بالانس باتری چیست؟ آموزش ایجاد تعادل سلولی

مقدار ولتاژ نامی یک سلول لیتیومی فقط حدود 4.2 ولت است، اما در کاربرد های آن مانند خودرو الکتریکی، لوازم الکترونیکی قابل حمل، لپ تاپ ها، پاوربانک ها و… ما به ولتاژ بسیار بالاتری نسبت به ولتاژ نامی آن نیاز داریم. به همین دلیل است که طراحان بیش از یک سلول را به صورت سری ترکیب می کنند تا یک بسته باتری با مقادیر ولتاژ بالاتر را تشکیل دهند.

همانطور که از مقاله قبلی درمورد باتری خودروی الکتریکی می دانیم، هنگامی که باتری ها به صورت سری ترکیب می شوند، مقدار ولتاژ اضافه می شود. به عنوان مثال هنگامی که چهار سلول لیتیوم 4.2 ولتی به صورت سری متصل می شوند، ولتاژ خروجی موثر بسته باتری 16.8 ولت خواهد بود.

تصور کنید که چندین سلول به صورت سری بهم متصل شوند مانند بستن اسب های زیادی به یک ارابه. فقط هنگامی که همه اسب ها با سرعت یکسان بدوند ارابه با حداکثر کارایی خود حرکت می کند. از هر چهار اسب اگر یک اسب آهسته بدود، سه اسب دیگر نیز باید سرعت خود را کاهش دهند و در نتیجه کارایی را کاهش دهند و اگر یک اسب سریعتر بدود، در نهایت با کشیدن بار سه اسب دیگر به خود آسیب می رساند. به طور مشابه، هنگامی که چهار سلول به صورت سری بهم متصل می شوند، مقادیر ولتاژ هر چهار سلول باید برابر باشد تا از بسته باتری حداکثر بازده استخراج شود. روش ثابت نگه داشتن ولتاژهای همه سلول ها را تعادل سلولی می نامند. در این مقاله بیشتر در مورد تعادل سلولی و همچنین نحوه استفاده از آن ها در سطح سخت افزاری و نرم افزاری بیشتر خواهیم آموخت.

چرا به تعادل سلولی نیاز داریم؟

تعادل سلولی تکنیکی است که در آن سطوح ولتاژ همه سلول ها که به صورت سری برای تشکیل یک بسته باتری بهم متصل شده اند، برای رسیدن به حداکثر بازده بسته باتری یکسان نگه داشته می شود.

هنگامی که سلول های مختلف با هم ترکیب می شوند و یک باتری تشکیل می دهند، همیشه مطمئن می شویم که از نظر شیمیایی و ولتاژ یکسان باشند. اما هنگامی که بسته نصب می شود و در معرض شارژ و دشارژ قرار می گیرد، مقادیر ولتاژ هرسلول به دلایلی تغییر می کند که بعداً به آن ها خواهیم پرداخت. این تغییر در سطوح ولتاژ باعث عدم تعادل سلولی می شود که منجر به یکی از مشکلات زیر خواهد شد.

فرار حرارتی

بدترین چیزی که می تواند اتفاق بیفتد فرار حرارتی است. همانطور که می دانیم سلول های لیتیوم به شارژ بیش از حد و تخلیه بیش از حد بسیار حساس هستند. در یک بسته چهار سلولی، اگر یک سلول 3.5 ولت و دیگری 3.2 ولت باشد، شارژر تمام سلول ها را با هم شارژ می کند، زیرا آن ها به صورت سری هستند و سلول 3.5 ولتی را تا ولتاژی بیش از ولتاژ توصیه شده شارژ می کند، زیرا باتری های دیگر هنوز هستند و نیاز به شارژ دارند.

تخریب سلولی

هنگامی که یک سلول لیتیوم حتی کمی بیش از مقدار توصیه شده شارژ شود، بازده و چرخه عمر سلول کاهش می یابد. به عنوان مثال، افزایش جزئی در ولتاژ شارژ از 4.2 ولت به 4.25 ولت، باتری را تا 30 درصد سریعتر تخریب می‌کند. بنابراین اگر تعادل سلولی دقیق نباشد، حتی شارژ بیش از حد جزئی، زمان عمر باتری را کاهش می دهد.

