Analýza rovnovážneho stavu a algoritmus rovnováhy

V ideálnom batériovom bloku majú všetky jednotlivé články rovnakú kapacitu a sú vždy na rovnakom SoC, čo je tiež SoC batériového bloku; Keď je SOC súpravy batérií 100 %, SOC všetkých článkov je tiež 100 %, čo obmedzuje ďalšie nabíjanie. Keď je SOC súpravy batérií 50 %, všetky jednotlivé články sú tiež 50 % SoC Keď je batéria na 0 % SoC, všetky články sú tiež na 0 % SOC a všetky obmedzujú ďalšie vybíjanie. Dokonca aj keď všetky články majú rovnakú kapacitu, ak sú veci v rôznych SOC, súprava batérií je nevyvážená;

Batéria pozostávajúca zo šiestich batériových článkov zapojených do série. Každý obdĺžnik predstavuje článok batérie, jeho výška predstavuje jeho kapacitu a jeho vertikálna poloha predstavuje jeho SoC. (a) Rovnaká kapacita, vyvážená, (b) rovnaká kapacita, nevyvážená, (c) rôzne kapacity, top vyvážená a (d) rôzne kapacity, stredne vyvážená. Keď je článok 2 na 100% SoC, obmedzuje akékoľvek ďalšie nabíjanie. Preto je batéria na 100 % SoC; Stále je tu viac miesta pre ďalšie batérie, ale nemožno ich ďalej nabíjať, pretože tým dôjde k prebitiu druhej batérie. Keď je batéria na 50 % SoC, rozsah SoC každého článku je približne 30 % až 70 %. Keď je batéria č. 4 na 0 % SoC, obmedzuje akékoľvek ďalšie vybíjanie. Preto je SoC batérie 0 %; Na ostatných batériách ešte zostalo nejaké nabitie, ale nie je možné ich vybiť, pretože by sa tým nadmerne vybila batéria č. 4. Upozorňujeme, že dve rôzne mriežky článkov obmedzujú kapacitu súpravy batérií, pričom č. 2 je hore a č. 4 na dne.

V danom momente je stav nerovnováhy (SoI) batérie rozdielom medzi najviac nabitým článkom SoC a najmenej nabitým článkom SoC v súprave batérií. Napríklad, ak SoC najviac nabitej batérie je 75 % a SoC najmenej nabitej batérie je 70 %, potom SoI reťazca je 5 %. Pre batérie s rovnakým SoC pre jednotlivé články je SoI 0 %.

Rovnovážny stav (SoB) batérie je 100 % mínus SoI. Ak je SoI batérie 5 %, jej SoB je 95 %. Vo vyššie uvedenej diskusii boli boxy použité na reprezentáciu rozsahu SoC každej jednotlivej bunky. Ak toto znázornenie nie je veľmi dobré, nasledujúci graf napätia batérie a úrovne SoC s batériou SoC môže tento koncept vyjadriť jasnejšie.

Za ideálnych podmienok rovnakej kapacity a vyváženia majú všetky články v sériovo zapojenej batériovej jednotke rovnakú kapacitu a v každom danom čase je SoC rovnaký (obrázok {{0}}). Keď sa batéria nabije alebo vybije, napätie všetkých článkov zostane rovnaké. SoC každého článku je rovnaké ako u batérie (ak je napríklad SoC batérie 50 %, SoC každého článku je tiež 50 %). Možno si uvedomíte, že vyššie uvedená krivka je len pre OCV a NMC lítium-iónové batérie SoC. Všetky tri články batérie sledujú túto krivku. Spodná krivka predstavuje SoC článku batérie a SoC batérie, v tomto prípade je to priamka od 0 % do 100 % v pomere 1:1-a. Schematický diagram troch batériových článkov zapojených do série na 50% SoC zodpovedá zvislej čiare v strede dvoch obrázkov. Keď je batéria plná, všetky články sú na 100 % SoC; Neexistuje žiadny limit nabíjania pre jeden článok batérie – všetky sa nabíjajú súčasne. Podobne, keď je batéria prázdna, SoC všetkých článkov je 0 %; Žiadna jediná batéria nemôže obmedziť vybíjanie – všetky obmedzujú vybíjanie súčasne. Kapacita batérie je rovnaká ako kapacita každého článku batérie (v tomto príklade 10 hodín). To znamená, že je k dispozícii celá kapacita každej bunky. Preto je rovnovážny stav batérie 100 % (označuje úplnú rovnováhu batérie) a nevyvážený stav je 0 % (neznamená žiadnu nerovnováhu).

