Denge Durumu Analizi ve Denge Algoritması

İdeal bir pil paketinde, tüm ayrı hücreler aynı kapasiteye sahiptir ve her zaman aynı SoC'dedir; bu aynı zamanda pil paketinin SoC'sidir; Pil takımının SOC'si %100 olduğunda, tüm hücrelerin SOC'si de %100'dür, bu da daha fazla şarjı sınırlar. Pil takımının SOC'si %50 olduğunda, tüm ayrı hücreler şarj edilir. ayrıca %50 SoC Pil paketi %0 SoC'de olduğunda, tüm hücreler de %0 SOC'dedir ve hepsi daha fazla deşarjı sınırlar. Tüm hücreler aynı kapasiteye sahip olsa bile, işler farklı SOC'de ise pil takımı dengesizdir;

Seri olarak bağlanmış altı pil hücresinden oluşan bir pil takımı. Her dikdörtgen bir pil hücresini temsil eder, yüksekliği kapasitesini temsil eder ve dikey konumu SoC'yi temsil eder. (a) Aynı kapasite, dengeli, (b) aynı kapasite, dengesiz, (c) farklı kapasiteler, üst dengeli ve (d) farklı kapasiteler, orta dengeli. Hücre 2 %100 SoC'de olduğunda, daha fazla şarjı kısıtlar. Bu nedenle pil takımı %100 SoC'dedir; Diğer piller için hâlâ daha fazla alan vardır, ancak bunlar daha fazla şarj edilemez çünkü bunu yapmak ikinci pili aşırı şarj eder. Pil paketi %50 SoC'de olduğunda, her hücrenin SoC aralığı yaklaşık %30 ila %70'tir. 4 numaralı pil %0 SoC'de olduğunda daha fazla deşarjı sınırlar. Bu nedenle pil takımının SoC'si %0'dır; Diğer pillerin üzerinde hâlâ bir miktar daha şarj kalmıştır, ancak boşaltılamazlar çünkü bunu yapmak 4 numaralı pilin aşırı deşarj olmasına neden olur. İki farklı hücre ızgarasının, üstte # 2 ve üstte # 4 olmak üzere iki farklı hücre ızgarasının pil takımının kapasitesini sınırladığını unutmayın. altta.

Belirli bir anda, bir pil paketinin dengesizlik durumu (SoI), pil paketindeki en yüklü hücre SoC'si ile en az yüklü hücre SoC'si arasındaki farktır. Örneğin, en çok şarj edilen pilin SoC'si %75 ise ve en az şarj edilen pilin SoC'si %70 ise, bu durumda dizinin SoI'si %5 olur. Bireysel hücreler için aynı SoC'ye sahip pil paketleri için SoI %0'dır.

Pil takımının denge durumu (SoB) %100 eksi SoI'dir. Pil takımının SoI'si %5 ise SoB'si %95'tir. Yukarıdaki tartışmada, her bir hücrenin SoC aralığını temsil etmek için kutular kullanıldı. Bu gösterim çok iyi değilse, aşağıdaki akü voltajı ve SoC seviyesi grafiği ile akü paketi SoC'si bu kavramı daha net bir şekilde aktarabilir.

İdeal eşit kapasite ve denge koşulları altında, seri bağlı bir pil paketindeki tüm hücreler aynı kapasiteye sahiptir ve herhangi bir zamanda SoC aynıdır (Şekil {{0}}). Pil paketi şarj edildiğinde veya boşaldığında tüm hücre voltajları tutarlı kalır. Her hücrenin SoC'si pil takımının SoC'si ile aynıdır (örneğin, pil takımının SoC'si %50 olduğunda, her hücrenin SoC'si de %50 olur). Yukarıdaki eğrinin yalnızca SoC'nin OCV ve NMC lityum iyon pilleri için olduğunu fark edebilirsiniz. Her üç pil hücresi de bu eğriyi takip ediyor. Alttaki eğri, pil hücresinin SoC'sini ve pil takımının SoC'sini temsil eder; bu durumda, 1:1-a oranında %0'dan %100'e kadar düz bir çizgidir. %50 SoC'ye seri olarak bağlanan üç pil hücresinin şematik diyagramı, iki şeklin ortasındaki dikey çizgiye karşılık gelir. Pil takımı dolduğunda tüm hücreler %100 SoC'dedir; Tek bir pil hücresi için şarj sınırı yoktur; hepsi aynı anda şarj olur. Benzer şekilde pil takımı boş olduğunda tüm hücrelerin SoC'si %0'dır; Hiçbir pil tek başına deşarjı sınırlayamaz; hepsi aynı anda deşarjı sınırlandırır. Pil takımının kapasitesi her bir pil hücresinin kapasitesiyle aynıdır (bu örnekte 10 saat). Yani her hücrenin kapasitesinin tamamı mevcuttur. Bu nedenle, pil takımının denge durumu %100'dür (pil takımının tam dengesini belirtir) ve dengesizlik durumu %0'dır (dengesizliğin olmadığını gösterir).

