Управление выравниванием системы аккумуляторной батареи
Чтобы сбалансировать разницу в емкости и энергии между отдельными элементами аккумуляторной батареи и повысить коэффициент использования энергии аккумуляторной батареи, во время процесса зарядки и разрядки необходима схема выравнивания. В зависимости от того, как схема потребляет энергию во время процесса выравнивания, ее можно разделить на две основные категории: тип рассеяния энергии и тип нерассеяния энергии. Тип рассеивания энергии рассеивает избыточную энергию в виде тепла, а тип нерассеяния энергии передает или преобразует избыточную энергию в другие батареи.
Управление равновесием типа рассеивания энергии-
Цепи компенсации-типа рассеивания энергии достигают выравнивания путем шунтирования зарядного тока через параллельные резисторы в отдельных элементах батареи, как показано на рисунке 8-12. Структура этой схемы проста, и процесс выравнивания обычно завершается во время зарядки. Однако он не может восполнить мощность отдельных ячеек -емкости, что приводит к перерасходу энергии и увеличению нагрузки на систему управления температурным режимом. Электроприборы с рассеиванием энергии обычно делятся на две категории:
Электроприборы с рассеиванием энергии-обычно делятся на две категории. Во-первых, это цепь выравнивания заряда с постоянным шунтирующим резистором, в которой шунтирующий резистор всегда подключается параллельно каждому элементу батареи. Этот метод отличается высокой надежностью и большим номиналом шунтирующего резистора, что позволяет уменьшить разницу в напряжении отдельных ячеек из-за само-разряда через фиксированный шунт. Его недостатком является то, что шунтирующий резистор постоянно потребляет мощность как при заряде, так и при разряде, что приводит к значительным потерям энергии; как правило, он подходит для применений, где энергия может быть быстро пополнена.
Во-вторых, схема зарядки шунтирующего резистора, управляемая переключателем-, в которой шунтирующий резистор управляется переключателем. Во время зарядки, когда напряжение отдельной батареи достигает напряжения отключения, устройство выравнивания предотвращает перезарядку и преобразует избыточную энергию в тепло. Эта схема выравнивания работает во время зарядки и может шунтировать ток к отдельным элементам с более высоким напряжением во время зарядки. Его недостаток состоит в том, что из-за ограниченного времени выравнивания большое количество тепла, образующегося при шунте, необходимо своевременно рассеивать через систему терморегулирования, что особенно заметно в аккумуляторных блоках большей емкости.
Например, в аккумуляторной батарее емкостью 10 Ач разница напряжения в 100 мВ может привести к разнице емкости более 500 мАч. Если время выравнивания составляет 2 часа, ток шунта составляет 250 мА, сопротивление шунта составляет примерно 14 Ом, а выделяемое тепло составляет около 2 Втч.
Управление выравниванием не-типа рассеяния энергии
Цепи без-рассеивания энергии потребляют гораздо меньше энергии, чем схемы с рассеянием энергии, но их структура относительно сложна. Их можно разделить на два типа: выравнивание преобразования энергии и выравнивание передачи энергии.
Балансировка преобразования энергии
Балансировка преобразования энергии использует сигналы переключения либо для пополнения энергии отдельных ячеек из общего аккумуляторного блока, либо для преобразования энергии отдельных элементов обратно в общий аккумуляторный блок. Преобразование энергии отдельных элементов в общую энергию обычно происходит во время процесса зарядки аккумуляторной батареи, как показано на Рисунке 8-13. Эта схема определяет напряжение каждой отдельной ячейки; когда напряжение отдельной ячейки достигает определенного значения, начинает работать модуль балансировки. Он отводит зарядный ток в отдельной ячейке для снижения зарядного напряжения, а отведенный ток преобразуется модулем и подается обратно на зарядную шину, обеспечивая балансировку. Некоторые методы балансировки преобразования энергии также могут использовать катушки индуктивности свободного хода для завершения преобразования энергии от отдельных ячеек в аккумуляторную батарею.
Схема преобразования энергии всего аккумуляторного блока в отдельные элементы показана на рисунке 8-14. Этот метод еще называют дополнительной балансировкой. Во время процесса зарядки основной зарядный модуль сначала заряжает аккумуляторную батарею, а схема определения напряжения контролирует каждую отдельную ячейку. Когда напряжение любого отдельного элемента слишком велико, основная цепь зарядки отключается, а затем дополнительный модуль балансирующей зарядки начинает заряжать аккумуляторную батарею. Благодаря оптимизированной конструкции зарядное напряжение в модуле балансировки подается на каждую отдельную ячейку через независимый преобразователь постоянного тока и коаксиальный трансформатор катушки, добавляя идентичную вторичную обмотку. Это гарантирует, что элементы с более высоким напряжением получают меньше энергии от вспомогательной цепи зарядки, а элементы с более низким напряжением получают больше энергии, что обеспечивает балансировку. Проблема этого метода в том, что контролировать целостность вторичной обмотки сложно. Даже при одинаковых витках, учитывая индуктивность рассеяния трансформатора и взаимную индуктивность между вторичными обмотками, отдельные ячейки могут получать разное зарядное напряжение. Кроме того, коаксиальная катушка также испытывает некоторое рассеяние энергии, и этот метод балансировки устраняет только дисбаланс зарядки, но не устраняет дисбаланс в состоянии разряда.