شارژ ناقص بسته

هنگامی که باتری های یک بسته قدیمی تر می شوند، سلول های کمی ممکن است ضعیف تر از سلول های مجاور خود باشند. این سلول ها با مشکل بزرگی مواجه خواهند بود زیرا سریعتر از یک سلول سالم معمولی شارژ و تخلیه می شوند. هنگام شارژ بسته باتری با سلول های سری، حتی اگر یک سلول به حداکثر ولتاژ برسد فرآیند شارژ باید متوقف شود. به این ترتیب اگر دو سلول در یک بسته باتری سریعتر شارژ شوند، سلول های باقیمانده مطابق شکل زیر تا حداکثر مقدار خود شارژ نمی شوند.

استفاده ناقص از انرژی بسته

به طور مشابه در حالت تخلیه بسته باتری، سلول های ضعیف سریعتر از سلول های سالم تخلیه می شوند و سریعتر از سایر سلول ها به حداقل ولتاژ می رسند. همانطور که در مقاله BMS خود آموختیم، حتی اگر یک سلول به حداقل ولتاژ برسد، بسته از بار جدا می شود. این منجر به ظرفیت بلااستفاده از انرژی بسته مانند شکل زیر می شود.

با در نظر گرفتن تمام معایب احتمالی بالا، می‌توان نتیجه گرفت که برای استفاده از بسته باتری تا حداکثر بازده‌ آن، تعادل سلولی الزامی است.

کاربرد های کمی وجود دارد که هزینه اولیه آن بسیار کم است و جایگزینی باتری در آن مشکلی نیست. در این کاربرد ها می توان از تعادل سلولی اجتناب کرد. اما در اکثر کاربرد ها از جمله وسایل نقلیه الکتریکی، تعادل سلولی برای دریافت حداکثر بازده از بسته باتری الزامی است.

علت عدم بالانس سلولی در بسته های باتری چیست؟

اکنون می دانیم که چرا حفظ تعادل همه سلول ها در یک باتری مهم است. اما برای رسیدگی صحیح به این مشکل در مرحله اول باید بدانیم که چرا سلول ها نامتعادل می شوند.

همانطور که قبلاً گفته شد، هنگامی که یک بسته باتری با قرار گرفتن سلول ها بصورت سری تشکیل می شود، اطمینان حاصل می شود که تمام سلول ها در سطوح ولتاژ یکسانی هستند. بنابراین یک بسته باتری تازه همیشه سلول های متعادلی خواهد داشت. اما با استفاده از بسته، سلول ها به دلایل زیر نامتعادل می شوند.

عدم تعادل SOC

اندازه گیری SOC یک سلول پیچیده است. بنابراین اندازه گیری SOC همه سلول ها‌ در‌ یک باتری بسیار پیچیده است. یک تکنیک تعادل سلولی ایده آل باید به جای سطوح ولتاژ یکسان (OCV) با سلول های SOC یکسان باشد. اما از آنجا که عملاً امکان پذیر نیست که سلول‌ ها تنها از نظر ولتاژ در هنگام ساخت یک بسته مطابقت داشته باشند، تغییر در SOC ممکن است منجر به تغییر در OCV در زمان مناسب شود.

تغییر مقاومت داخلی

یافتن سلول هایی با مقاومت داخلی یکسان (IR) بسیار سخت است و با افزایش سن باتری، IR سلول نیز تغییر می کند و بنابراین در یک بسته باتری همه سلول ها IR یکسانی ندارند. همانطور که می دانیم IR به امپدانس داخلی سلول کمک می کند که جریان عبوری از یک سلول را تعیین کند. از آنجا که IR متغیر است، جریان عبوری از سلول و ولتاژ آن نیز متغیر می شود.