Ak je kapacita rovnaká, ale SoC na začiatku je iná (ako je znázornené na obrázku {{0}}), potom jedna batéria obmedzuje nabíjanie (v tomto príklade batéria 1) a druhá obmedzuje vybíjanie ( batéria 3 v tomto príklade). Preto sa kapacita batérie znížila. Vyššie uvedená krivka ukazuje vzťah medzi napätím a nabitím pre tri typy lítium-iónových batérií. Všimnite si, že tvar krivky je rovnaký. Pohybujú sa iba doľava (jednotka č. 1 má vyšší SoC) alebo doprava (jednotka č. 3 má nižší SoC). Spodná krivka je "SoC and battery pack SoC" troch článkov (v tomto prípade nie 1:1). Upozorňujeme, že sklon je rovnaký, pretože tri bunky majú rovnakú kapacitu. Len sa pohybujú doľava alebo doprava Keď je reťazec na 0% SoC (ľavý koniec grafu), bunka č. 3 je prázdna a vybíjanie je vypnuté. Ďalšie dve batérie majú stále vysoké napätie (3,38 V pre batériu 2 a 3,6 V pre batériu 1) a nabíjajú sa (20 % SoC pre batériu 2 a 40 % SoC pre batériu 1). Toto nabíjanie však nie je dostupné, pretože nedokáže vybiť článok č. 3. Keď je SoC batérie 50 % (vertikálna čiara v strede grafu), SoC článku 1 je 70 %, SoC článku 2 je 50 % a SoC bunky 3 je 30 %.

Keď je batéria na úrovni 100% SoC (na pravom konci obrázku), článok č. 1 je plný a nabíjanie je vypnuté; Napätie ďalších dvoch batérií je nižšie (3,87 V pre batériu 2 a 3,75 V pre batériu 3) a stále dokážu akceptovať viac nabíjania (80 % SoC pre batériu 2 a 60 % SoC pre batériu 3). Toto miesto však nie je k dispozícii, pretože ho nemožno nabíjať, pokiaľ nie je batéria č.1 prebitá. Každá batéria funguje v obmedzenom rozsahu SoC: • SoC batérie č. 1 obmedzuje nabíjanie v rozsahu od 40 % do 100 %; Rozsah SoC jednotky 2 je od 20 % do 80 %; SoC pre batériu 3, obmedzené vybíjanie v rozsahu od 0 % do 60 %. Delta v rozsahu SoC všetkých batérií je 60 % v celom rozsahu. To znamená, že len 60 % kapacity jednotky je k dispozícii pre struny a 40 % je nedostupných z dôvodu nevyváženosti – rovnovážny stav batérie je 60 % a nevyvážený stav je 40 %. Kapacita každého článku batérie je 10 hodín, ale kapacita batérie je iba 6 hodín (60 % z 10 hodín).

Keď majú články v batériovej jednotke rôznu kapacitu (čo je v skutočnosti tento prípad), batériová jednotka môže byť vyvážená iba na úrovni SoC jedného článku. Na iných miestach majú batérie rôzne úrovne SoC. Keď sa batéria nabíja alebo vybíja od tohto bodu, SoC batérie sa rozchádza. Potom, keď sa batéria vráti na svoju pôvodnú úroveň SoC, SoC všetkých článkov sa znova poskladajú. Na obrázku 3-13 horná krivka znázorňuje vzťah medzi napätím a nabitím troch článkov batérie. Upozorňujeme, že tieto krivky majú rovnaký všeobecný tvar. Zmení sa len ich šírka. Ak je kapacita vysoká (bunka 1), krivka bude širšia; Ak je kapacita nízka, krivka je úzka (bunka č. 3). Spodná krivka predstavuje SoC troch článkov batérie a SoC súpravy batérií. Upozorňujeme, že sklony sú odlišné, pretože tieto tri články majú rozdielnu kapacitu: vzhľadom na prúd tečúci do alebo z batérie sa SoC nízkokapacitnej batérie mení rýchlejšie ako vysokokapacitnej batérie.

V tomto príklade:

Keď je batéria na 0 % SoC (ľavý koniec grafu), článok č. 3 je prázdny a nedá sa vybiť; Ďalšie dva články sú stále nabité (článok 1 má 40 % SoC, článok 2 má 20 % SoC), článok 1 má 3,5 V, článok 2 má 3,38 V a rozdiel v SoC medzi článkami # 1 a # 3 je 40 %, čo znamená, že nevyvážený stav batérie je 40 %.

Keď je batéria na 50 % SoC (vertikálna čiara v strede grafu), SoC troch batérií je 50 %, takže napätie je rovnaké pri 3,65 V.

SoB je 100 %, SoI je 0 %.