Kapasite aynıysa ancak başlangıçtaki SoC farklıysa (Şekil {{0}}'de gösterildiği gibi), o zaman bir pil şarjı sınırlar (bu örnekte pil 1) ve diğer pil deşarjı sınırlar ( bu örnekte pil 3). Bu nedenle pil takımının kapasitesi azalmıştır. Yukarıdaki eğri, üç tip lityum iyon pil için voltaj ve şarj arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Eğrinin şeklinin aynı olduğunu unutmayın. Yalnızca sola (ünite # 1'in SoC'si daha yüksek) veya sağa (ünite # 3'ün SoC'si daha düşük) doğru hareket ederler. Alttaki eğri, üç hücrenin "SoC ve pil takımı SoC'sidir" (bu durumda 1:1 değil). Üç hücre aynı kapasiteye sahip olduğundan eğimin aynı olduğunu lütfen unutmayın. Sadece sola veya sağa hareket ederler. Dizi %0 SoC'de olduğunda (grafikin sol ucu), 3 numaralı hücre boştur ve boşaltma devre dışı bırakılır. Diğer iki pil hala yüksek voltaja (pil 2 için 3,38V ve pil 1 için 3,6V) ve şarja (pil 2 için %20 SoC ve pil 1 için %40 SoC) sahiptir. Ancak bu şarj, 3 numaralı hücreyi boşaltamadığından mümkün değildir. Pil takımının SoC'si %50 olduğunda (grafiğin ortasındaki dikey çizgi), hücre 1'in SoC'si %70, hücre 2'nin SoC'si %70'tir. %50'dir ve hücre 3'ün SoC'si %30'dur.

Pil takımı %100 SoC'de olduğunda (şeklin sağ ucunda), 1 numaralı hücre doludur ve şarj etme devre dışıdır; Diğer iki pilin voltajı daha düşüktür (pil 2 için 3,87V ve pil 3 için 3,75V) ve yine de daha fazla şarjı kabul edebilirler (pil 2 için %80 SoC ve pil 3 için %60 SoC). Ancak 1 No'lu pil aşırı şarj edilmediği sürece şarj edilemeyeceği için bu alan mevcut değildir. Her pil sınırlı bir SoC aralığında çalışır: • Pil # 1'in SoC'si şarjı %40 ile %100 arasında sınırlar; Ünite 2'nin SoC aralığı %20 ile %80 arasındadır; Pil 3 için SoC, %0 ile %60 arasında değişen sınırlı deşarj. Tüm pillerin SoC aralığındaki delta, tüm aralıkta %60'tır. Yani ünite kapasitesinin yalnızca %60'ı diziler için kullanılabilir ve %40'ı dengesizlik nedeniyle kullanılamaz - pil paketinin denge durumu %60, dengesizlik durumu ise %40'tır. Her pil hücresinin kapasitesi 10 saattir, ancak pil paketinin kapasitesi yalnızca 6 saattir (10 saatin %60'ı).

Bir pil paketindeki hücreler farklı kapasitelere sahip olduğunda (aslında durum budur), pil paketi yalnızca tek bir hücrenin SoC seviyesinde dengelenebilir. Diğer yerlerde piller farklı SoC seviyelerine sahiptir. Pil paketi bu noktadan şarj edildiğinde veya boşaltıldığında pilin SoC'si farklılaşır. Daha sonra pil paketi orijinal SoC seviyesine döndüğünde tüm hücrelerin SoC'leri yeniden birleştirilir. Şekil 3-13'de üstteki eğri, üç pil hücresinin voltajı ve şarjı arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Lütfen bu eğrilerin aynı genel şekle sahip olduğunu unutmayın. Sadece genişlikleri değişecek. Kapasite yüksekse (hücre 1), eğri daha geniş olacaktır; Kapasite düşükse eğri dardır (3 numaralı hücre). Alttaki eğri, üç pil hücresinin SoC'sini ve pil takımının SoC'sini temsil eder. Bu üç hücre farklı kapasitelere sahip olduğundan eğimlerin farklı olduğunu lütfen unutmayın: pil takımına giren veya çıkan akım göz önüne alındığında, düşük kapasiteli pilin SoC'si yüksek kapasiteli pilin SoC'sinden daha hızlı değişir.

Bu örnekte:

Pil takımı %0 SoC'de (grafiğin sol ucu) olduğunda, 3 numaralı hücre boştur ve deşarj edilemez; Diğer iki hücre hala şarjlıdır (hücre 1 %40 SoC'de, hücre #2 %20 SoC'dedir), hücre 1 3,5V'dadır, hücre 2 3,38V'dadır ve hücre #1 ile hücre #1 arasındaki SoC farkı # 3 %40'tır, bu da pil takımının dengesiz durumunun %40 olduğu anlamına gelir.

Pil takımı %50 SoC'de olduğunda (grafiğin ortasındaki dikey çizgi), üç pilin SoC'si %50'dir, yani voltaj 3,65V'ta aynıdır.