دما

ظرفیت شارژ و تخلیه سلول نیز به دمای اطراف آن بستگی دارد. در یک بسته باتری بزرگ مانند خودرو های برقی یا آرایه‌ های خورشیدی، سلول‌ها در مناطقی که اتلاف گرما داریم توزیع می‌شوند و ممکن است اختلاف دما در بین سلول های بسته وجود داشته باشد که باعث شود یک سلول سریعتر از سلول‌ های دیگر شارژ یا تخلیه شود که باعث عدم تعادل می‌شود.

از دلایل فوق واضح است که ما نمی توانیم از عدم تعادل سلولی در حین عملکرد وسیله نقلیه الکتریکی جلوگیری کنیم. بنابراین، تنها راه حل استفاده از یک سیستم خارجی است که سلول ها را مجبور می کند پس از نامتعادل شدن دوباره تعادل پیدا کنند. این سیستم Battery Balancing System (سیستم متعادل کننده باتری) نامیده می شود. انواع مختلفی از تکنیک‌های سخت‌افزاری و نرم‌افزاری برای متعادل کردن سلول باتری استفاده می‌شود.

بیایید در ادامه‌ مورد انواع و تکنیک های پرکاربرد آن صحبت کنیم.

انواع تعادل سلولی باتری

تکنیک های تعادل سلولی را می توان به طور کلی به چهار دسته زیر طبقه بندی کرد. در مورد هر دسته بحث خواهیم کرد.

1. تعادل سلولی غیرفعال (passive)
2. تعادل سلولی فعال (active)
3. تعادل سلولی بدون تلفات
4. Redox Shuttle

1. تعادل سلولی غیرفعال

روش تعادل سلولی غیرفعال از همه روش ها ساده تر  است. می توان از آن در جا هایی استفاده کرد که هزینه و اندازه محدودیت های اصلی هستند. در زیر دو نوع تعادل سلولی غیرفعال آمده است.

شنت کردن شارژ

در این روش از یک بار ساختگی مانند یک مقاومت برای تخلیه ولتاژ اضافی و یکسان سازی آن با سلول های دیگر استفاده می شود. این مقاومت‌ ها به عنوان مقاومت‌ های بای‌ پس یا مقاومت‌ های بلیدر نامیده می‌شوند. هر سلولی که به صورت سری در یک بسته متصل می شود، دارای مقاومت بای پس مخصوص به خود است که از طریق یک کلید مانند تصویر زیر متصل شده است.

مدار نمونه بالا چهار سلول را نشان می دهد که هر کدام از طریق کلیدی مانند ماسفت به دو مقاومت بای پس متصل هستند. کنترلر ولتاژ هر چهار سلول را اندازه گیری می کند و ماسفت را برای سلولی که ولتاژ آن بالاتر از سلول های دیگر است روشن می کند. هنگامی که ماسفت روشن می شود، آن سلول خاص شروع به تخلیه از طریق مقاومت ها می کند. از آنجا که ما مقدار مقاومت ها را می دانیم، می توانیم پیش بینی کنیم که چقدر شارژ توسط سلول تخلیه می شود. خازن متصل به موازات سلول برای فیلتر کردن ولتاژ در هنگام سوئیچینگ استفاده می شود.

این روش بسیار کارآمد نیست زیرا انرژی الکتریکی به عنوان گرما در مقاومت ها پراکنده می شود و مدار نیز تلفات سوئیچینگ را گزارش می کند. اشکال دیگر این روش این است که کل جریان تخلیه از طریق ماسفت جریان می یابد که عمدتاً در IC کنترلر ساخته شده است و از این رو جریان تخلیه باید به مقادیر کم محدود شود که زمان تخلیه را افزایش می دهد. یکی از راه های غلبه بر این عیب، استفاده از کلید خارجی برای افزایش جریان تخلیه مطابق شکل زیر است.

ماسفت داخلی کانال P توسط کنترلر فعال می شود که باعث تخلیه سلول (I-bias) از طریق مقاومت های R1 و R2 می شود. مقدار R2 به گونه ای انتخاب می شود که افت ولتاژی که در سراسر آن به دلیل جریان تخلیه (I-bias) رخ می دهد برای راه اندازی ماسفت دوم کانال N کافی باشد. این ولتاژ را ولتاژ منبع گیت (Vgs) و جریان مورد نیاز برای بایاس ماسفت را جریان بایاس (I-bias) می نامند.

