Gestió d'equalització del sistema de bateria d'alimentació
Per equilibrar la capacitat i les diferències d'energia entre les cèl·lules individuals d'un paquet de bateries i millorar la taxa d'utilització d'energia del paquet de bateries, es necessita un circuit d'equalització durant el procés de càrrega i descàrrega. En funció de com consumeix energia el circuit durant el procés d'equalització, es pot dividir en dues categories principals: tipus de dissipació d'energia i tipus de no-dissipació d'energia. El tipus de dissipació d'energia dissipa l'excés d'energia en forma de calor, mentre que el tipus de dissipació d'energia transfereix o converteix l'excés d'energia a altres bateries.
Gestió de l'equilibri de tipus{0}}dissipació d'energia
Els circuits d'equalització de tipus-de dissipació d'energia aconsegueixen l'equalització derivant el corrent de càrrega a través de resistències paral·leles a les cèl·lules individuals de la bateria, tal com es mostra a la figura 8-12. Aquesta estructura de circuit és senzilla i el procés d'equalització generalment es completa durant la càrrega. Tanmateix, no pot reposar la potència de les cèl·lules individuals de baixa-capacitat, la qual cosa comporta un malbaratament d'energia i un augment de la càrrega del sistema de gestió tèrmica. Els aparells elèctrics de dissipació d'energia generalment es divideixen en dues categories:
Els aparells elèctrics de tipus-de dissipació d'energia generalment es divideixen en dues categories: primer, un circuit de càrrega d'equalització de resistències de derivació constant, on una resistència de derivació sempre està connectada en paral·lel a cada cel·la de la bateria. Aquest mètode es caracteritza per una alta fiabilitat i un gran valor de resistència de derivació, que redueix les diferències en la tensió de la cel·la individual a causa de l'auto-descàrrega mitjançant una derivació fixa. El seu desavantatge és que la resistència de derivació consumeix constantment energia tant durant la càrrega com la descàrrega, donant lloc a una pèrdua d'energia important; generalment és adequat per a aplicacions on es pot reposar l'energia ràpidament.
En segon lloc, un circuit de càrrega d'equalització de resistències en derivació controlat per interruptor-, on la resistència en derivació està controlada per un interruptor. Durant la càrrega, quan la tensió individual de la bateria arriba a la tensió de tall, el dispositiu d'equalització evita la sobrecàrrega i converteix l'excés d'energia en calor. Aquest circuit d'equalització funciona durant la càrrega i pot derivar el corrent a cèl·lules individuals amb voltatges més alts durant la càrrega. El seu inconvenient és que, a causa del temps d'equalització limitat, la gran quantitat de calor generada durant la derivació s'ha de dissipar de manera oportuna a través del sistema de gestió tèrmica, que es nota especialment en paquets de bateries amb capacitats més grans.
Per exemple, en una bateria de 10 Ah, una diferència de tensió de 100 mV pot donar lloc a una diferència de capacitat de més de 500 mAh. Si el temps d'equalització és de 2 hores, el corrent de derivació és de 250 mA, la resistència de derivació és d'aproximadament 14Ω i la calor generada és d'uns 2Wh.
Gestió d'equalització de tipus no-de dissipació d'energia
Els circuits no-de dissipació d'energia consumeixen molta menys energia que els circuits de dissipació d'energia, però la seva estructura de circuits és relativament complexa. Es poden dividir en dos tipus: igualació de conversió d'energia i igualació de transferència d'energia.
Balanç de conversió d'energia
L'equilibri de conversió d'energia utilitza senyals de commutació per reposar l'energia de les cèl·lules individuals del paquet de bateries general o per convertir l'energia de les cèl·lules individuals de nou al paquet de bateries global. La conversió de l'energia de la cèl·lula individual a l'energia global es produeix normalment durant el procés de càrrega de la bateria, tal com es mostra a la figura 8-13. Aquest circuit detecta la tensió de cada cel·la individual; quan la tensió d'una cèl·lula individual arriba a un determinat valor, el mòdul d'equilibri comença a funcionar. Desvia el corrent de càrrega a la cel·la individual per reduir la tensió de càrrega, i el mòdul converteix el corrent desviat i retorna al bus de càrrega, aconseguint l'equilibri. Alguns mètodes d'equilibri de conversió d'energia també poden utilitzar inductors de roda lliure per completar la conversió d'energia de les cèl·lules individuals a la bateria.
A la figura 8-14 es mostra el circuit per convertir l'energia de tot el paquet de bateries en cèl·lules individuals. Aquest mètode també s'anomena equilibri suplementari. Durant el procés de càrrega, el mòdul de càrrega principal carrega primer el paquet de bateries, mentre que el circuit de detecció de voltatge supervisa cada cel·la individual. Quan la tensió de qualsevol cel·la individual és massa alta, el circuit de càrrega principal s'apaga i, a continuació, el mòdul de càrrega d'equilibri addicional comença a carregar la bateria. Mitjançant un disseny optimitzat, la tensió de càrrega del mòdul d'equilibri s'aplica a cada cel·la individual mitjançant un convertidor DC/DC independent i un transformador de bobina coaxial, afegint un bobinatge secundari idèntic. Això garanteix que les cèl·lules amb una tensió més alta rebin menys energia del circuit de càrrega auxiliar, mentre que les cel·les amb una tensió més baixa rebin més energia, aconseguint així l'equilibri. El problema d'aquest mètode és que és difícil controlar la consistència del bobinatge secundari. Fins i tot amb girs idèntics, tenint en compte la inductància de fuites del transformador i la inductància mútua entre bobinatges secundaris, és possible que les cèl·lules individuals no rebin la mateixa tensió de càrrega. A més, la bobina coaxial també experimenta certa dissipació d'energia, i aquest mètode d'equilibri només aborda els desequilibris de càrrega, sense abordar els desequilibris en l'estat de descàrrega.
