เทคนิคการปรับสมดุลของเซลล์และวิธีใช้

เซลล์ลิเธียมที่ระบุได้รับการจัดอันดับประมาณ 4.2V เท่านั้น แต่ในการใช้งานเช่น EV, อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบพกพา, แล็ปท็อป, พาวเวอร์แบงค์ ฯลฯ เราต้องการแรงดันไฟฟ้าที่สูงกว่าแรงดันไฟฟ้าเล็กน้อย นี่คือเหตุผลที่นักออกแบบรวมเซลล์มากกว่าหนึ่งเซลล์เข้าด้วยกันเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่ที่มีค่าแรงดันไฟฟ้าสูงขึ้น ดังที่เราทราบจากบทความเกี่ยวกับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าก่อนหน้านี้เมื่อรวมแบตเตอรี่เป็นชุดค่าแรงดันจะเพิ่มขึ้น ตัวอย่างเช่นเมื่อมีการเชื่อมต่อเซลล์ลิเธียม 4.2V จำนวน 4 เซลล์ในอนุกรมแรงดันเอาต์พุตที่มีประสิทธิภาพของก้อนแบตเตอรี่ที่ได้จะเป็น 16.8V

แต่คุณสามารถจินตนาการได้ว่าการเชื่อมต่อเซลล์จำนวนมากเป็นอนุกรมก็เหมือนกับการต่อม้าหลายตัวเข้ากับรถม้า เฉพาะในกรณีที่ม้าทั้งหมดวิ่งด้วยความเร็วเท่ากันรถม้าจะขับเคลื่อนด้วยประสิทธิภาพสูงสุด จากสี่ม้าถ้าม้าตัวหนึ่งวิ่งช้าอีกสามตัวก็ต้องลดความเร็วของพวกเขาลงซึ่งจะทำให้ประสิทธิภาพลดลงและถ้าม้าตัวหนึ่งวิ่งเร็วขึ้นมันจะทำร้ายตัวเองในที่สุดโดยการดึงน้ำหนักของม้าอีกสามตัว ในทำนองเดียวกันเมื่อเชื่อมต่อเซลล์สี่เซลล์เป็นชุดค่าแรงดันไฟฟ้าของทั้งสี่เซลล์ควรเท่ากับเพื่อให้ได้มาซึ่งก้อนแบตเตอรี่ที่มีประสิทธิภาพสูงสุด วิธีการรักษาแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งหมดให้เท่ากันเรียกว่าการปรับสมดุลของเซลล์ในบทความนี้เราจะเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับการปรับสมดุลของเซลล์และสั้น ๆ เกี่ยวกับวิธีใช้ในระดับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์

ทำไมเราถึงต้องการ Cell Balancing?

การปรับสมดุลของเซลล์เป็นเทคนิคที่ระดับแรงดันไฟฟ้าของทุกเซลล์ที่เชื่อมต่อกันเป็นอนุกรมเพื่อสร้างชุดแบตเตอรี่ให้เท่ากันเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุดของก้อนแบตเตอรี่ เมื่อเซลล์ต่างๆรวมเข้าด้วยกันเพื่อสร้างก้อนแบตเตอรี่จะต้องแน่ใจเสมอว่าพวกมันมีค่าทางเคมีและแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน แต่เมื่อติดตั้งแพ็คแล้วและอยู่ภายใต้การชาร์จและการปล่อยค่าแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์มีแนวโน้มที่จะแตกต่างกันไปเนื่องจากเหตุผลบางประการซึ่งเราจะพูดถึงในภายหลัง การเปลี่ยนแปลงของระดับแรงดันไฟฟ้านี้ทำให้เซลล์ไม่สมดุลซึ่งจะนำไปสู่หนึ่งในปัญหาต่อไปนี้

