Анализ на състоянието на равновесие и алгоритъм за равновесие

В един идеален батериен пакет всички отделни клетки имат еднакъв капацитет и винаги са на една и съща SoC, която също е SoC на батерийния пакет; Когато SOC на батерията е 100%, SOC на всички клетки също е 100%, което ограничава по-нататъшното зареждане. Когато SOC на батерията е 50%, всички отделни клетки са също 50% SoC Когато батерията е с 0% SoC, всички клетки също са с 0% SOC и всички ограничават по-нататъшното разреждане. Дори ако всички клетки имат еднакъв капацитет, ако нещата са с различен SOC, батерията е небалансирана;

Батериен пакет, състоящ се от шест батерийни клетки, свързани последователно. Всеки правоъгълник представлява клетка на батерията, височината му представлява нейния капацитет, а вертикалната му позиция представлява нейната SoC. (a) Еднакъв капацитет, балансиран, (b) същия капацитет, небалансиран, (c) различен капацитет, най-балансиран, и (d) различен капацитет, средно балансиран. Когато клетка 2 е на 100% SoC, тя ограничава всяко по-нататъшно зареждане. Следователно батерията е на 100% SoC; Все още има повече място за други батерии, но те не могат да бъдат допълнително заредени, защото това ще презареди втората батерия. Когато батерията е на 50% SoC, обхватът на SoC на всяка клетка е приблизително 30% до 70%. Когато батерия # 4 е на 0% SoC, това ограничава всяко по-нататъшно разреждане. Следователно, SoC на батерията е 0%; Другите батерии все още имат още малко заряд, но не могат да бъдат разредени, тъй като това би разредило батерия # 4. Имайте предвид, че две различни клетъчни решетки ограничават капацитета на батерията, с # 2 в горната част и # 4 на дъното.

В даден момент състоянието на дисбаланс (SoI) на батерията е разликата между най-заредената клетка SoC и най-малко заредената клетка SoC в батерията. Например, ако SoC на най-заредената батерия е 75%, а SoC на най-малко заредената батерия е 70%, тогава SoI на низа е 5%. За батерийни пакети със същия SoC за отделни клетки, SoI е 0%.

Равновесното състояние (SoB) на батерията е 100% минус SoI. Ако SoI на батерията е 5%, нейният SoB е 95%. В горната дискусия бяха използвани кутии за представяне на диапазона на SoC на всяка отделна клетка. Ако това представяне не е много добро, следната графика на напрежението на батерията и нивото на SoC с батериен пакет SoC може да предаде тази концепция по-ясно.

При идеални условия на еднакъв капацитет и баланс, всички клетки в последователно свързан пакет батерии имат еднакъв капацитет и във всеки даден момент SoC е един и същ (Фигура {{0}}). Когато батерията се зарежда или разрежда, напрежението на всички клетки остава постоянно. SoC на всяка клетка е същият като този на батерията (например, когато SoC на батерията е 50%, SoC на всяка клетка също е 50%). Може да осъзнаете, че горната крива е само за литиево-йонните батерии OCV и NMC на SoC. И трите батерийни клетки следват тази крива. Долната крива представлява SoC на батерията и SoC на батерията, в този случай това е права линия от 0% до 100% при съотношение 1:1-a. Схематичната диаграма на три батерийни клетки, свързани последователно на 50% SoC, съответства на вертикалната линия в средата на двете фигури. Когато батерията е пълна, всички клетки са на 100% SoC; Няма ограничение за зареждане на една батерия - всички те се зареждат едновременно. По същия начин, когато батерията е празна, SoC на всички клетки е 0%; Нито една батерия не може да ограничи разреждането - всички те ограничават разреждането едновременно. Капацитетът на батерията е същият като капацитета на всяка клетка на батерията (10 часа в този пример). Тоест целият капацитет на всяка клетка е наличен. Следователно състоянието на равновесие на батерията е 100% (което показва пълно равновесие на батерията), а състоянието на дисбаланс е 0% (което показва липса на дисбаланс).

