Līdzsvara stāvokļa analīze un līdzsvara algoritms

Ideālā akumulatora komplektā visām atsevišķām šūnām ir vienāda ietilpība un vienmēr ir vienāda SoC, kas ir arī akumulatora bloka SoC; Ja akumulatora bloka SOC ir 100%, arī visu elementu SOC ir 100%, kas ierobežo turpmāku uzlādi Kad akumulatora SOC ir 50%, visas atsevišķas šūnas ir arī 50% SoC Ja akumulatora blokā ir 0% SoC, visas šūnas ir arī pie 0% SOC, un tās visas ierobežo turpmāku izlādi. Pat ja visām šūnām ir vienāda ietilpība, ja lietām ir atšķirīgs SOC, akumulators ir nelīdzsvarots;

Akumulators, kas sastāv no sešām virknē savienotām akumulatora šūnām. Katrs taisnstūris apzīmē akumulatora elementu, tā augstums apzīmē tā ietilpību, un tā vertikālais stāvoklis apzīmē tā SoC. (a) Tāda pati jauda, ​​līdzsvarota, (b) tāda pati jauda, ​​nelīdzsvarota, (c) dažādas jaudas, līdzsvarota augšpusē un (d) dažādas jaudas, vidēji līdzsvarota. Ja 2. šūnā ir 100% SoC, tas ierobežo turpmāku uzlādi. Tāpēc akumulatoram ir 100% SoC; Joprojām ir vairāk vietas citiem akumulatoriem, taču tos vairs nevar uzlādēt, jo tādējādi tiks pārlādēts otrais akumulators. Kad akumulatora komplektā ir 50% SoC, katras šūnas SoC diapazons ir aptuveni no 30% līdz 70%. Ja akumulatora Nr. 4 ir 0% SoC, tas ierobežo turpmāku izlādi. Tāpēc akumulatora komplekta SoC ir 0%; Citos akumulatoros vēl ir atlicis nedaudz uzlādes, taču tos nevar izlādēt, jo tādējādi tiktu pārmērīgi izlādēts 4. akumulators. Ņemiet vērā, ka divi dažādi elementu režģi ierobežo akumulatora ietilpību, ar #2 augšpusē un #4. apakšā.

Konkrētajā brīdī akumulatora bloka nelīdzsvarotības stāvoklis (SoI) ir starpība starp visvairāk uzlādētā elementa SoC un vismazāk uzlādētā elementa SoC akumulatorā. Piemēram, ja visvairāk uzlādētā akumulatora SoC ir 75% un vismazāk uzlādētā akumulatora SoC ir 70%, tad virknes SoI ir 5%. Akumulatoru blokiem ar vienādu SoC atsevišķām šūnām SoI ir 0%.

Akumulatora līdzsvara stāvoklis (SoB) ir 100% mīnus SoI. Ja akumulatora bloka SoI ir 5%, tā SoB ir 95%. Iepriekš minētajā diskusijā tika izmantotas kastes, lai attēlotu katras atsevišķas šūnas SoC diapazonu. Ja šis attēlojums nav ļoti labs, tālāk redzamais akumulatora sprieguma un SoC līmeņa grafiks ar akumulatora komplekta SoC var skaidrāk atspoguļot šo koncepciju.

