Quản lý cân bằng hệ thống pin điện
Để cân bằng sự khác biệt về công suất và năng lượng giữa các ô riêng lẻ trong bộ pin và cải thiện tốc độ sử dụng năng lượng của bộ pin, cần có mạch cân bằng trong quá trình sạc và xả. Dựa trên cách tiêu thụ năng lượng của mạch trong quá trình cân bằng, mạch có thể được chia thành hai loại chính: loại tiêu tán năng lượng và loại không tiêu tán năng lượng. Loại tiêu tán năng lượng sẽ tiêu tán năng lượng dư thừa dưới dạng nhiệt, trong khi loại không tiêu tán năng lượng sẽ truyền hoặc chuyển đổi năng lượng dư thừa sang các loại pin khác.
quản lý trạng thái cân bằng loại tiêu hao năng lượng-
Các mạch cân bằng-tiêu tán năng lượng đạt được sự cân bằng bằng cách chuyển dòng điện sạc qua các điện trở song song trong từng ô pin riêng lẻ, như minh họa trong Hình 8-12. Cấu trúc mạch này đơn giản và quá trình cân bằng thường được hoàn thành trong quá trình sạc. Tuy nhiên, nó không thể bổ sung năng lượng cho từng tế bào có công suất thấp, dẫn đến lãng phí năng lượng và tăng tải cho hệ thống quản lý nhiệt. Các thiết bị điện loại tiêu tán năng lượng thường được chia thành hai loại:
Các thiết bị điện loại tiêu tán năng lượng thường rơi vào hai loại: Thứ nhất, mạch sạc cân bằng điện trở shunt không đổi, trong đó điện trở shunt luôn được kết nối song song với từng ngăn pin. Phương pháp này được đặc trưng bởi độ tin cậy cao và giá trị điện trở shunt lớn, làm giảm sự khác biệt về điện áp của từng tế bào do sự tự phóng điện qua một shunt cố định. Nhược điểm của nó là điện trở shunt liên tục tiêu thụ điện năng trong quá trình sạc và xả, dẫn đến tổn thất năng lượng đáng kể; nó thường phù hợp cho các ứng dụng mà năng lượng có thể được bổ sung kịp thời.
Thứ hai, mạch sạc cân bằng điện trở shunt được điều khiển bằng công tắc-, trong đó điện trở shunt được điều khiển bằng công tắc. Trong quá trình sạc, khi điện áp của từng pin đạt đến điện áp cắt, thiết bị cân bằng sẽ ngăn chặn việc sạc quá mức và chuyển năng lượng dư thừa thành nhiệt. Mạch cân bằng này hoạt động trong quá trình sạc và có thể chuyển dòng điện đến từng tế bào có điện áp cao hơn trong quá trình sạc. Nhược điểm của nó là do thời gian cân bằng hạn chế nên lượng nhiệt lớn sinh ra trong quá trình shunt cần được tiêu tán kịp thời thông qua hệ thống quản lý nhiệt, điều này đặc biệt dễ nhận thấy ở các bộ pin có dung lượng lớn hơn.
Ví dụ: trong bộ pin 10Ah, chênh lệch điện áp 100mV có thể dẫn đến chênh lệch dung lượng trên 500mAh. Nếu thời gian cân bằng là 2 giờ, dòng điện shunt là 250mA, điện trở shunt xấp xỉ 14Ω và nhiệt sinh ra khoảng 2Wh.
Quản lý cân bằng loại không tiêu tán năng lượng
Mạch tiêu tán năng lượng không{0}}tiêu thụ ít năng lượng hơn nhiều so với mạch tiêu tán năng lượng nhưng cấu trúc mạch của chúng tương đối phức tạp. Chúng có thể được chia thành hai loại: cân bằng chuyển đổi năng lượng và cân bằng truyền năng lượng.