หนีความร้อน

สิ่งที่เลวร้ายที่สุดที่อาจเกิดขึ้นคือการหนีความร้อน ดังที่เราทราบดีว่าเซลล์ลิเธียมมีความไวต่อการชาร์จไฟมากเกินไปและการคายประจุมากเกินไป ในแพ็คของเซลล์สี่เซลล์ถ้าเซลล์หนึ่งเป็น 3.5V ในขณะที่อีกเซลล์หนึ่งเป็น 3.2V การชาร์จจะชาร์จเซลล์ทั้งหมดเข้าด้วยกันเนื่องจากอยู่ในอนุกรมและจะชาร์จเซลล์ 3.5V ให้มากกว่าแรงดันไฟฟ้าที่แนะนำเนื่องจากแบตเตอรี่อื่นยังอยู่ ต้องชาร์จ

การย่อยสลายของเซลล์

เมื่อเซลล์ลิเธียมถูกชาร์จเกินค่าที่แนะนำเล็กน้อยประสิทธิภาพและวงจรชีวิตของเซลล์จะลดลง ตัวอย่างเช่นแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จที่เพิ่มขึ้นเล็กน้อยจาก 4.2V เป็น 4.25V จะทำให้แบตเตอรี่เสื่อมเร็วขึ้น 30% ดังนั้นหากการปรับสมดุลของเซลล์ไม่แม่นยำแม้การชาร์จไฟเกินเล็กน้อยจะทำให้อายุการใช้งานแบตเตอรี่ลดลง

การชาร์จ Pack ไม่สมบูรณ์

เนื่องจากแบตเตอรี่ในแพ็คมีเซลล์บางเซลล์ที่เก่ากว่าอาจอ่อนแอกว่าเซลล์ใกล้เคียง เซลล์ในสัปดาห์นี้จะเป็นปัญหาใหญ่เนื่องจากจะชาร์จและคายประจุเร็วกว่าเซลล์ปกติที่มีสุขภาพดี ในขณะที่ชาร์จก้อนแบตเตอรี่ที่มีเซลล์แบบอนุกรมควรหยุดกระบวนการชาร์จแม้ว่าเซลล์หนึ่งจะถึงแรงดันไฟฟ้าสูงสุด ด้วยวิธีนี้หากเซลล์สองเซลล์ในก้อนแบตเตอรี่ได้รับสัปดาห์พวกเขาจะชาร์จเร็วขึ้นและเซลล์ที่เหลือจะไม่ถูกชาร์จสูงสุดดังที่แสดงด้านล่าง

ใช้พลังงานแพ็คอย่างไม่สมบูรณ์

ในกรณีเดียวกันเมื่อก้อนแบตเตอรี่กำลังหมดเซลล์ที่อ่อนแอกว่าจะคายประจุออกเร็วกว่าเซลล์ที่มีสุขภาพดีและจะถึงแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดเร็วกว่าเซลล์อื่น ๆ ดังที่เราได้เรียนรู้ในบทความ BMS ของเราแพ็คจะถูกตัดการเชื่อมต่อจากโหลดแม้ว่าเซลล์หนึ่งจะถึงแรงดันไฟฟ้าต่ำสุดก็ตาม สิ่งนี้นำไปสู่ความจุที่ไม่ได้ใช้ของพลังงานแพ็คดังที่แสดงด้านล่าง

บัญชีทั้งหมดข้างต้นข้อเสียที่เป็นไปได้ในการพิจารณาเราสามารถสรุปได้ว่าการปรับสมดุลของเซลล์จะบังคับให้ใช้ก้อนแบตเตอรี่ให้มีประสิทธิภาพสูงสุดยังคงมีแอปพลิเคชั่นบางตัวที่ต้นทุนเริ่มต้นควรต่ำมากและการเปลี่ยนแบตเตอรี่ก็ไม่ใช่ปัญหาในการปรับสมดุลเซลล์ของแอปพลิเคชันเหล่านั้น แต่ในการใช้งานส่วนใหญ่รวมถึงรถยนต์ไฟฟ้าจำเป็นต้องมีการปรับสมดุลของเซลล์เพื่อให้ได้น้ำผลไม้สูงสุดจากก้อนแบตเตอรี่