هنگامی که ماسفت کانال N روشن می شود، اکنون جریان از مقاومت متعادل کننده (R-Bal) عبور می کند. مقدار این مقاومت ممکن است کم باشد و جریان بیشتری از آن عبور کند و در نتیجه باتری را سریعتر تخلیه کند. این جریان را جریان درین (I-drain) می نامند.

در این مدار جریان تخلیه کل برابر با مجموع جریان درین و جریان بایاس است. هنگامی که ماسفت کانال P توسط کنترلر خاموش می شود، جریان بایاس صفر می شود و بنابراین ولتاژ Vgs نیز صفر می شود. با این کار ماسفت کانال N خاموش می شود و باتری را دوباره به حالت ایده آل برمیگرداند.

 IC های تعادل سلولی غیرفعال

حتی اگر تکنیک متعادل کننده غیرفعال کارآمد نباشد، به دلیل سادگی و کم هزینه بودن آن بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد. به‌جای طراحی سخت‌افزار، می‌توانید از چند آی‌سی که در دسترس هستند مانند LTC6804 و BQ77PL900 استفاده کنید. از این IC ها می توان برای نظارت بر چندین سلول و صرفه جویی در زمان و هزینه  توسعه استفاده کرد.

محدودیت شارژ

روش محدود کردن شارژ ناکارآمدترین روش است. در اینجا فقط ایمنی و عمر باتری در نظر گرفته می شود و از بازده باتری صرف نظر می شود. در این روش بر ولتاژهای هر سلول به طور مداوم نظارت می‌ شود.

در حین فرایند شارژ حتی اگر یک سلول به ولتاژ شارژ کامل‌ برسد، شارژ متوقف می شود و سلول های دیگر در نیمه راه رها می شوند. به طور مشابه در حین تخلیه حتی اگر یک سلول به حداقل ولتاژ قطع برسد، بسته باتری از بار جدا می شود تا زمانی که بسته دوباره شارژ شود.

اگرچه این روش ناکارآمد است، اما هزینه و اندازه مورد نیاز را کاهش می دهد. بنابراین در کاربرد هایی استفاده می شود که اغلب باتری ها را می توان شارژ کرد.

2. تعادل سلولی فعال

در تعادل سلولی غیرفعال از شارژ اضافی استفاده نشده است، بنابراین ناکارآمد تلقی می شود. در حالی که در تعادل فعال، شارژ اضافی از یک سلول به سلول دیگر با شارژ کم منتقل می شود تا آن ها را یکسان کند. این با استفاده از عناصر ذخیره کننده شارژ مانند خازن ها و سلف ها به دست می آید. روش‌ های زیادی برای انجام تعادل سلولی فعال وجود دارد.

شاتل شارژ (خازن پرنده)

در این روش از خازن ها برای انتقال شارژ از سلول های ولتاژ بالا به سلول های ولتاژ پایین استفاده می شود. خازن از طریق سوئیچ های SPDT متصل می شود در ابتدا سوئیچ خازن را به سلول ولتاژ بالا متصل می کند و هنگامی که خازن شارژ می شود، سوئیچ آن را به سلول ولتاژ پایین متصل می کند که در آنجا شارژ خازن به داخل سلول جریان می یابد. از آنجایی که شارژ بین سلول ها جابجا می شود، این روش را شاتل شارژ می نامند. شکل زیر به شما در درک بهتر کمک کند.

این خازن‌ها خازن‌های پرنده نامیده می‌شوند زیرا بین سلول‌های ولتاژ پایین و ولتاژ بالا حامل شارژها پرواز می‌کنند. اشکال این روش این است که شارژ فقط بین سلول های مجاور قابل انتقال است. همچنین زمان بیشتری طول می کشد زیرا خازن باید شارژ شود و سپس تخلیه شود تا شارژ منتقل شود. همچنین بازده بسیار کمتری دارد زیرا در طول شارژ و دشارژ خازن اتلاف انرژی وجود خواهد داشت و تلفات سوئیچینگ نیز باید در نظر گرفته شود. تصویر زیر نحوه اتصال خازن پرنده را در بسته باتری نشان می دهد.

