці малюнка), комірка № 1 заповнена, а заряджання вимкнено; Напруга двох інших батарей нижча (3,87 В для батареї 2 і 3,75 В для батареї 3), і вони все одно можуть приймати більше заряджання (80% SoC для батареї 2 і 60% SoC для батареї 3). Однак цей простір недоступний, оскільки його неможливо зарядити, якщо акумулятор №1 не перезаряджений. Кожна батарея працює в обмеженому діапазоні SoC: • SoC батареї № 1 обмежує зарядку в діапазоні від 40% до 100%; Діапазон SoC Блоку 2 становить від 20% до 80%; SoC для акумулятора 3, обмежений розряд, від 0% до 60%. Дельта в діапазоні SoC для всіх батарей становить 60% у всьому діапазоні. Тобто лише 60% ємності блоку доступно для струн, а 40% недоступні через дисбаланс – рівноважний стан акумуляторної батареї становить 60%, а його дисбаланс – 40%. Ємність кожного елемента батареї становить 10 годин, але ємність акумулятора становить лише 6 годин (60% від 10 годин).

Коли елементи акумуляторної батареї мають різну ємність (що дійсно має місце), акумуляторну батарею можна збалансувати лише на рівні SoC однієї клітини. В інших місцях батареї мають різні рівні SoC. Коли акумуляторна батарея заряджається або розряджається з цієї точки, SoC батареї розходиться. Потім, коли акумуляторна батарея повертається до початкового рівня SoC, SoC усіх елементів збираються знову. На малюнку 3-13 верхня крива відображає зв’язок між напругою та зарядом трьох елементів батареї. Зверніть увагу, що ці криві мають однакову загальну форму. Зміниться лише їх ширина. Якщо ємність висока (комірка 1), крива буде ширшою; Якщо ємність низька, крива вузька (комірка № 3). Нижня крива представляє SoC трьох елементів батареї та SoC акумуляторної батареї. Будь ласка, зверніть увагу, що нахили відрізняються, оскільки ці три елементи мають різну ємність: враховуючи струм, що надходить до акумуляторної батареї або виходить із неї, SoC батареї малої ємності змінюється швидше, ніж батареї великої ємності.

У цьому прикладі:

Коли акумуляторна батарея має 0% SoC (лівий кінець графіка), комірка № 3 порожня і не може бути розряджена; Інші дві комірки все ще мають заряд (комірка 1 має 40% SoC, комірка № 2 – 20% SoC), комірка 1 має напругу 3,5 В, комірка 2 – 3,38 В, і різниця в SoC між комірками № 1 і № 3 становить 40%, що означає незбалансованість акумуляторної батареї на 40%.

Коли акумуляторна батарея має 50% SoC (вертикальна лінія посередині графіка), SoC трьох батарей становить 50%, отже, напруга однакова при 3,65 В.

SoB становить 100%, SoI становить 0%.

Коли акумуляторна батарея має 100% SoC (правий кінець діаграми), елемент № 3 заповнений і не може заряджатися; Дві інші клітини все ще можуть приймати більше заряду (комірка 1 при 60% SoC і комірка 2 при 80% SoC), з коміркою 1 при 3,82 В і коміркою 2 при 3,9 В. Різниця в SoC між батареями №1 і №3 становить 40%, що означає, що стан дисбалансу акумуляторної батареї становить 40%.

Щоб збалансувати акумуляторну батарею, BMS перевіряє напругу батареї, щоб визначити, які батареї незбалансовані. Однак через те, що криві OCV і SoC не є прямою лінією, різниця напруг між двома батареями не є прямо пропорційною різниці їх заряду. Для певного дисбалансу різниця напруг між двома батареями, з’єднаними послідовно, залежить від кількох факторів: ступінь дисбалансу: чим більший ступінь дисбалансу, тим більша різниця напруг; SoC акумуляторної батареї: через форму кривих OCV і SoC різниця напруг більш помітна на низькому та високому рівнях SoC; Хімічний склад батареї: для батарей LFP, у SOC, незалежно від SoI, напруга батареї майже однакова; Різниця напруг стає значною лише тоді, коли SoC знаходиться на низькому та високому рівнях. Ці графіки зображують різницю напруги між двома батареями та ланцюгом SoC із різним рівнем дисбалансу SoC між ними. Наприклад, крива 10% використовується, коли SoC одного пристрою на 10% вище, ніж іншого пристрою. Для блоків NMC важко виявити дисбаланс у 1%, за винятком SoCs нижче 5% (Малюнок 3.18 (a)); 10% дисбаланс легко виявити, за винятком приблизно 35% SoC. Для блоків LFP легко виявити 1% дисбаланс, коли SoC нижче 10% і вище 95% (Малюнок 3.18 (b)). В інших місцях це майже непомітно; Коли SoC становить 50%, можна виявити лише 30% серйозного дисбалансу. Тому, незважаючи на те, що батареї LFP дуже підходять для енергетичних застосувань, буферні батареї з батареями LFP насправді неможливо досягти проміжного балансу. Спроба збалансувати акумуляторну батарею в зоні, де дельта-напруга занадто низька, не тільки безглузда, але й може призвести до зворотного результату, оскільки інші фактори можуть впливати на різницю в напрузі клем акумулятора більше, ніж дисбаланс.

Різниця в струмі саморозряду є прямою причиною дисбалансу акумулятора. SoC акумуляторів із високим саморозрядом зменшується швидше, ніж акумуляторів із низьким саморозрядом. З плином часу рівні SoC кожного елемента батареї відрізняються, а стан дисбалансу зростає. Хоча всі батареї саморозряджаються з мінімальною швидкістю, деякі працюють швидше, ніж інші, особливо за різних температур (Малюнок {{0}} (a)). Найгірший сценарій відбувається, коли одні батареї мають кімнатну температуру, а інші перебувають у гарячому стані (наприклад, через те, що вони встановлені поруч із зарядним пристроєм). Струм саморозряду найхолоднішої батареї становить 0.000023C, тоді як струм саморозряду найгарячішої батареї становить 0,00017C,

Різниця в 0.00015 градусів Цельсія. Через цю різницю струна щомісяця ставатиме більш дисбалансованою на 11%. Щоб компенсувати різницю в струмі саморозряду між батареями, BMS отримує збалансований струм від батареї з найменшим струмом саморозряду. Цей балансовий струм точно дорівнює різниці струму саморозряду між цією батареєю та батареєю з найвищим саморозрядом. У прикладі, показаному на малюнку, будь ласка, зверніть увагу, як BMS забезпечує розряд кожного елемента однаковим струмом 150 мкА, надаючи додатковий струм розряду елементам із низьким струмом саморозряду. Крім того, BMS може заряджати акумулятор найвищим струмом саморозряду, щоб компенсувати різницю.

Алгоритм балансування заснований на балансуванні напруги: лише коли батарея знаходиться на рівні налаштування балансу, вона балансується на основі показань напруги батареї; На основі SoC (прогноз): можна збалансувати в будь-який час на основі приблизних рівнів SoC акумулятора