อะไรทำให้เซลล์ไม่สมดุลในชุดแบตเตอรี่

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าทำไมการรักษาสมดุลของเซลล์ทั้งหมดในชุดแบตเตอรี่จึงมีความสำคัญ แต่เพื่อแก้ไขปัญหาอย่างถูกต้องเราควรรู้ว่าเหตุใดเซลล์จึงไม่สมดุลในมือแรก อย่างที่บอกไว้ก่อนหน้านี้เมื่อก้อนแบตเตอรี่ถูกสร้างขึ้นโดยการวางเซลล์ในอนุกรมจะต้องแน่ใจว่าเซลล์ทั้งหมดอยู่ในระดับแรงดันไฟฟ้าเดียวกัน ดังนั้นก้อนแบตเตอรี่ใหม่จะมีเซลล์ที่สมดุลเสมอ แต่เป็นแพ็คจะใส่ลงในการใช้เซลล์ได้รับความไม่สมดุลเนื่องจากเหตุผลดังต่อไปนี้

ความไม่สมดุลของ SOC

การวัด SOC ของเซลล์มีความซับซ้อน ดังนั้นการวัด SOC ของเซลล์แต่ละเซลล์ในแบตเตอรี่จึงมีความซับซ้อนมาก เทคนิคการปรับสมดุลเซลล์ในอุดมคติควรจับคู่เซลล์ที่มี SOC เดียวกันแทนที่จะเป็นระดับแรงดันไฟฟ้า (OCV) เดียวกัน แต่เนื่องจากในทางปฏิบัติแล้วเซลล์จะไม่สามารถจับคู่ได้เฉพาะกับเงื่อนไขแรงดันไฟฟ้าเมื่อสร้างแพ็คการเปลี่ยนแปลงใน SOC อาจทำให้ OCV เปลี่ยนไป

รูปแบบความต้านทานภายใน

มันยากมากที่จะหาเซลล์ที่มีความต้านทานภายใน (IR) เท่ากันและเมื่ออายุของแบตเตอรี่ IR ของเซลล์ก็จะเปลี่ยนไปด้วยดังนั้นในก้อนแบตเตอรี่ไม่ใช่ว่าทุกเซลล์จะมี IR เหมือนกัน ดังที่เราทราบกันดีว่า IR ก่อให้เกิดอิมพีแดนซ์ภายในของเซลล์ซึ่งกำหนดกระแสที่ไหลผ่านเซลล์ เนื่องจาก IR มีการเปลี่ยนแปลงกระแสผ่านเซลล์และแรงดันไฟฟ้าก็จะแตกต่างกันไป

อุณหภูมิ

ความสามารถในการชาร์จและการคายประจุของเซลล์ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิรอบ ๆ เซลล์ด้วย ในชุดแบตเตอรี่ขนาดใหญ่เช่นใน EVs หรือแผงโซลาร์เซลล์เซลล์จะกระจายไปทั่วบริเวณที่มีขยะและอาจมีความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างชุดทำให้เซลล์หนึ่งชาร์จหรือคายประจุเร็วกว่าเซลล์ที่เหลือทำให้เกิดความไม่สมดุล

จากเหตุผลข้างต้นเป็นที่ชัดเจนว่าเราไม่สามารถป้องกันไม่ให้เซลล์เกิดความไม่สมดุลระหว่างการทำงานได้ ดังนั้นทางออกเดียวคือการใช้ระบบภายนอกที่บังคับให้เซลล์กลับมาสมดุลอีกครั้งหลังจากที่พวกมันไม่สมดุล ระบบนี้เรียกว่าแบตเตอรี่ระบบสมดุลมีเทคนิคฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์หลายประเภทที่ใช้สำหรับการปรับสมดุลเซลล์แบตเตอรี่ ขอกล่าวถึงประเภทและเทคนิคที่ใช้กันอย่างแพร่หลาย

ประเภทของการปรับสมดุลเซลล์แบตเตอรี่

เทคนิคการสร้างสมดุลของเซลล์สามารถแบ่งออกเป็นสี่ประเภทอย่างกว้าง ๆ ดังต่อไปนี้ เราจะพูดคุยเกี่ยวกับแต่ละประเภท

การปรับสมดุลของเซลล์แบบพาสซีฟ
การปรับสมดุลของเซลล์ที่ใช้งานอยู่
การปรับสมดุลของเซลล์แบบไม่สูญเสีย
รถรับส่งรีดอกซ์

