Analisi dello stato di equilibrio e algoritmo di equilibrio

In una batteria ideale, tutte le singole celle hanno la stessa capacità e si trovano sempre sullo stesso SoC, che è anche il SoC della batteria; Quando il SOC del pacco batteria è 100%, anche il SOC di tutte le celle è al 100%, il che limita l'ulteriore ricarica. Quando il SOC del pacco batteria è al 50%, tutte le singole celle sono anche SoC al 50% Quando la batteria è allo 0% di SoC, anche tutte le celle sono allo 0% di SOC e limitano l'ulteriore scarica. Anche se tutte le celle hanno la stessa capacità, se le cose sono a SOC diversi, il pacco batteria è sbilanciato;

Un pacco batteria composto da sei celle collegate in serie. Ogni rettangolo rappresenta una cella della batteria, la sua altezza rappresenta la sua capacità e la sua posizione verticale rappresenta il suo SoC. (a) Stessa capacità, bilanciata, (b) stessa capacità, non bilanciata, (c) capacità diverse, bilanciata in alto e (d) capacità diverse, bilanciata a metà. Quando la cella 2 è all'100% del SoC, limita qualsiasi ulteriore ricarica. Pertanto, il pacco batteria ha un SoC al 100%; C'è ancora più spazio per altre batterie, ma non possono essere ulteriormente caricate perché così facendo si sovraccaricherebbe la seconda batteria. Quando la batteria è al 50% di SoC, l'intervallo SoC di ciascuna cella è compreso tra circa il 30% e il 70%. Quando la batteria n. 4 è allo 0% di SoC, limita qualsiasi ulteriore scarica. Pertanto il SoC della batteria è pari allo 0%; Le altre batterie hanno ancora un po' di carica in più, ma non possono essere scaricate perché così facendo si scaricherebbe eccessivamente la batteria n. 4. Si noti che due diverse griglie di celle limitano la capacità del pacco batteria, con la n. 2 in alto e la n. 4 in fondo.

In un dato momento, lo stato di squilibrio (SoI) di un pacco batteria è la differenza tra il SoC della cella più carica e il SoC della cella meno carica nel pacco batteria. Ad esempio, se il SoC della batteria più carica è del 75% e il SoC della batteria meno carica è del 70%, il SoI della stringa sarà del 5%. Per i pacchi batteria con lo stesso SoC per le singole celle, il SoI è 0%.

Lo stato di equilibrio (SoB) del pacco batteria è pari al 100% meno SoI. Se il SoI del pacco batteria è del 5%, il suo SoB è del 95%. Nella discussione precedente, sono stati utilizzati riquadri per rappresentare l'intervallo SoC di ogni singola cella. Se questa rappresentazione non è molto buona, il seguente grafico della tensione della batteria e del livello SoC con il SoC del pacco batteria può trasmettere questo concetto più chiaramente.

In condizioni ideali di uguale capacità e bilanciamento, tutte le celle di un pacco batteria collegato in serie hanno la stessa capacità e, in qualsiasi momento, il SoC è lo stesso (Figura {{0}}). Quando il pacco batteria viene caricato o scaricato, tutte le tensioni delle celle rimangono costanti. Il SoC di ciascuna cella è lo stesso del pacco batteria (ad esempio, quando il SoC del pacco batteria è 50%, anche il SoC di ciascuna cella è 50%). Potresti capire che la curva sopra è solo per le batterie agli ioni di litio OCV e NMC del SoC. Tutte e tre le celle della batteria seguono questa curva. La curva inferiore rappresenta il SoC della cella della batteria e il SoC del pacco batteria, in questo caso è una linea retta dallo 0% al 100% con un rapporto di 1:1-a. Il diagramma schematico di tre celle della batteria collegate in serie su un SoC al 50% corrisponde alla linea verticale al centro delle due figure. Quando il pacco batteria è pieno, tutte le celle hanno un SoC al 100%; Non esiste alcun limite di ricarica per una singola cella della batteria: si caricano tutte contemporaneamente. Allo stesso modo, quando la batteria è scarica, il SoC di tutte le celle è 0%; Nessuna batteria singola può limitare la scarica: tutte limitano la scarica contemporaneamente. La capacità del pacco batteria è uguale alla capacità di ciascuna cella della batteria (10 ore in questo esempio). Ciò significa che è disponibile l'intera capacità di ciascuna cella. Pertanto, lo stato di equilibrio del pacco batteria è al 100% (indicando l'equilibrio completo del pacco batteria) e lo stato di squilibrio è 0% (indicando nessuno squilibrio).