Ако капацитетът е същият, но SoC в началото е различен (както е показано на фигура {{0}}), тогава едната батерия ограничава зареждането (батерия 1 в този пример), а другата батерия ограничава разреждането ( батерия 3 в този пример). Поради това капацитетът на батерията е намалял. Горната крива показва връзката между напрежението и заряда за три вида литиево-йонни батерии. Имайте предвид, че формата на кривата е същата. Те се движат само наляво (блок # 1 има по-висок SoC) или надясно (блок # 3 има по-нисък SoC). Долната крива е "SoC и SoC на батерията" от три клетки (не 1:1 в този случай). Моля, обърнете внимание, че наклонът е еднакъв, тъй като трите клетки имат еднакъв капацитет. Те просто се движат наляво или надясно. Когато низът е на 0% SoC (левия край на диаграмата), клетка # 3 е празна и разреждането е деактивирано. Другите две батерии все още имат високо напрежение (3,38 V за батерия 2 и 3,6 V за батерия 1) и заряд (20% SoC за батерия 2 и 40% SoC за батерия 1). Това зареждане обаче не е налично, защото не може да разреди клетка # 3. Когато SoC на батерията е 50% (вертикална линия в средата на графиката), SoC на клетка 1 е 70%, SoC на клетка 2 е 50%, а SoC на клетка 3 е 30%.

Когато батерията е на 100% SoC (в десния край на фигурата), клетка # 1 е пълна и зареждането е деактивирано; Напрежението на другите две батерии е по-ниско (3,87 V за батерия 2 и 3,75 V за батерия 3) и те все още могат да приемат повече зареждане (80% SoC за батерия 2 и 60% SoC за батерия 3). Това място обаче не е налично, тъй като не може да се зарежда, освен ако батерия №1 не е презаредена. Всяка батерия работи в ограничен диапазон на SoC: • SoC на батерия # 1 ограничава зареждането, вариращо от 40% до 100%; Диапазонът на SoC на блок 2 е от 20% до 80%; SoC за батерия 3, ограничено разреждане, вариращо от 0% до 60%. Делтата в обхвата на SoC на всички батерии е 60% в целия диапазон. Това означава, че само 60% от капацитета на единицата е наличен за низове, а 40% не е наличен поради дисбаланс - равновесното състояние на батерията е 60%, а състоянието на дисбаланс е 40%. Капацитетът на всяка батерия е 10 часа, но капацитетът на батерията е само 6 часа (60% от 10 часа).

Когато клетките в един батериен пакет имат различен капацитет (което наистина е така), батерийният пакет може да бъде балансиран само на нивото на SoC на една клетка. На други места батериите имат различни нива на SoC. Когато батерията се зарежда или разрежда от тази точка, SoC на батерията се разминава. След това, когато батерията се върне към първоначалното си ниво на SoC, SoC на всички клетки се сглобяват отново. На фигура 3-13 горната крива изобразява връзката между напрежението и заряда на три акумулаторни клетки. Моля, обърнете внимание, че тези криви имат една и съща обща форма. Ще се промени само тяхната ширина. Ако капацитетът е висок (клетка 1), кривата ще бъде по-широка; Ако капацитетът е нисък, кривата е тясна (клетка # 3). Долната крива представлява SoC на три батерийни клетки и SoC на батерията. Моля, обърнете внимание, че наклоните са различни, тъй като тези три клетки имат различен капацитет: като се има предвид токът, протичащ в или от батерията, SoC на батерията с нисък капацитет се променя по-бързо от тази на батерията с висок капацитет.

В този пример:

Когато батерията е на 0% SoC (левия край на графиката), клетка # 3 е празна и не може да бъде разредена; Другите две клетки все още имат заряд (клетка 1 е при 40% SoC, клетка # 2 е при 20% SoC), клетка 1 е при 3,5 V, клетка 2 е при 3,38 V и разликата в SoC между клетки # 1 и # 3 е 40%, което означава, че небалансираното състояние на батерията е 40%.

Когато батерията е на 50% SoC (вертикална линия в средата на графиката), SoC на трите батерии е 50%, така че напрежението е същото при 3,65 V.

SoB е 100%, SoI е 0%.