1. การปรับสมดุลของเซลล์แบบพาสซีฟ

วิธีการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟเป็นวิธีที่ง่ายที่สุดในบรรดาทั้งหมด สามารถใช้ในสถานที่ที่ต้นทุนและขนาดเป็นข้อ จำกัด ที่สำคัญ ต่อไปนี้เป็นสองประเภทของการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟ

ชาร์จ Shunting

ในวิธีนี้จะใช้โหลดหลอกเช่นตัวต้านทานเพื่อปล่อยแรงดันไฟฟ้าส่วนเกินและทำให้เท่ากันกับเซลล์อื่น ต้านทานเหล่านี้จะถูกเรียกว่าเป็นตัวต้านทานบายพาสหรือตัวต้านทานมีเลือดออกเซลล์แต่ละเซลล์ที่เชื่อมต่อแบบอนุกรมในแพ็คจะมีตัวต้านทานบายพาสของตัวเองเชื่อมต่อผ่านสวิตช์ดังที่แสดงด้านล่าง

วงจรตัวอย่างด้านบนแสดงเซลล์สี่เซลล์ซึ่งแต่ละเซลล์เชื่อมต่อกับตัวต้านทานบายพาสสองตัวผ่านสวิตช์เช่น MOSFET มาตรการควบคุมแรงดันไฟฟ้าของทั้งสี่เซลล์และเปลี่ยนใน MOSFET สำหรับมือถือที่มีแรงดันสูงกว่าเซลล์อื่นเมื่อมอสเฟตเปิดอยู่เซลล์นั้นจะเริ่มปล่อยผ่านตัวต้านทาน เนื่องจากเราทราบค่าของตัวต้านทานเราจึงสามารถคาดเดาได้ว่าเซลล์จะกระจายประจุไปเท่าใด ตัวเก็บประจุที่เชื่อมต่อแบบขนานกับเซลล์ใช้เพื่อกรองแรงดันไฟฟ้าที่เพิ่มขึ้นระหว่างการเปลี่ยน

วิธีนี้ไม่มีประสิทธิภาพมากนักเนื่องจากพลังงานไฟฟ้าถูกกระจายไปเป็นความร้อนในตัวต้านทานและวงจรยังบันทึกการสูญเสียการสลับข้อเสียเปรียบอีกประการหนึ่งคือกระแสที่ปล่อยออกมาทั้งหมดจะไหลผ่าน mosfetซึ่งส่วนใหญ่สร้างใน IC ควบคุมและด้วยเหตุนี้กระแสที่ปล่อยออกมาจะต้องถูก จำกัด ไว้ที่ค่าต่ำซึ่งจะเพิ่มเวลาในการคายประจุ วิธีหนึ่งในการเอาชนะข้อเสียเปรียบคือการใช้สวิตช์ภายนอกเพื่อเพิ่มกระแสการปลดปล่อยดังแสดงด้านล่าง

MOSFET P-channel ภายในจะถูกกระตุ้นโดยคอนโทรลเลอร์ซึ่งทำให้เซลล์คายประจุ (I-bias) ผ่านตัวต้านทาน R1 และ R2 ค่าของ R2 ถูกเลือกในลักษณะที่แรงดันตกที่เกิดขึ้นเนื่องจากการไหลของกระแสปล่อย (I-bias) เพียงพอที่จะเรียก MOSFET N-channel ที่สอง แรงดันไฟฟ้านี้เรียกว่าแรงดันแหล่งกำเนิดเกต (Vgs) และกระแสที่ต้องการในการไบอัส MOSFET เรียกว่ากระแสไบซิง (I-bias)

เมื่อ MOSFET N-ช่องเปิดอยู่ในปัจจุบันในขณะนี้ไหลผ่านสมดุลต้านทานR-Bal ค่าของตัวต้านทานนี้อาจต่ำทำให้กระแสไหลผ่านได้มากขึ้นและทำให้แบตเตอรี่หมดเร็วขึ้น กระแสนี้เรียกว่ากระแสระบาย (I-drain) ในวงจรนี้กระแสที่ปล่อยออกมาทั้งหมดคือผลรวมของกระแสระบายและกระแสไบแอส เมื่อ P-channel MOSFET ถูกปิดโดยคอนโทรลเลอร์กระแสการให้น้ำหนักจะเป็นศูนย์ดังนั้นแรงดันไฟฟ้า Vgs จะได้รับเป็นศูนย์ ซึ่งจะเป็นการปิด MOSFET N-channel ทิ้งแบตเตอรี่เพื่อให้กลับมาสมบูรณ์แบบอีกครั้ง

ไอซีปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟ

แม้ว่าเทคนิคการปรับสมดุลแบบพาสซีฟจะไม่มีประสิทธิภาพ แต่ก็นิยมใช้กันมากขึ้นเนื่องจากความเรียบง่ายและต้นทุนต่ำ แทนที่จะออกแบบฮาร์ดแวร์คุณยังสามารถใช้ IC ที่มีอยู่ไม่กี่ตัวเช่น LTC6804 และ BQ77PL900 จากผู้ผลิตที่มีชื่อเสียงเช่นเครื่องมือ Linear และ Texas ตามลำดับ IC เหล่านี้สามารถเรียงซ้อนเพื่อตรวจสอบเซลล์หลายเซลล์และช่วยประหยัดเวลาและค่าใช้จ่ายในการพัฒนา

การ จำกัด ค่าธรรมเนียม

วิธีการ จำกัด การเรียกเก็บเงินเป็นวิธีที่ไม่มีประสิทธิภาพมากที่สุด ที่นี่จะพิจารณาเฉพาะเวลาความปลอดภัยและอายุการใช้งานของแบตเตอรี่ในขณะที่ให้ประสิทธิภาพ ในวิธีนี้จะมีการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์อย่างต่อเนื่อง

ในระหว่างกระบวนการชาร์จแม้ว่าเซลล์ใดเซลล์หนึ่งจะถึงแรงดันไฟฟ้าเต็มการชาร์จจะหยุดโดยปล่อยให้เซลล์อื่น ๆ อยู่ครึ่งทาง ในทำนองเดียวกันในระหว่างการคายประจุแม้ว่าเซลล์ใดเซลล์หนึ่งจะถึงแรงดันไฟฟ้าขั้นต่ำที่ตัดออกมาแบตเตอรี่จะถูกตัดการเชื่อมต่อจากโหลดจนกว่าแพ็คจะชาร์จอีกครั้ง

แม้ว่าวิธีนี้จะไม่มีประสิทธิภาพ แต่ก็ช่วยลดความต้องการด้านต้นทุนและขนาดได้ ดังนั้นจึงใช้ในแอพพลิเคชั่นที่มักจะชาร์จแบตเตอรี่

2. การปรับสมดุลของเซลล์ที่ใช้งานอยู่

ในการปรับสมดุลเซลล์แบบพาสซีฟจะไม่มีการใช้ประจุส่วนเกินดังนั้นจึงถือว่าไม่มีประสิทธิภาพ ในขณะที่การปรับสมดุลของประจุไฟฟ้าในรูปแบบที่ใช้งานอยู่เซลล์หนึ่งจะถูกถ่ายโอนไปยังอีกเซลล์หนึ่งที่มีประจุต่ำเพื่อทำให้เท่ากัน สิ่งนี้ทำได้โดยใช้องค์ประกอบการจัดเก็บประจุเช่นตัวเก็บประจุและตัวเหนี่ยวนำ มีหลายวิธีในการปรับสมดุลเซลล์แบบแอคทีฟให้พูดคุยเกี่ยวกับวิธีที่ใช้กันทั่วไป

ค่ารถรับส่ง (ตัวเก็บประจุแบบบิน)

วิธีนี้ใช้ตัวเก็บประจุเพื่อถ่ายโอนประจุจากเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงไปยังเซลล์ไฟฟ้าแรงต่ำ ตัวเก็บประจุเชื่อมต่อผ่านสวิตช์ SPDT ในตอนแรกสวิตช์จะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุกับเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงและเมื่อตัวเก็บประจุถูกชาร์จสวิตช์จะเชื่อมต่อกับเซลล์แรงดันไฟฟ้าต่ำซึ่งประจุจากตัวเก็บประจุจะไหลเข้าสู่เซลล์ เนื่องจากประจุไฟฟ้าเคลื่อนที่ระหว่างเซลล์จึงเรียกวิธีนี้ว่าเป็นประจุไฟฟ้า รูปด้านล่างจะช่วยให้คุณเข้าใจได้ดีขึ้น