Se la capacità è la stessa, ma il SoC all'inizio è diverso (come mostrato nella Figura {{0}}), allora una batteria limita la carica (batteria 1 in questo esempio) e l'altra batteria limita la scarica ( batteria 3 in questo esempio). Pertanto, la capacità della batteria è diminuita. La curva sopra mostra la relazione tra tensione e carica per tre tipi di batterie agli ioni di litio. Si noti che la forma della curva è la stessa. Si muovono solo a sinistra (l'unità n. 1 ha un SoC più alto) o a destra (l'unità n. 3 ha un SoC inferiore). La curva inferiore è il "SoC e SoC del pacco batteria" di tre celle (non 1:1 in questo caso). Tieni presente che la pendenza è la stessa perché le tre celle hanno la stessa capacità. Si spostano semplicemente a sinistra o a destra. Quando la stringa è allo 0% di SoC (estremità sinistra del grafico), la cella n. 3 è vuota e lo scarico è disabilitato. Le altre due batterie hanno ancora alta tensione (3,38 V per la batteria 2 e 3,6 V per la batteria 1) e carica (20% SoC per la batteria 2 e 40% SoC per la batteria 1). Tuttavia, questa ricarica non è disponibile perché non può scaricare la cella n. 3. Quando il SoC della batteria è al 50% (linea verticale al centro del grafico), il SoC della cella 1 è al 70%, il SoC della cella 2 è del 50% e il SoC della cella 3 è del 30%.

Quando la batteria è al 100% SoC (all'estremità destra della figura), la cella n. 1 è piena e la ricarica è disabilitata; La tensione delle altre due batterie è inferiore (3,87 V per la batteria 2 e 3,75 V per la batteria 3) e possono ancora accettare una carica maggiore (80% SoC per la batteria 2 e 60% SoC per la batteria 3). Tuttavia, questo spazio non è disponibile poiché non può essere caricato a meno che la batteria n. 1 non sia sovraccarica. Ciascuna batteria funziona entro un intervallo SoC limitato: • Il SoC della batteria n. 1 limita la carica, dal 40% al 100%; Il range del SoC dell'Unità 2 va dal 20% all'80%; SoC per batteria 3, scarica limitata, compresa tra 0% e 60%. Il delta all'interno della gamma SoC di tutte le batterie è del 60% sull'intera gamma. Ciò significa che solo il 60% della capacità dell'unità è disponibile per le stringhe e il 40% non è disponibile a causa di uno squilibrio: lo stato di equilibrio della batteria è al 60% e il suo stato di squilibrio è al 40%. La capacità di ciascuna cella della batteria è di 10 ore, ma la capacità della batteria è di sole 6 ore (60% di 10 ore).

Quando le celle di una batteria hanno capacità diverse (e in effetti è così), la batteria può essere bilanciata solo a livello SoC di una singola cella. In altri luoghi, le batterie hanno diversi livelli di SoC. Quando la batteria viene caricata o scaricata da questo punto, il SoC della batteria diverge. Quindi, quando la batteria ritorna al livello SoC originale, i SoC di tutte le celle vengono riassemblati. Nella Figura 3-13, la curva superiore rappresenta la relazione tra la tensione e la carica di tre celle della batteria. Si noti che queste curve hanno la stessa forma generale. Cambierà solo la loro larghezza. Se la capacità è elevata (cella 1), la curva sarà più ampia; Se la capacità è bassa, la curva è stretta (cella n. 3). La curva inferiore rappresenta il SoC di tre celle della batteria e il SoC del pacco batteria. Tieni presente che le pendenze sono diverse perché queste tre celle hanno capacità diverse: data la corrente che scorre dentro o fuori dal pacco batteria, il SoC della batteria a bassa capacità cambia più velocemente di quello della batteria ad alta capacità.

In questo esempio:

Quando il pacco batteria è al 0% SoC (estremità sinistra del grafico), la cella n. 3 è vuota e non può essere scaricata; Le altre due celle hanno ancora carica (la cella 1 è al 40% di SoC, la cella n. 2 è al 20% di SoC), la cella 1 è a 3,5 V, la cella 2 è a 3,38 V e la differenza di SoC tra la cella n. # 3 è al 40%, il che significa che lo stato sbilanciato della batteria è al 40%.

Quando il pacco batteria ha un SoC al 50% (linea verticale al centro del grafico), il SoC delle tre batterie è al 50%, quindi la tensione è la stessa a 3,65 V.

SoB è 100%, SoI è 0%.