Когато батерията е на 100% SoC (десния край на диаграмата), клетка # 3 е пълна и не може да се зарежда; Другите две клетки все още могат да приемат повече заряд (клетка 1 при 60% SoC и клетка 2 при 80% SoC), с клетка 1 при 3,82 V и клетка 2 при 3,9 V. Разликата в SoC между батерии # 1 и # 3 е 40%, което означава, че състоянието на дисбаланс на батерията е 40%.

За да балансира батерията, BMS проверява напрежението на батерията, за да определи кои батерии са небалансирани. Въпреки това, поради факта, че кривите на OCV и SoC не са права линия, разликата в напрежението между двете батерии не е правопропорционална на разликата в заряда им. За даден дисбаланс разликата в напрежението между две батерии, свързани последователно, зависи от множество фактори: степен на дисбаланс: колкото по-голяма е степента на дисбаланс, толкова по-голяма е разликата в напрежението; SoC на батерията: Поради формата на кривите OCV и SoC, разликата в напрежението е по-изразена при ниски и високи нива на SoC; Химия на батерията: За LFP батерии, в SOC, независимо от SoI, напрежението на батерията е почти същото; Разликата в напрежението става значителна само когато SoC е на ниски и високи нива. Тези графики изобразяват разликата в напрежението между две батерии и низа SoC, с различни количества дисбаланс на SoC между тях. Например, кривата от 10% се използва, когато SoC на едно устройство е с 10% по-високо от това на друго устройство. За NMC единици е трудно да се открие дисбаланс от 1%, с изключение на SoCs под 5% (Фигура 3.18 (a)); 10% дисбаланс се открива лесно, с изключение на приблизително 35% SoC. За LFP единици е лесно да се открие дисбаланс от 1%, когато SoC е под 10% и над 95% (Фигура 3.18 (b)). На други места е почти незабележимо; Когато SoC е 50%, могат да бъдат открити само 30% от тежкия дисбаланс. Следователно, въпреки че LFP батериите са много подходящи за енергийни приложения, буферните батерии с LFP батерии всъщност не могат да постигнат междинен баланс. Опитът да се балансира батерия в зона, където делта напрежението е твърде ниско, е не само безсмислено, но също така има вероятност да има обратен ефект, тъй като други фактори могат да повлияят на разликата в напрежението на клемите на батерията повече от дисбаланса.

Разликата в тока на саморазреждане е пряката причина за дисбаланса на батерията. SoC на батерии с висок саморазряд намалява по-бързо от този на батерии с нисък саморазряд. С течение на времето нивата на SoC на всяка клетка на батерията се различават и състоянието на дисбаланс се увеличава. Въпреки че всички батерии се саморазреждат при минимална скорост, някои са по-бързи от други, особено при различни температури (Фигура {{0}} (a)). Най-лошият сценарий възниква, когато някои батерии са на стайна температура, докато други са в горещо състояние (например, защото са инсталирани до зарядно устройство). Токът на саморазреждане на най-студената батерия е 0.000023C, докато токът на саморазреждане на най-горещата батерия е 0.00017C,

Разлика от 0.00015 градуса по Целзий. Поради тази разлика низът ще става по-дисбалансиран с 11% всеки месец. За да компенсира разликата в тока на саморазреждане между батериите, BMS получава балансиран ток от батерията с най-нисък ток на саморазреждане. Този балансен ток е точно равен на разликата в тока на саморазреждане между тази батерия и батерията с най-висок саморазряд. В примера, показан на фигурата, моля, обърнете внимание как BMS гарантира, че всяка клетка се разрежда със същия ток от 150 μA, като осигурява допълнителен разряден ток към клетки с нисък ток на саморазреждане. Като алтернатива BMS може да зарежда батерията с най-високия ток на саморазреждане, за да компенсира разликата.

Алгоритъмът за балансиране се основава на балансиране на напрежението: само когато батерията е на зададената стойност на баланса, тя се балансира въз основа на отчитането на напрежението на батерията; Въз основа на SoC (предсказание): може да се балансира по всяко време въз основа на очакваните нива на SoC на батерията