Ideālos vienādas jaudas un līdzsvara apstākļos visām sērijveidā savienotā akumulatora bloka elementiem ir vienāda ietilpība, un jebkurā brīdī SoC ir vienāds (attēls {{0}}). Kad akumulators ir uzlādēts vai izlādējies, visi elementu spriegumi paliek nemainīgi. Katras šūnas SoC ir tāds pats kā akumulatora blokam (piemēram, ja akumulatora SoC ir 50%, katras šūnas SoC arī ir 50%). Jūs varat saprast, ka iepriekš minētā līkne attiecas tikai uz SoC litija jonu baterijām OCV un NMC. Visas trīs akumulatora šūnas seko šai līknei. Apakšējā līkne attēlo akumulatora elementa SoC un akumulatora komplekta SoC, šajā gadījumā tā ir taisna līnija no 0% līdz 100% ar attiecību 1:1-a. Trīs akumulatoru elementu shematiskā diagramma, kas sērijveidā savienotas ar 50% SoC, atbilst vertikālajai līnijai abu attēlu vidū. Kad akumulators ir pilns, visas šūnas ir 100% SoC; Vienam akumulatora elementam nav uzlādes ierobežojumu — tie visi tiek uzlādēti vienlaikus. Līdzīgi, kad akumulators ir tukšs, visu elementu SoC ir 0%; Neviens akumulators nevar ierobežot izlādi — tie visi ierobežo izlādi vienlaikus. Akumulatora ietilpība ir tāda pati kā katras akumulatora šūnas kapacitāte (šajā piemērā 10 stundas). Tas nozīmē, ka ir pieejama visa katras šūnas jauda. Tāpēc akumulatora līdzsvara stāvoklis ir 100% (norāda pilnīgu akumulatora līdzsvara stāvokli), un nelīdzsvarotības stāvoklis ir 0% (norāda, ka nav nelīdzsvarotības).

Ja jauda ir vienāda, bet SoC sākumā atšķiras (kā parādīts attēlā {{0}}), tad viens akumulators ierobežo uzlādi (šajā piemērā 1. akumulators), bet otrs akumulators ierobežo izlādi ( akumulators 3 šajā piemērā). Tāpēc akumulatora jauda ir samazinājusies. Iepriekš minētā līkne parāda saistību starp spriegumu un uzlādi trīs veidu litija jonu akumulatoriem. Ņemiet vērā, ka līknes forma ir vienāda. Tie pārvietojas tikai pa kreisi (vienībai # 1 ir augstāks SoC) vai pa labi (vienībai # 3 ir zemāks SoC). Apakšējā līkne ir trīs šūnu "SoC un akumulatora komplekta SoC" (šajā gadījumā nav 1:1). Lūdzu, ņemiet vērā, ka slīpums ir vienāds, jo trim šūnām ir vienāda ietilpība. Tie vienkārši pārvietojas pa kreisi vai pa labi Kad virkne ir pie 0% SoC (diagrammas kreisais gals), šūna Nr. 3 ir tukša un izlāde ir atspējota. Pārējām divām baterijām joprojām ir augsts spriegums (3,38 V 2. akumulatoram un 3,6 V 1. akumulatoram) un uzlāde (20% SoC 2. akumulatoram un 40% SoC 1. akumulatoram). Tomēr šī uzlāde nav pieejama, jo tā nevar izlādēt 3. elementu. Ja akumulatora komplekta SoC ir 50% (vertikāla līnija diagrammas vidū), 1. šūnas SoC ir 70%, 2. šūnas SoC. ir 50%, un 3. šūnas SoC ir 30%.

Kad akumulatora jauda ir 100% SoC (attēla labajā galā), 1. šūna ir pilna un uzlāde ir atspējota; Pārējo divu akumulatoru spriegums ir zemāks (3,87 V 2. akumulatoram un 3,75 V 3. akumulatoram), un tie joprojām var pieņemt lielāku uzlādi (80% SoC 2. akumulatoram un 60% SoC 3. akumulatoram). Tomēr šī vieta nav pieejama, jo to nevar uzlādēt, ja vien akumulators Nr.1 ​​nav pārlādēts. Katrs akumulators darbojas ierobežotā SoC diapazonā: • Baterijas #1 SoC ierobežo uzlādi, sākot no 40% līdz 100%; 2. bloka SoC diapazons ir no 20% līdz 80%; SoC akumulatoram 3, ierobežota izlāde, diapazonā no 0% līdz 60%. Delta visu akumulatoru SoC diapazonā ir 60% visā diapazonā. Tas nozīmē, ka tikai 60% no vienības jaudas ir pieejami stīgām, un 40% nav pieejami nelīdzsvarotības dēļ - akumulatora līdzsvara stāvoklis ir 60%, bet nelīdzsvarotības stāvoklis ir 40%. Katras akumulatora šūnas ietilpība ir 10 stundas, bet akumulatora jauda ir tikai 6 stundas (60% no 10 stundām).