Cân bằng chuyển đổi năng lượng
Cân bằng chuyển đổi năng lượng sử dụng tín hiệu chuyển mạch để bổ sung năng lượng cho từng ô riêng lẻ từ bộ pin tổng thể hoặc chuyển đổi năng lượng của từng ô trở lại bộ pin tổng thể. Việc chuyển đổi từ năng lượng riêng lẻ sang năng lượng tổng thể thường xảy ra trong quá trình sạc pin, như trong Hình 8-13. Mạch này phát hiện điện áp của từng tế bào riêng lẻ; khi điện áp của một ô riêng lẻ đạt đến một giá trị nhất định, mô-đun cân bằng sẽ bắt đầu hoạt động. Nó chuyển hướng dòng sạc trong từng ô riêng lẻ để giảm điện áp sạc và dòng điện chuyển hướng được mô-đun chuyển đổi và đưa trở lại bus sạc, đạt được sự cân bằng. Một số phương pháp cân bằng chuyển đổi năng lượng cũng có thể sử dụng cuộn cảm quay tự do để hoàn thành quá trình chuyển đổi năng lượng từ từng tế bào sang bộ pin.
Mạch chuyển đổi năng lượng của toàn bộ bộ pin thành từng ô riêng lẻ được hiển thị trong Hình 8-14. Phương pháp này còn được gọi là cân bằng bổ sung. Trong quá trình sạc, mô-đun sạc chính sẽ sạc bộ pin trước tiên, trong khi mạch phát hiện điện áp sẽ giám sát từng tế bào riêng lẻ. Khi điện áp của bất kỳ ô riêng lẻ nào quá cao, mạch sạc chính sẽ tắt và sau đó mô-đun sạc cân bằng bổ sung bắt đầu sạc bộ pin. Thông qua thiết kế được tối ưu hóa, điện áp sạc trong mô-đun cân bằng được áp dụng cho từng tế bào riêng lẻ thông qua bộ chuyển đổi DC/DC độc lập và máy biến áp cuộn dây đồng trục, bổ sung thêm cuộn dây thứ cấp giống hệt nhau. Điều này đảm bảo rằng các tế bào có điện áp cao hơn nhận được ít năng lượng hơn từ mạch sạc phụ, trong khi các tế bào có điện áp thấp hơn nhận được nhiều năng lượng hơn, do đó đạt được sự cân bằng. Vấn đề với phương pháp này là việc kiểm soát tính nhất quán của cuộn thứ cấp rất khó khăn. Ngay cả với các vòng dây giống hệt nhau, xét đến độ tự cảm rò rỉ của máy biến áp và độ tự cảm lẫn nhau giữa các cuộn dây thứ cấp, các ô riêng lẻ có thể không nhận được cùng một điện áp sạc. Hơn nữa, cuộn dây đồng trục cũng gặp phải hiện tượng tiêu tán năng lượng và phương pháp cân bằng này chỉ giải quyết được sự mất cân bằng khi sạc mà không giải quyết được sự mất cân bằng ở trạng thái phóng điện.
Cân bằng chuyển giao năng lượng
Cân bằng truyền năng lượng sử dụng các phần tử lưu trữ năng lượng như cuộn cảm hoặc tụ điện để truyền điện tích từ-các ô riêng lẻ có dung lượng cao sang-các ô có dung lượng thấp hơn trong bộ pin, như minh hoạ trong Hình 8-15. Mạch này truyền năng lượng giữa các ô lân cận bằng cách chuyển đổi tụ điện, di chuyển điện tích từ các ô có điện áp cao-sang các ô có điện áp thấp-để đạt được sự cân bằng. Ngoài ra, có thể đạt được sự truyền năng lượng hai chiều giữa các tế bào lân cận bằng cách sử dụng bộ lưu trữ năng lượng cảm ứng. Mạch này có mức tiêu hao năng lượng rất thấp nhưng yêu cầu chuyển nhiều lần trong quá trình cân bằng, dẫn đến thời gian cân bằng lâu và không phù hợp với bộ pin nhiều{9}}cell. Phương pháp cân bằng chuyển mạch tụ điện cải tiến có thể tăng tốc độ cân bằng bằng cách chọn từng ô có điện áp cao nhất và điện áp thấp nhất để truyền năng lượng. Tuy nhiên, việc xác định năng lượng và thực hiện mạch chuyển mạch trong cân bằng truyền năng lượng là tương đối khó khăn.