ตัวเก็บประจุเหล่านี้เรียกว่าตัวเก็บประจุแบบบินเนื่องจากการบินระหว่างเซลล์ไฟฟ้าแรงต่ำและเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงที่มีเครื่องชาร์จ ข้อเสียเปรียบของวิธีนี้คือสามารถถ่ายโอนประจุได้ระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันเท่านั้น นอกจากนี้ยังต้องใช้เวลามากกว่าเนื่องจากต้องชาร์จตัวเก็บประจุจากนั้นจึงคายประจุออกเพื่อถ่ายโอนประจุ นอกจากนี้ยังมีประสิทธิภาพน้อยกว่ามากเนื่องจากจะมีการสูญเสียพลังงานในระหว่างการชาร์จและการคายประจุของตัวเก็บประจุและจะต้องคำนึงถึงการสูญเสียการสลับด้วย ภาพด้านล่างแสดงให้เห็นว่าจะเชื่อมต่อตัวเก็บประจุแบบบินได้อย่างไรในชุดแบตเตอรี่

ตัวแปลงอุปนัย (วิธี Buck Boost)

อีกวิธีหนึ่งของการปรับสมดุลเซลล์แบบแอคทีฟคือการใช้ตัวเหนี่ยวนำและวงจรสวิตชิ่ง ในวิธีนี้วงจรสวิตชิ่งประกอบด้วยตัวแปลงบูสต์บัค ประจุไฟฟ้าจากเซลล์ไฟฟ้าแรงสูงจะถูกสูบเข้าไปในตัวเหนี่ยวนำจากนั้นปล่อยลงในเซลล์แรงดันไฟฟ้าต่ำโดยใช้ตัวแปลงบูสต์บูสต์ รูปด้านล่างแสดงถึงตัวแปลงอุปนัยที่มีเพียงสองเซลล์และตัวแปลงบูสต์บัคเดี่ยว

ในวงจรด้านบนสามารถถ่ายโอนค่าใช้จ่ายจากเซลล์ 1 ไปยังเซลล์ 2 ได้โดยการสลับ MOSFETS sw1 และ sw2 ในลักษณะต่อไปนี้ ก่อนอื่นให้ปิดสวิตช์ SW1 สิ่งนี้จะทำให้ประจุจากเซลล์ 1 ไหลเข้าสู่ตัวเหนี่ยวนำด้วยประจุ I ปัจจุบัน เมื่อตัวเหนี่ยวนำชาร์จเต็มแล้วสวิตช์ SW1 จะเปิดขึ้นและสวิตช์ sw2 จะปิด

ตอนนี้ตัวเหนี่ยวนำที่ชาร์จเต็มแล้วจะกลับขั้วและเริ่มคายประจุ คราวนี้ประจุจะก่อตัวเป็นตัวเหนี่ยวนำไหลเข้าสู่เซลล์ 2 ด้วยกระแส I-discharge เมื่อตัวเหนี่ยวนำถูกปล่อยออกจนหมดสวิตช์ sw2 จะเปิดขึ้นและสวิตช์ sw1 จะปิดเพื่อทำซ้ำขั้นตอน รูปคลื่นด้านล่างจะช่วยให้คุณได้ภาพที่ชัดเจน

ในช่วงเวลา t0 สวิตช์ sw1 จะปิด (เปิดอยู่) ซึ่งจะทำให้กระแสที่ฉันชาร์จเพิ่มขึ้นและแรงดันไฟฟ้าข้ามตัวเหนี่ยวนำ (VL) จะเพิ่มขึ้น จากนั้นเมื่อตัวเหนี่ยวนำถูกชาร์จเต็มในเวลา t1 สวิตช์ sw1 จะเปิดขึ้น (ปิด) ซึ่งทำให้ตัวเหนี่ยวนำปล่อยประจุที่สะสมไว้ในขั้นตอนก่อนหน้า เมื่อตัวเหนี่ยวนำปล่อยประจุจะเปลี่ยนขั้วด้วยเหตุนี้แรงดันไฟฟ้า VL จึงแสดงเป็นลบ เมื่อปล่อยกระแสดิสชาร์จ (I discharge) ลดลงจากค่าสูงสุด กระแสทั้งหมดนี้เข้าสู่เซลล์ 2 เพื่อชาร์จไฟ อนุญาตให้มีช่วงเวลาเล็ก ๆ จากเวลา t2 ถึง t3 จากนั้นที่ t3 รอบทั้งหมดจะทำซ้ำอีกครั้ง