Ja bateriju komplekta elementiem ir atšķirīga ietilpība (kas patiešām tā ir), akumulatoru var līdzsvarot tikai vienas šūnas SoC līmenī. Citās vietās baterijām ir dažādi SoC līmeņi. Kad akumulators tiek uzlādēts vai izlādējies no šī punkta, akumulatora SoC atšķiras. Pēc tam, kad akumulators atgriežas sākotnējā SoC līmenī, visu elementu SoC tiek samontēti no jauna. Attēlā 3-13 augšējā līkne attēlo attiecību starp spriegumu un trīs akumulatora elementu uzlādi. Lūdzu, ņemiet vērā, ka šīm līknēm ir tāda pati vispārējā forma. Mainīsies tikai to platums. Ja ietilpība ir liela (1. šūna), līkne būs platāka; Ja jauda ir maza, līkne ir šaura (šūna Nr. 3). Apakšējā līkne attēlo trīs akumulatora elementu SoC un akumulatora komplekta SoC. Lūdzu, ņemiet vērā, ka slīpumi ir atšķirīgi, jo šīm trim šūnām ir atšķirīga kapacitāte: ņemot vērā strāvu, kas ieplūst akumulatora komplektā vai no tā, zemas ietilpības akumulatora SoC mainās ātrāk nekā lielas ietilpības akumulatoram.

Šajā piemērā:

Kad akumulators ir uz 0% SoC (diagrammas kreisajā galā), 3. šūna ir tukša un to nevar izlādēt; Pārējās divās šūnās joprojām ir lādiņš (1. šūnā ir 40% SoC, 2. šūnā 20% SoC), 1. šūnā ir 3,5 V, 2. šūnā ir 3,38 V, un SoC atšķirība starp šūnām Nr. 1 un # 3 ir 40%, kas nozīmē, ka akumulatora bloka nelīdzsvarotais stāvoklis ir 40%.

Kad akumulators ir pie 50% SoC (vertikāla līnija diagrammas vidū), trīs akumulatoru SoC ir 50%, tāpēc spriegums ir vienāds ar 3,65 V.

SoB ir 100%, SoI ir 0%.

Kad akumulators ir 100% SoC (diagrammas labajā pusē), 3. šūna ir pilna un to nevar uzlādēt; Pārējās divas šūnas joprojām var uzņemt lielāku lādiņu (1. šūna ar 60% SoC un 2. šūna ar 80% SoC), 1. šūna pie 3,82 V un 2. šūna pie 3,9 V. SoC atšķirība starp baterijām #1 un #3 ir 40%, kas nozīmē, ka akumulatora bloka nelīdzsvarotības stāvoklis ir 40%.