مبدل القایی (روش باک بوست)

یکی دیگر از روش‌های متعادل‌سازی سلول فعال، استفاده از سلف‌ ها و مدار های سوئیچینگ است. در این روش مدار سوئیچینگ از یک مبدل باک بوست تشکیل شده است. شارژ از سلول ولتاژ بالا در سلف پمپاژ می شود و سپس با استفاده از مبدل باک بوست به سلول ولتاژ پایین تخلیه می شود. شکل زیر یک مبدل القایی با تنها دو سلول و یک مبدل باک بوست را نشان می دهد.

در مدار فوق با تعویض ماسفت های sw1 و sw2 به صورت زیر می توان شارژ را از سلول 1 به سلول 2 منتقل کرد. ابتدا سوئیچ SW1 بسته می شود و شارژ از سلول 1 به داخل سلف با جریان شارژ I جریان می یابد. هنگامی که سلف به طور کامل شارژ شد، کلید SW1 باز شده و کلید sw2 بسته می شود.

اکنون، سلف که به طور کامل شارژ شده است، قطبیت خود را معکوس کرده و شروع به تخلیه می کند. این بار شارژ از سلف با جریان تخلیه I وارد سلول 2 می شود. پس از تخلیه کامل سلف، سوئیچ sw2 باز می شود و سوئیچ sw1 بسته می شود تا روند تکرار شود. شکل موج های زیر به شما کمک می کند تصویر واضحی داشته باشید.

در طول زمان t0 سوئیچ sw1 بسته است (روشن) که منجر به افزایش جریان شارژ I و افزایش ولتاژ در دو طرف سلف (VL) می شود. سپس هنگامی که سلف در زمان t1 به طور کامل شارژ شد، سوئیچ sw1 باز می شود (خاموش می شود) که باعث می شود سلف شارژی را که در مرحله قبل جمع کرده بود تخلیه کند. هنگامی که یک سلف تخلیه می شود، قطبیت آن تغییر می کند، بنابراین ولتاژ VL منفی نشان داده می شود. هنگام تخلیه جریان تخلیه (I تخلیه) از حداکثر مقدار خود کاهش می یابد. تمام این جریان وارد سلول 2 می شود تا آن را شارژ کند. یک فاصله کم از زمان t2 تا t3 وجود دارد و سپس در t3 کل چرخه دوباره تکرار می شود.

این روش همچنین دارای نقطه ضعف بزرگی است که شارژ فقط از سلول بالاتر به سلول پایین تر منتقل می‌شود. همچنین تلفات در سوئیچینگ و افت ولتاژ دیود باید در نظر گرفته شود. اما سریعتر و کارآمدتر از روش خازن است.

مبدل القایی (بر اساس فلای بک)

همانطور که گفتیم روش مبدل باک بوست فقط می تواند شارژ سلول بالاتر را به سلول پایین تر منتقل کند. با استفاده از مبدل فلای بک و ترانسفورماتور می توان از این مشکل جلوگیری کرد. در یک مبدل نوع فلای بک، سمت اولیه سیم پیچ به بسته باتری و سمت ثانویه به همه سلول های بسته باتری مانند شکل زیر متصل می شود.

همانطور که می دانیم باتری با برق DC کار می کند و ترانسفورماتور تا زمانی که ولتاژ قطع نشود اثری نخواهد داشت. بنابراین برای شروع فرآیند شارژ، سوئیچ سمت سیم پیچ اولیه Sp سوئیچ می شود. این ولتاژ DC را به ولتاژ DC پالسی تبدیل می کند و سمت اولیه ترانسفورماتور فعال می شود.

اکنون در سمت ثانویه هر سلول دارای سوئیچ و سیم پیچ ثانویه است. با سوئیچ کردن ماسفت سلول ولتاژ پایین می توانیم آن سیم پیچ خاص را به عنوان یک ثانویه برای ترانسفورماتور فعال کنیم. به این ترتیب شارژ از سیم پیچ اولیه به سیم پیچ ثانویه منتقل می شود. این باعث می شود ولتاژ کل بسته باتری به سلول ضعیف تخلیه شود.