Bên cạnh các phương pháp cân bằng ở trên, sạc nhỏ giọt cũng có thể được sử dụng để đạt được sự cân bằng pin trong các ứng dụng sạc. Đây là phương pháp đơn giản nhất và không cần mạch phụ trợ bên ngoài. Quá trình này liên quan đến việc sạc liên tục-bộ pin được kết nối bằng dòng điện nhỏ. Vì dòng sạc rất nhỏ nên việc sạc quá mức ít ảnh hưởng đến pin đã được sạc đầy. Vì pin được sạc đầy không thể chuyển đổi nhiều năng lượng điện thành năng lượng hóa học nên năng lượng dư thừa sẽ được chuyển thành nhiệt. Tuy nhiên, pin chưa được sạc đầy có thể tiếp tục nhận năng lượng điện cho đến khi được sạc đầy. Bằng cách này, sau một thời gian tương đối dài, tất cả pin sẽ được sạc đầy, nhờ đó đạt được sự cân bằng dung lượng. Tuy nhiên, phương pháp này đòi hỏi thời gian sạc cân bằng rất dài và tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể để đạt được sự cân bằng. Hơn nữa, phương pháp này không hiệu quả trong việc quản lý cân bằng lưu lượng.
Các vấn đề trong ứng dụng
Các giải pháp cân bằng pin hiện tại chủ yếu xác định dung lượng pin dựa trên phương pháp cân bằng dựa trên điện áp-điện áp-của bộ pin. Để đạt được sự cân bằng của bộ pin, độ chính xác và độ chính xác cao trong việc phát hiện điện áp là rất quan trọng. Dòng điện rò rỉ trong mạch phát hiện điện áp ảnh hưởng trực tiếp đến tính ổn định của bộ pin. Vì vậy, việc thiết kế một mạch phát hiện điện áp đơn giản và hiệu quả là một thách thức chính đối với các mạch cân bằng. Hơn nữa, điện áp không phải là thước đo duy nhất về dung lượng pin. Điện trở trong và điện trở tiếp xúc trong phương pháp kết nối cũng gây ra sự thay đổi điện áp. Do đó, việc chỉ dựa vào điện áp để cân bằng có thể dẫn đến tình trạng cân bằng quá mức và lãng phí năng lượng. Trong trường hợp nghiêm trọng, nó thậm chí có thể gây ra sự mất cân bằng trong bộ pin, mặc dù đã cân bằng dung lượng ban đầu.
Mạch tiêu tán năng lượng có cấu trúc đơn giản nhưng điện trở cân bằng tiêu thụ năng lượng trong quá trình chuyển dòng điện và tạo ra nhiệt, gây ra các vấn đề về quản lý nhiệt. Vì về cơ bản chúng hạn chế điện áp đầu cực quá cao hoặc quá thấp trong từng tế bào thông qua sự tiêu tán năng lượng nên chúng chỉ thích hợp để cân bằng tĩnh. Mức tăng nhiệt độ-cao làm giảm độ tin cậy của hệ thống, khiến chúng không phù hợp cho việc cân bằng động. Phương pháp này chỉ phù hợp với những bộ pin có dung lượng nhỏ hoặc{4}}thấp.
Mạch truyền năng lượng là một phương pháp bù dung lượng pin, trong đó pin-dung lượng cao hơn sẽ đóng góp một phần năng lượng để bù cho pin-có dung lượng thấp hơn. Mặc dù khả thi nhưng phương pháp này phức tạp, cồng kềnh và tốn kém do cần theo dõi điện áp của từng tế bào trong mạch thực tế. Hơn nữa, việc truyền năng lượng được thực hiện thông qua một phương tiện lưu trữ năng lượng, điều này gây ra các vấn đề về tiêu thụ và kiểm soát năng lượng. Phương pháp cân bằng này thường được sử dụng trong các bộ pin có kích thước từ trung bình đến lớn.
Mặt khác, các mạch chuyển đổi năng lượng sử dụng nguồn điện chuyển mạch để đạt được sự chuyển đổi năng lượng. So với các mạch truyền năng lượng, chúng ít phức tạp hơn và ít tốn kém hơn. Tuy nhiên, đối với cuộn dây đồng trục, độ dài và hình dạng khác nhau của dây nối cuộn dây với mỗi ô dẫn đến tỷ lệ biến đổi khác nhau, dẫn đến việc cân bằng từng ô không nhất quán và dẫn đến lỗi cân bằng. Ngoài ra, cuộn dây đồng trục cũng tiêu thụ năng lượng do rò rỉ điện từ và các vấn đề khác.