Balanç de transferència d'energia
L'equilibri de transferència d'energia utilitza elements d'emmagatzematge d'energia, com ara inductors o condensadors, per transferir la càrrega de cèl·lules individuals d'alta-capacitat a cèl·lules de menor-capacitat dins d'un paquet de bateries, tal com es mostra a la figura 8-15. Aquest circuit transfereix energia entre les cèl·lules adjacents canviant els condensadors, movent la càrrega de les cel·les d'alta-tensió a les de baixa-tensió per aconseguir l'equilibri. Alternativament, la transferència d'energia bidireccional entre cèl·lules adjacents es pot aconseguir mitjançant l'emmagatzematge d'energia inductiu. Aquest circuit té una pèrdua d'energia molt baixa, però requereix múltiples transferències durant l'equilibri, la qual cosa fa que el temps d'equilibri sigui llarg i el fa inadequat per a bateries multi-cel·les. Un mètode d'equilibri-de commutació de condensadors millorat pot augmentar la velocitat d'equilibri seleccionant les cèl·lules individuals de voltatge més alt- i de voltatge més baix per a la transferència d'energia. Tanmateix, la determinació d'energia i la implementació del circuit de commutació en l'equilibri de la transferència d'energia són relativament difícils.
A més dels mètodes d'equilibri anteriors, la càrrega continua també es pot utilitzar per aconseguir l'equilibri de la bateria durant les aplicacions de càrrega. Aquest és el mètode més senzill i no requereix cap circuit auxiliar extern. Implica carregar contínuament la bateria-connectada en sèrie amb un corrent petit. Com que el corrent de càrrega és molt petit, la sobrecàrrega té poc impacte en una bateria completament carregada. Com que una bateria completament carregada no pot convertir més energia elèctrica en energia química, l'excés d'energia es convertirà en calor. Les bateries que no estan completament carregades, però, poden continuar rebent energia elèctrica fins que arribin a la càrrega completa. D'aquesta manera, després d'un període relativament llarg, totes les bateries arribaran a la càrrega completa, aconseguint així l'equiparació de capacitat. Tanmateix, aquest mètode requereix un temps de càrrega d'equalització molt llarg i consumeix una quantitat considerable d'energia per aconseguir l'equalització. A més, aquest mètode és ineficaç per gestionar l'equalització de la descàrrega.
Problemes en l'aplicació
Les solucions d'equilibri de la bateria existents determinen principalment la capacitat de la bateria en funció del voltatge del paquet de bateries-un mètode d'equilibri-basat en voltatge. Per aconseguir l'equilibri de la bateria, l'alta precisió i precisió en la detecció de voltatge són crucials. El corrent de fuga en el circuit de detecció de tensió afecta directament la consistència de la bateria. Per tant, dissenyar un circuit de detecció de voltatge senzill i eficient és un repte clau per equilibrar els circuits. A més, la tensió no és l'única mesura de la capacitat de la bateria. La resistència interna i la resistència de contacte en el mètode de connexió també provoquen variacions de tensió. Per tant, confiar únicament en la tensió per a l'equilibri pot provocar un sobre-equilibri i un malbaratament d'energia. En casos extrems, fins i tot pot provocar desequilibris en la bateria, malgrat l'equilibri de capacitat inicial.
Els circuits de dissipació d'energia són d'estructura senzilla, però les resistències d'equilibri consumeixen energia durant la derivació de corrent i generen calor, causant problemes de gestió tèrmica. Com que essencialment limiten tensions terminals excessivament altes o baixes a les cèl·lules individuals mitjançant la dissipació d'energia, només són adequats per a l'equilibri estàtic. El seu alt-augment de temperatura redueix la fiabilitat del sistema, cosa que els fa inadequats per a l'equilibri dinàmic. Aquest mètode només és adequat per a bateries petites o de baixa capacitat-.
Els circuits de transferència d'energia són un mètode de compensació de la capacitat de la bateria, on una bateria de -capacitat més gran aporta una mica d'energia per compensar una bateria de-capacitat més baixa. Tot i que és factible, aquest mètode és complex, voluminós i costós a causa de la necessitat de controlar la tensió de les cèl·lules individuals del circuit real. A més, la transferència d'energia s'aconsegueix mitjançant un mitjà d'emmagatzematge d'energia, que introdueix problemes de consum i control d'energia. Aquest mètode d'equilibri s'utilitza generalment en bateries mitjanes i grans.
Els circuits de conversió d'energia, d'altra banda, utilitzen una font d'alimentació commutada per aconseguir la conversió d'energia. En comparació amb els circuits de transferència d'energia, són significativament menys complexos i menys costosos. Tanmateix, per a les bobines coaxials, les longituds i formes variables dels cables que connecten els bobinatges a cada cel·la donen lloc a diferents relacions de transformació, donant lloc a un equilibri inconsistent de cada cel·la i donant lloc a errors d'equilibri. A més, la bobina coaxial en si consumeix energia a causa de fuites electromagnètiques i altres problemes.