Quando il pacco batteria è al 100% SoC (estremità destra del diagramma), la cella n. 3 è piena e non può essere caricata; Le altre due celle possono ancora accettare più carica (cella 1 al 60% SoC e cella 2 all'80% SoC), con la cella 1 a 3,82 V e la cella 2 a 3,9 V. La differenza nel SoC tra le batterie n. 1 e n. 3 è del 40%, il che significa che lo stato di squilibrio del pacco batteria è del 40%.

Per bilanciare il pacco batteria, il BMS controlla la tensione della batteria per determinare quali batterie sono sbilanciate. Tuttavia, poiché le curve di OCV e SoC non sono una linea retta, la differenza di tensione tra le due batterie non è direttamente proporzionale alla loro differenza di carica. A parità di squilibrio, la differenza di tensione tra due batterie collegate in serie dipende da molteplici fattori: grado di squilibrio: maggiore è il grado di squilibrio, maggiore è la differenza di tensione; SoC del pacco batteria: a causa della forma delle curve OCV e SoC, la differenza di tensione è più pronunciata a livelli SoC bassi e alti; Chimica della batteria: per le batterie LFP, nel SOC, indipendentemente dal SoI, la tensione della batteria è quasi la stessa; La differenza di tensione diventa significativa solo quando il SoC è ai livelli basso e alto. Questi grafici rappresentano la differenza di tensione tra due batterie e il SoC di stringa, con quantità variabili di squilibrio del SoC tra di loro. Ad esempio, la curva del 10% viene utilizzata quando il SoC di un'unità è superiore del 10% rispetto a quello di un'altra unità. Per le unità NMC, è difficile rilevare uno squilibrio dell'1%, ad eccezione dei SoC inferiori al 5% (Figura 3.18 (a)); Uno squilibrio del 10% è facilmente rilevabile, ad eccezione di circa il 35% del SoC. Per le unità LFP, è facile rilevare uno squilibrio dell'1% quando il SoC è inferiore al 10% e superiore al 95% (Figura 3.18 (b)). In altri luoghi è quasi impercettibile; Quando il SoC è al 50%, è possibile rilevare solo il 30% di grave squilibrio. Pertanto, sebbene le batterie LFP siano molto adatte per applicazioni di potenza, è in realtà impossibile raggiungere un equilibrio intermedio con le batterie tampone con batterie LFP. Tentare di bilanciare un pacco batteria in un'area in cui la tensione delta è troppo bassa non solo non ha senso, ma rischia anche di ritorcersi contro, poiché altri fattori possono influenzare la differenza nella tensione del terminale della batteria più dello squilibrio.

La differenza nella corrente di autoscarica è la causa diretta dello squilibrio della batteria. Il SoC delle batterie con elevata autoscarica diminuisce più velocemente di quello delle batterie con bassa autoscarica. Col passare del tempo, i livelli SoC di ciascuna cella della batteria si differenziano e lo stato di squilibrio aumenta. Sebbene tutte le batterie si scarichino automaticamente alla velocità minima, alcune sono più veloci di altre, soprattutto a temperature diverse (Figura {{0}} (a)). Lo scenario peggiore si verifica quando alcune batterie sono a temperatura ambiente mentre altre sono calde (ad esempio perché sono installate accanto a un caricabatterie). La corrente di autoscarica della batteria più fredda è 0,000023C, mentre la corrente di autoscarica della batteria più calda è 0,00017C,

Differenza di 0,00015 gradi Celsius. A causa di questa differenza, la corda diventerà più sbilanciata dell’11% ogni mese. Per compensare la variazione della corrente di autoscarica tra le batterie, BMS ottiene una corrente bilanciata dalla batteria con la corrente di autoscarica più bassa. Questa corrente di equilibrio è esattamente uguale alla differenza nella corrente di autoscarica tra questa batteria e la batteria con l'autoscarica più elevata. Nell'esempio mostrato in figura, si noti come il BMS garantisce che ciascuna cella si scarichi con la stessa corrente di 150 μ A fornendo corrente di scarica aggiuntiva alle celle con bassa corrente di autoscarica. In alternativa, il BMS può caricare la batteria con la corrente di autoscarica più elevata per compensare la differenza.

L'algoritmo di bilanciamento si basa sul bilanciamento della tensione: solo quando la batteria è al valore di bilanciamento impostato, viene bilanciata in base alla lettura della tensione della batteria; Basato sul SoC (previsione): può essere bilanciato in qualsiasi momento, in base ai livelli SoC stimati della batteria