วิธีนี้ยังได้รับผลเสียจากข้อเสียที่สำคัญคือสามารถถ่ายโอนประจุจากเซลล์ที่สูงกว่าไปยังเซลล์ที่ต่ำกว่าเท่านั้น นอกจากนี้ควรพิจารณาการสูญเสียในการเปลี่ยนและแรงดันไฟฟ้าของไดโอดลดลง แต่เร็วกว่าและมีประสิทธิภาพมากกว่าวิธีตัวเก็บประจุ

ตัวแปลงอุปนัย (บินกลับตาม)

ดังที่เราได้กล่าวถึงวิธีการแปลงบัคบูสต์สามารถโอนประจุจากเซลล์ที่สูงกว่าไปยังเซลล์ที่ต่ำกว่าเท่านั้น ปัญหานี้สามารถหลีกเลี่ยงได้โดยใช้ตัวแปลง Fly back และหม้อแปลง ในตัวแปลงประเภทฟลายแบ็คด้านหลักของขดลวดจะเชื่อมต่อกับชุดแบตเตอรี่และด้านที่สองจะเชื่อมต่อกับแต่ละเซลล์ของชุดแบตเตอรี่ดังที่แสดงด้านล่าง

อย่างที่เราทราบกันดีว่าแบตเตอรี่ทำงานด้วย DC และหม้อแปลงจะไม่มีผลใด ๆ จนกว่าจะมีการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นในการเริ่มต้นกระบวนการชาร์จสวิตช์ที่ Sp ด้านขดลวดปฐมภูมิจะถูกสลับ สิ่งนี้จะแปลง DC เป็น DC แบบพัลซิ่งและเปิดใช้งานด้านหลักของหม้อแปลง

ตอนนี้ในด้านทุติยภูมิแต่ละเซลล์มีสวิตช์ของตัวเองและขดลวดทุติยภูมิ โดยการสลับมอสเฟ็ทของเซลล์แรงดันต่ำเราสามารถทำให้ขดลวดนั้นทำหน้าที่เป็นตัวรองสำหรับหม้อแปลงได้ วิธีนี้จะทำให้ประจุจากขดลวดปฐมภูมิถูกถ่ายโอนไปยังขดลวดทุติยภูมิ สิ่งนี้ทำให้แรงดันไฟฟ้าของก้อนแบตเตอรี่โดยรวมไหลออกสู่เซลล์ที่อ่อนแอ

ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของวิธีนี้คือเซลล์ที่อ่อนแอในแพ็คสามารถชาร์จได้ง่ายจากแรงดันไฟฟ้าของแพ็คและไม่ใช่เซลล์ใดเซลล์หนึ่งจะถูกปล่อยออกมา แต่เนื่องจากเกี่ยวข้องกับหม้อแปลงจึงใช้พื้นที่ขนาดใหญ่และความซับซ้อนของวงจรจึงสูง

3. สมดุลแบบไม่สูญเสีย

การปรับสมดุลแบบไม่สูญเสียเป็นวิธีการที่พัฒนาขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ซึ่งช่วยลดการสูญเสียโดยการลดส่วนประกอบฮาร์ดแวร์และให้การควบคุมซอฟต์แวร์มากขึ้น นอกจากนี้ยังทำให้ระบบง่ายขึ้นและออกแบบได้ง่ายขึ้น วิธีนี้ใช้วงจรสวิตชิ่งเมทริกซ์ซึ่งให้ความสามารถในการเพิ่มหรือลบเซลล์ออกจากแพ็คระหว่างการชาร์จและการคายประจุ วงจรสวิตชิ่งเมทริกซ์อย่างง่ายสำหรับแปดเซลล์แสดงไว้ด้านล่าง