Keď je batéria na 100 % SoC (pravý koniec diagramu), článok č. 3 je plný a nedá sa nabiť; Ďalšie dva články môžu ešte prijať viac náboja (článok 1 pri 60 % SoC a článok 2 pri 80 % SoC), s článkom 1 pri 3,82 V a článkom 2 pri 3,9 V. Rozdiel v SoC medzi batériami č. 1 a č. 3 je 40 %, čo znamená, že nevyvážený stav batérie je 40 %.

Aby sa vyrovnala batéria, BMS skontroluje napätie batérie, aby zistil, ktoré batérie sú nevyvážené. Avšak vzhľadom na skutočnosť, že krivky OCV a SoC nie sú priamkou, rozdiel napätia medzi týmito dvoma batériami nie je priamo úmerný rozdielu v ich nabití. Pre danú nerovnováhu závisí rozdiel napätia medzi dvoma batériami zapojenými do série od viacerých faktorov: stupeň nerovnováhy: čím väčší je stupeň nerovnováhy, tým väčší je rozdiel napätia; SoC batérie: Vďaka tvaru kriviek OCV a SoC je rozdiel napätia výraznejší pri nízkej a vysokej úrovni SoC; Chémia batérie: Pre batérie LFP je v SOC, bez ohľadu na SoI, napätie batérie takmer rovnaké; Rozdiel napätia sa stáva významným iba vtedy, keď je SoC na nízkej a vysokej úrovni. Tieto grafy zobrazujú rozdiel napätia medzi dvoma batériami a reťazcom SoC s rôznym množstvom nerovnováhy SoC medzi nimi. Napríklad krivka 10 % sa používa, keď je SoC jednej jednotky o 10 % vyššia ako hodnota inej jednotky. Pre jednotky NMC je ťažké zistiť nerovnováhu 1 %, s výnimkou SoC pod 5 % (obrázok 3.18 (a)); 10% nerovnováha je ľahko zistiteľná, s výnimkou približne 35% SoC. Pre jednotky LFP je ľahké zistiť 1 % nerovnováhu, keď je SoC pod 10 % a nad 95 % (obrázok 3.18 (b)). Na iných miestach je takmer nepostrehnuteľný; Keď je SoC 50 %, je možné zistiť len 30 % závažnej nerovnováhy. Preto, aj keď sú batérie LFP veľmi vhodné pre energetické aplikácie, vyrovnávacie batérie s batériami LFP v skutočnosti nie je možné dosiahnuť strednú rovnováhu. Pokus o vyváženie batérie v oblasti, kde je napätie delta príliš nízke, je nielen nezmyselné, ale pravdepodobne sa to aj spätne zhorší, pretože rozdiel v napätí na svorkách batérie môžu ovplyvniť viac ako nerovnováha.

Rozdiel v samovybíjacom prúde je priamou príčinou nerovnováhy batérie. SoC batérií s vysokým samovybíjaním klesá rýchlejšie ako u batérií s nízkym samovybíjaním. Ako plynie čas, úrovne SoC každého článku batérie sa líšia a stav nerovnováhy sa zvyšuje. Hoci sa všetky batérie samovybíjajú minimálnou rýchlosťou, niektoré sú rýchlejšie ako iné, najmä pri rôznych teplotách (obrázok {{0}} (a)). Najhorší scenár nastane, keď niektoré batérie majú izbovú teplotu, zatiaľ čo iné sú v horúcom stave (napríklad preto, že sú nainštalované vedľa nabíjačky). Samovybíjací prúd najchladnejšej batérie je 0,000023C, zatiaľ čo samovybíjací prúd najteplejšej batérie je 0,00017C,

Rozdiel 0,00015 stupňov Celzia. Kvôli tomuto rozdielu bude reťazec každý mesiac viac nevyvážený o 11 %. Aby sa kompenzovali zmeny v samovybíjacom prúde medzi batériami, BMS získava vyvážený prúd z batérie s najnižším samovybíjacím prúdom. Tento vyrovnávací prúd sa presne rovná rozdielu v samovybíjacom prúde medzi touto batériou a batériou s najvyšším samovybíjaním. V príklade znázornenom na obrázku si všimnite, ako BMS zabezpečuje, že každý článok sa vybíja rovnakým prúdom 150 μA tým, že poskytuje dodatočný vybíjací prúd článkom s nízkym samovybíjacím prúdom. Alternatívne môže BMS nabíjať batériu najvyšším samovybíjacím prúdom, aby sa vyrovnal rozdiel.

Algoritmus vyvažovania je založený na vyrovnávaní napätia: iba keď je batéria na hodnote nastavenia vyváženia, je vyvážená na základe odčítania napätia batérie; Na základe SoC (predikcia): môže byť kedykoľvek vyvážená na základe odhadovaných úrovní SoC batérie