Lai līdzsvarotu akumulatora bloku, BMS pārbauda akumulatora spriegumu, lai noteiktu, kuri akumulatori ir nesabalansēti. Tomēr, ņemot vērā to, ka OCV un SoC līknes nav taisnas līnijas, sprieguma atšķirība starp abām akumulatoriem nav tieši proporcionāla to uzlādes starpībai. Pie noteiktas nelīdzsvarotības sprieguma starpība starp divām sērijveidā savienotām baterijām ir atkarīga no vairākiem faktoriem: nelīdzsvarotības pakāpe: jo lielāka nelīdzsvarotības pakāpe, jo lielāka ir sprieguma starpība; Akumulatora komplekta SoC: OCV un SoC līkņu formas dēļ sprieguma atšķirība ir izteiktāka zemā un augstā SoC līmenī; Akumulatora ķīmija: LFP akumulatoriem SOC neatkarīgi no SoI akumulatora spriegums ir gandrīz vienāds; Sprieguma starpība kļūst nozīmīga tikai tad, ja SoC ir zemā un augstā līmenī. Šajos grafikos ir attēlota sprieguma starpība starp divām baterijām un virknes SoC ar dažādu SoC nelīdzsvarotību starp tām. Piemēram, 10% līkne tiek izmantota, ja vienas vienības SoC ir par 10% augstāks nekā citas vienības SoC. NMC vienībām ir grūti noteikt nelīdzsvarotību 1%, izņemot SoC, kas ir mazāki par 5% (3.18. attēls (a)); 10% nelīdzsvarotība ir viegli nosakāma, izņemot aptuveni 35% SoC. LFP vienībām ir viegli noteikt 1% nelīdzsvarotību, ja SoC ir zem 10% un virs 95% (3.18. (b) attēls). Citās vietās tas ir gandrīz nemanāms; Ja SoC ir 50%, var konstatēt tikai 30% smagas nelīdzsvarotības. Tāpēc, lai gan LFP akumulatori ir ļoti piemēroti jaudas lietojumiem, buferakumulatoriem ar LFP akumulatoriem faktiski nav iespējams sasniegt starpbalansu. Mēģinājums līdzsvarot akumulatora bloku vietā, kur trīsstūra spriegums ir pārāk zems, ir ne tikai bezjēdzīgs, bet arī var izraisīt pretēju efektu, jo citi faktori var ietekmēt akumulatora spailes sprieguma atšķirību vairāk nekā nelīdzsvarotība.

Pašizlādes strāvas atšķirība ir tiešs akumulatora nelīdzsvarotības cēlonis. Akumulatoru ar augstu pašizlādes līmeni SoC samazinās ātrāk nekā akumulatoriem ar zemu pašizlādes līmeni. Laika gaitā katra akumulatora elementa SoC līmeņi atšķiras un nelīdzsvarotības stāvoklis palielinās. Lai gan visi akumulatori pašizlādējas ar minimālo ātrumu, daži ir ātrāki par citiem, jo ​​īpaši dažādās temperatūrās (attēls {0}} (a)). Sliktākais scenārijs notiek, kad daži akumulatori ir istabas temperatūrā, bet citi ir karsti (piemēram, tāpēc, ka tie ir uzstādīti blakus lādētājam). Aukstākā akumulatora pašizlādes strāva ir 0,000023C, savukārt karstākā akumulatora pašizlādes strāva ir 0,00017C,

Atšķirība 0,00015 grādi pēc Celsija. Šīs atšķirības dēļ virkne katru mēnesi kļūs nelīdzsvarotāka par 11%. Lai kompensētu pašizlādes strāvas atšķirības starp akumulatoriem, BMS iegūst līdzsvarotu strāvu no akumulatora ar viszemāko pašizlādes strāvu. Šī līdzsvara strāva ir tieši vienāda ar pašaizlādes strāvas starpību starp šo akumulatoru un akumulatoru ar visaugstāko pašizlādes strāvu. Piemērā, kas parādīts attēlā, lūdzu, ņemiet vērā, kā BMS nodrošina, ka katra šūna izlādējas ar tādu pašu 150 μA strāvu, nodrošinot papildu izlādes strāvu šūnām ar zemu pašizlādes strāvu. Alternatīvi, BMS var uzlādēt akumulatoru ar vislielāko pašizlādes strāvu, lai kompensētu atšķirību.

Balansēšanas algoritms ir balstīts uz sprieguma balansēšanu: tikai tad, kad akumulators ir līdzsvara iestatījuma vērtībā, tas tiek līdzsvarots, pamatojoties uz akumulatora sprieguma rādījumu; Pamatojoties uz SoC (prognoze): var līdzsvarot jebkurā laikā, pamatojoties uz aptuveno akumulatora SoC līmeni