Балансировка передачи энергии
Для балансировки передачи энергии используются элементы накопления энергии, такие как катушки индуктивности или конденсаторы, для передачи заряда от отдельных ячеек-емкости к ячейкам с меньшей-емкостью внутри аккумуляторной батареи, как показано на рис. 8-15. Эта схема передает энергию между соседними ячейками путем переключения конденсаторов, перемещая заряд от ячеек с высоким-напряжением к ячейкам с низким-напряжением для достижения балансировки. Альтернативно, двунаправленная передача энергии между соседними ячейками может быть достигнута с использованием индуктивного накопления энергии. Эта схема имеет очень низкие потери энергии, но требует многократного переключения во время балансировки, что приводит к длительному времени балансировки и делает ее непригодной для много-батарейных блоков. Усовершенствованный метод балансировки переключения конденсаторов-может увеличить скорость балансировки за счет выбора отдельных ячеек с самым высоким-напряжением и самым низким напряжением для передачи энергии. Однако определение энергии и реализация схемы переключения при балансировке передачи энергии относительно сложны.
Помимо вышеуказанных методов балансировки, для достижения балансировки батареи во время зарядки можно также использовать капельную зарядку. Это самый простой метод, не требующий внешних вспомогательных схем. Он предполагает непрерывную зарядку последовательно-подключенного аккумуляторного блока небольшим током. Поскольку зарядный ток очень мал, перезарядка мало влияет на полностью заряженный аккумулятор. Поскольку полностью заряженная батарея не может преобразовать больше электрической энергии в химическую, избыточная энергия будет преобразована в тепло. Однако аккумуляторы, которые не заряжены полностью, могут продолжать получать электрическую энергию до тех пор, пока не достигнут полного заряда. Таким образом, через относительно длительный период времени все батареи достигнут полного заряда, что позволит достичь выравнивания емкости. Однако этот метод требует очень длительного времени выравнивающей зарядки и потребляет значительное количество энергии для достижения выравнивания. Кроме того, этот метод неэффективен для выравнивания расхода.
Проблемы в приложении
Существующие решения по балансировке аккумуляторов в первую очередь определяют емкость аккумулятора на основе напряжения аккумуляторной батареи-метода балансировки, основанного на напряжении-. Для достижения балансировки аккумуляторной батареи решающее значение имеют высокая точность и точность определения напряжения. Ток утечки в цепи определения напряжения напрямую влияет на работоспособность аккумуляторной батареи. Поэтому разработка простой и эффективной схемы обнаружения напряжения является ключевой задачей для балансировочных схем. Кроме того, напряжение не является единственным показателем емкости аккумулятора. Внутреннее сопротивление и сопротивление контактов в методе подключения также вызывают изменения напряжения. Таким образом, использование исключительно напряжения для балансировки может привести к чрезмерной-балансировке и потере энергии. В крайних случаях это может даже вызвать дисбаланс в аккумуляторной батарее, несмотря на первоначальную балансировку емкости.
Цепи рассеивания энергии имеют простую структуру, но балансировочные резисторы потребляют энергию во время шунтирования тока и выделяют тепло, вызывая проблемы с терморегулированием. Поскольку они по существу ограничивают чрезмерно высокие или низкие напряжения на клеммах в отдельных ячейках за счет рассеяния энергии, они подходят только для статической балансировки. Их высокий-рост температуры снижает надежность системы, что делает их непригодными для динамической балансировки. Этот метод подходит только для аккумуляторных блоков небольшой или малой-емкости.
Схемы передачи энергии – это метод компенсации емкости аккумулятора, при котором аккумулятор большей-емкости передает некоторую энергию для компенсации аккумулятора меньшей-емкости. Несмотря на то, что этот метод осуществим, он сложен, громоздок и дорог из-за необходимости мониторинга напряжения отдельных ячеек в реальной схеме. Кроме того, передача энергии достигается через носитель энергии, что создает проблемы с потреблением энергии и контролем. Этот метод балансировки обычно используется в аккумуляторных блоках среднего и большого размера.
С другой стороны, в схемах преобразования энергии для преобразования энергии используется импульсный источник питания. По сравнению со схемами передачи энергии они значительно менее сложны и менее дороги. Однако для коаксиальных катушек разная длина и форма проводов, соединяющих обмотки с каждой ячейкой, приводят к разным коэффициентам трансформации, что приводит к нестабильной балансировке каждой ячейки и приводит к ошибкам балансировки. Кроме того, сама коаксиальная катушка потребляет энергию из-за электромагнитной утечки и других проблем.