SoB %100, SoI %0'dır.

Pil takımı %100 SoC'de olduğunda (diyagramın sağ ucu), 3 numaralı hücre doludur ve şarj edilemez; Diğer iki hücre hala daha fazla yükü kabul edebilir (%60 SoC'de hücre 1 ve %80 SoC'de hücre 2), hücre 1 3,82V'de ve hücre 2 3,9V'de. 1 ve 3 numaralı piller arasındaki SoC farkı %40'tır, bu da pil takımının dengesizlik durumunun %40 olduğu anlamına gelir.

Pil paketini dengelemek amacıyla BMS, hangi pillerin dengesiz olduğunu belirlemek için pil voltajını kontrol eder. Ancak OCV ve SoC eğrileri düz bir çizgi olmadığından iki pil arasındaki voltaj farkı şarj farklarıyla doğru orantılı değildir. Belirli bir dengesizlik için, seri bağlı iki akü arasındaki voltaj farkı birçok faktöre bağlıdır: dengesizlik derecesi: dengesizlik derecesi ne kadar büyük olursa, voltaj farkı da o kadar büyük olur; Pil paketinin SoC'si: OCV ve SoC eğrilerinin şekli nedeniyle voltaj farkı düşük ve yüksek SoC seviyelerinde daha belirgindir; Pil kimyası: LFP pilleri için, SOC'de SoI'den bağımsız olarak pil voltajı neredeyse aynıdır; Gerilim farkı yalnızca SoC düşük ve yüksek seviyelerde olduğunda önemli hale gelir. Bu grafikler, iki pil ile SoC dizisi arasındaki voltaj farkını, aralarında değişen miktarlarda SoC dengesizliğiyle birlikte gösterir. Örneğin %10 eğrisi, bir birimin SoC'si başka bir birimin SoC'sinden %10 daha yüksek olduğunda kullanılır. NMC üniteleri için %5'in altındaki SoC'ler hariç %1'lik bir dengesizliği tespit etmek zordur (Şekil 3.18 (a)); Yaklaşık %35 SoC dışında %10'luk dengesizlik kolayca tespit edilebilir. LFP üniteleri için SoC %10'un altında ve %95'in üzerinde olduğunda %1'lik bir dengesizliği tespit etmek kolaydır (Şekil 3.18 (b)). Diğer yerlerde neredeyse farkedilemez; SoC %50 olduğunda ciddi dengesizliğin yalnızca %30'u tespit edilebilir. Bu nedenle, LFP piller güç uygulamaları için çok uygun olsa da, LFP pillerle tampon pillerin ara dengeyi sağlaması aslında imkansızdır. Delta voltajının çok düşük olduğu bir alanda pil paketini dengelemeye çalışmak sadece anlamsız olmakla kalmaz, aynı zamanda geri tepme olasılığı da yüksektir, çünkü diğer faktörler pil terminal voltajındaki farkı dengesizlikten daha fazla etkileyebilir.

Kendi kendine deşarj akımındaki fark, akü dengesizliğinin doğrudan nedenidir. Kendi kendine deşarjı yüksek olan pillerin SoC'si, kendi kendine deşarjı düşük olan pillere göre daha hızlı azalır. Zaman geçtikçe her pil hücresinin SoC seviyeleri farklılaşır ve dengesizlik durumu artar. Her ne kadar tüm piller minimum oranda kendi kendine deşarj olsa da bazıları özellikle farklı sıcaklıklarda diğerlerinden daha hızlıdır (Şekil {{0}} (a)). En kötü senaryo, bazı pillerin oda sıcaklığındayken diğerlerinin sıcak durumda olması (örneğin, bir şarj cihazının yanına takıldıkları için) meydana gelir. En soğuk pilin kendi kendine deşarj akımı 0.000023C iken, en sıcak pilin kendi kendine deşarj akımı 0.00017C'dir,

0.00015 santigrat derece fark. Bu farklılıktan dolayı tel her ay %11 oranında daha dengesiz hale gelecektir. Aküler arasında kendi kendine deşarj akımındaki değişimi telafi etmek için BMS, en düşük kendi kendine deşarj akımına sahip aküden dengeli bir akım alır. Bu denge akımı, bu pil ile en yüksek kendi kendine deşarj olan pil arasındaki kendi kendine deşarj akımı farkına tam olarak eşittir. Şekilde gösterilen örnekte, BMS'nin düşük kendi kendine deşarj akımına sahip hücrelere ek deşarj akımı sağlayarak her hücrenin aynı 150 μ A akımla deşarj olmasını nasıl sağladığına lütfen dikkat edin. Alternatif olarak BMS, farkı telafi etmek için aküyü en yüksek kendi kendine deşarj akımıyla şarj edebilir.

Dengeleme algoritması voltaj dengelemeye dayanır: yalnızca pil denge ayar değerinde olduğunda, pil voltajı okumasına göre dengelenir; SoC'ye dayalı (tahmin): tahmini pil SoC seviyelerine göre herhangi bir zamanda dengelenebilir