بزرگترین مزیت این روش این است که هر سلول ضعیف موجود در بسته را می توان به راحتی از ولتاژ بسته شارژ کرد و سلول خاصی تخلیه نمی شود. اما از آنجا که ترانسفورماتور است، فضای زیادی را اشغال می کند و پیچیدگی مدار زیاد است.

3. تعادل سلولی بدون تلفات

تعادل بدون تلفات روشی است که اخیراً توسعه یافته است که با کاهش قطعات سخت افزاری و ارائه کنترل نرم افزاری بیشتر تلفات را کاهش می دهد. همچنین باعث می شود سیستم ساده تر و راحت تر طراحی شود. این روش از یک مدار سوئیچینگ ماتریسی استفاده می کند که قابلیت اضافه یا حذف یک سلول از یک بسته را در حین شارژ و دشارژ فراهم می کند. یک مدار سوئیچینگ ماتریسی ساده برای هشت سلول در زیر نشان داده شده است.

در طول فرآیند شارژ، سلولی که دارای ولتاژ بالا است با استفاده از ترتیبات سوئیچ از بسته خارج می شود. در شکل بالا سلول 5 با استفاده از سوئیچ ها از بسته حذف می شود.

دایره های خط قرمز را کلید های باز و دایره خط آبی را کلید های بسته در نظر بگیرید. بنابراین زمان استراحت سلول‌ های ضعیف ‌تر در طول فرآیند شارژ افزایش می‌یابد تا در طول شارژ، تعادل آن ها برقرار شود. اما ولتاژ شارژ باید متناسب با آن تنظیم شود. همین تکنیک را می توان در هنگام تخلیه نیز دنبال کرد.

4. Redox Shuttle

روش نهایی نه برای طراحان سخت افزار بلکه برای مهندسان شیمی است. در باتری اسید سرب ما مشکل تعادل سلولی را نداریم زیرا وقتی یک باتری اسید سرب بیش از حد شارژ شود باعث ایجاد گاز می شود که از شارژ بیش از حد آن جلوگیری می کند. ایده پشت redox shuttle تلاش برای دستیابی به همان اثر روی سلول ‌های لیتیومی با تغییر ساختار شیمیایی الکترولیت سلول لیتیومی است. این الکترولیت اصلاح شده باید از شارژ بیش از حد سلول جلوگیری کند.

الگوریتم های تعادل سلولی

یک تکنیک موثر تعادل سلولی باید سخت افزار را با یک الگوریتم مناسب ترکیب کند. الگوریتم های زیادی برای تعادل سلولی وجود دارد و این به طراحی سخت افزار بستگی دارد. اما انواع آن را می توان به دو بخش مختلف تقسیم کرد.

اندازه گیری ولتاژ مدار باز (OCV)

این آسان ترین و رایج ترین روش است. در اینجا ولتاژهای سلول باز برای هر سلول اندازه گیری می شود و مدار متعادل کننده سلولی برای یکسان کردن مقادیر ولتاژ تمام سلول ها که به صورت سری بهم متصل شده اند  کار می کند. اندازه گیری OCV (ولتاژ مدار باز) ساده است و از این رو پیچیدگی این الگوریتم کمتر است.

اندازه‌ گیری وضعیت شارژ (SOC)

در این روش SOC سلول ها متعادل می شود. همانطور که قبلاً می دانیم اندازه گیری SOC یک سلول یک کار پیچیده است زیرا برای محاسبه مقدار SOC باید مقدار ولتاژ و جریان سلول را در یک دوره زمانی در نظر بگیریم. این الگوریتم پیچیده است و در جاهایی که بازده و ایمنی بالا مورد نیاز است مانند صنایع هوافضا استفاده می شود.

این مقاله در اینجا به پایان می رسد. امیدواریم اکنون ایده مختصری در مورد نحوه اجرای تعادل سلولی در سطح سخت افزاری و نرم افزاری داشته باشید. اگر ایده یا روشی دارید، آن ها را در بخش نظرات با ما به اشتراک بگذارید.