ในระหว่างกระบวนการชาร์จเซลล์ที่มีไฟฟ้าแรงสูงจะถูกนำออกจากแพ็คโดยใช้การจัดเรียงสวิตช์ ในรูปด้านบนเซลล์ 5 จะถูกลบออกจากแพ็คโดยใช้สวิตช์ พิจารณาวงกลมเส้นสีแดงเป็นสวิตช์เปิดและวงกลมเส้นสีน้ำเงินที่จะปิดสวิตช์ ดังนั้นเวลาพักของเซลล์ที่อ่อนแอจะเพิ่มขึ้นในระหว่างกระบวนการชาร์จเพื่อให้สมดุลระหว่างการชาร์จ แต่ต้องปรับแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จให้เหมาะสม สามารถใช้เทคนิคเดียวกันนี้ได้ในระหว่างการคายประจุ

4. รีดอกซ์กระสวย

วิธีสุดท้ายไม่ใช่สำหรับนักออกแบบฮาร์ดแวร์ แต่สำหรับวิศวกรเคมี ในแบตเตอรี่ตะกั่วกรดเราไม่มีปัญหาเรื่องความสมดุลของเซลล์เพราะเมื่อแบตเตอรี่กรดตะกั่วมีประจุไฟฟ้ามากเกินไปจะทำให้เกิดแก๊สซึ่งป้องกันไม่ให้ชาร์จไฟเกิน แนวคิดเบื้องหลังกระสวยรีดอกซ์คือการพยายามให้เกิดผลเช่นเดียวกันกับเซลล์ลิเธียมโดยการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของอิเล็กโทรไลต์ของเซลล์ลิเธียม อิเล็กโทรไลต์ที่ปรับเปลี่ยนนี้ควรป้องกันไม่ให้เซลล์ถูกชาร์จไฟมากเกินไป

อัลกอริทึมการปรับสมดุลของเซลล์

เทคนิคการปรับสมดุลเซลล์ที่มีประสิทธิภาพควรรวมฮาร์ดแวร์เข้ากับอัลกอริทึมที่เหมาะสม มีอัลกอริทึมมากมายสำหรับการปรับสมดุลของเซลล์และขึ้นอยู่กับการออกแบบฮาร์ดแวร์ แต่ประเภทสามารถต้มได้ถึงสองส่วนที่แตกต่างกัน

การวัดแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV)

นี่เป็นวิธีที่ง่ายและทำตามกันมากที่สุด ที่นี่จะวัดแรงดันไฟฟ้าของเซลล์เปิดสำหรับแต่ละเซลล์และวงจรสมดุลของเซลล์จะทำงานเพื่อปรับค่าแรงดันไฟฟ้าของเซลล์ทั้งหมดที่เชื่อมต่อเป็นอนุกรม ง่ายต่อการวัด OCV (แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด) และด้วยเหตุนี้ความซับซ้อนของอัลกอริทึมนี้จึงน้อยลง

การวัดค่า Sate of Charge (SOC)

ด้วยวิธีนี้ SOC ของเซลล์จะสมดุล ดังที่เราทราบกันดีอยู่แล้วว่าการวัด SOC ของเซลล์เป็นงานที่ซับซ้อนเนื่องจากเราต้องคำนึงถึงแรงดันไฟฟ้าและค่าปัจจุบันของเซลล์ในช่วงระยะเวลาหนึ่งเพื่อคำนวณค่าของ SOC อัลกอริทึมนี้มีความซับซ้อนและใช้ในสถานที่ที่ต้องการประสิทธิภาพและความปลอดภัยสูงเช่นในอุตสาหกรรมการบินและอวกาศ

สรุปบทความได้ที่นี่ หวังว่าตอนนี้คุณจะได้ทราบคร่าวๆแล้วว่าการปรับสมดุลของเซลล์เป็นอย่างไรในระดับฮาร์ดแวร์และซอฟต์แวร์ หากคุณมีแนวคิดหรือเทคนิคใด ๆ โปรดแบ่งปันในส่วนความคิดเห็นหรือใช้ฟอรัมเพื่อขอความช่วยเหลือด้านเทคนิค