Ligevægtstilstandsanalyse og ligevægtsalgoritme

I en ideel batteripakke har alle individuelle celler den samme kapacitet og er altid på den samme SoC, som også er SoC for batteripakken; Når SOC for batteripakken er 100 %, er SOC for alle celler også 100 %, hvilket begrænser yderligere opladning. Når SOC for batteripakken er 50 %, er alle individuelle celler også 50 % SoC Når batteripakken er på 0 % SoC, er alle celler også på 0 % SOC, og de begrænser alle yderligere afladning. Selvom alle celler har den samme kapacitet, hvis tingene er på forskellige SOC, er batteripakken ubalanceret;

En batteripakke bestående af seks battericeller forbundet i serie. Hvert rektangel repræsenterer en battericelle, dens højde repræsenterer dens kapacitet, og dens lodrette position repræsenterer dens SoC. (a) Samme kapacitet, balanceret, (b) samme kapacitet, ubalanceret, (c) forskellig kapacitet, topbalanceret, og (d) forskellig kapacitet, mellembalanceret. Når celle 2 er på 100% SoC, begrænser det enhver yderligere opladning. Derfor er batteripakken på 100 % SoC; Der er stadig mere plads til andre batterier, men de kan ikke oplades yderligere, fordi det vil overoplade det andet batteri. Når batteripakken er på 50 % SoC, er SoC-området for hver celle ca. 30 % til 70 %. Når batteri #4 er på 0% SoC, begrænser det enhver yderligere afladning. Derfor er SoC for batteripakken 0%; De andre batterier har stadig noget mere ladning tilbage på dem, men de kan ikke aflades, fordi det ville overaflade batteri #4. Bemærk, at to forskellige cellegitter begrænser batteripakkens kapacitet, med #2 øverst og #4 nederst.

På et givet tidspunkt er tilstanden af ​​ubalance (SoI) for en batteripakke forskellen mellem den mest opladede celle SoC og den mindst opladede celle SoC i batteripakken. Hvis f.eks. SoC for det mest opladede batteri er 75 %, og SoC for det mindst opladede batteri er 70 %, så er SoI for strengen 5 %. For batteripakker med samme SoC for individuelle celler er SoI 0 %.

Ligevægtstilstanden (SoB) for batteripakken er 100 % minus SoI. Hvis SoI for batteripakken er 5 %, er dens SoB 95 %. I ovenstående diskussion blev kasser brugt til at repræsentere SoC-området for hver enkelt celle. Hvis denne repræsentation ikke er særlig god, kan følgende graf over batterispænding og SoC-niveau med batteripakke SoC formidle dette koncept mere tydeligt.

Under ideelle forhold med ens kapacitet og balance har alle celler i en serieforbundet batteripakke den samme kapacitet, og til enhver tid er SoC den samme (figur {{0}}). Når batteripakken er opladet eller afladet, forbliver alle cellespændinger konstante. SoC for hver celle er den samme som for batteripakken (når for eksempel SoC for batteripakken er 50%, er SoC for hver celle også 50%). Du kan måske indse, at ovenstående kurve kun er for OCV- og NMC-lithium-ion-batterier i SoC. Alle tre battericeller følger denne kurve. Den nederste kurve repræsenterer SoC for battericellen og SoC for batteripakken, i dette tilfælde er det en lige linje fra 0% til 100% i forholdet 1:1-a. Det skematiske diagram af tre battericeller forbundet i serie på en 50% SoC svarer til den lodrette linje i midten af ​​de to figurer. Når batteripakken er fuld, er alle celler på 100 % SoC; Der er ingen opladningsgrænse for en enkelt battericelle - de oplader alle på samme tid. På samme måde, når batteripakken er tom, er SoC for alle celler 0 %; Intet enkelt batteri kan begrænse afladningen - de begrænser alle afladningen på samme tid. Batteripakkens kapacitet er den samme som kapaciteten af ​​hver battericelle (10 timer i dette eksempel). Det vil sige, at hele kapaciteten af ​​hver celle er tilgængelig. Derfor er batteripakkens ligevægtstilstand 100 % (indikerer fuldstændig ligevægt for batteripakken), og ubalancetilstanden er 0 % (indikerer ingen ubalance).

Hvis kapaciteten er den samme, men SoC i begyndelsen er anderledes (som vist i figur {{0}}), så begrænser det ene batteri opladningen (batteri 1 i dette eksempel) og det andet batteri begrænser afladningen ( batteri 3 i dette eksempel). Derfor er batteripakkens kapacitet faldet. Ovenstående kurve viser forholdet mellem spænding og ladning for tre typer lithium-ion-batterier. Bemærk, at formen på kurven er den samme. De bevæger sig kun til venstre (enhed # 1 har en højere SoC) eller til højre (enhed # 3 har en lavere SoC). Den nederste kurve er "SoC og batteripakke SoC" af tre celler (ikke 1:1 i dette tilfælde). Bemærk venligst, at hældningen er den samme, fordi de tre celler har samme kapacitet. De bevæger sig bare til venstre eller højre. Når strengen er på 0% SoC (venstre ende af plottet), er celle #3 tom, og udladning er deaktiveret. De to andre batterier har stadig højspænding (3,38V for batteri 2 og 3,6V for batteri 1) og ladning (20 % SoC for batteri 2 og 40 % SoC for batteri 1). Denne opladning er dog ikke tilgængelig, fordi den ikke kan aflade celle #3. Når SoC for batteripakken er 50% (lodret linje i midten af ​​grafen), er SoC for celle 1 70%, SoC for celle 2 er 50 %, og SoC for celle 3 er 30 %.

Når batteripakken er på 100 % SoC (i højre ende af figuren), er celle #1 fuld, og opladning er deaktiveret. Spændingen på de to andre batterier er lavere (3,87V for batteri 2 og 3,75V for batteri 3), og de kan stadig acceptere mere opladning (80% SoC for batteri 2 og 60% SoC for batteri 3). Denne plads er dog ikke tilgængelig, da den ikke kan oplades, medmindre batteriet nr. 1 er overopladet. Hvert batteri fungerer inden for et begrænset SoC-område: • Batteri # 1's SoC begrænser opladning, der spænder fra 40 % til 100 %; SoC-området for enhed 2 er fra 20 % til 80 %; SoC for batteri 3, begrænset afladning, der spænder fra 0 % til 60 %. Deltaet inden for SoC-området for alle batterier er 60 % over hele området. Det vil sige, at kun 60% af enhedskapaciteten er tilgængelig for strenge, og 40% er utilgængelig på grund af ubalance - batteripakkens ligevægtstilstand er 60%, og dens ubalancetilstand er 40%. Kapaciteten af ​​hver battericelle er 10 timer, men batteripakkens kapacitet er kun 6 timer (60 % af 10 timer).

Når cellerne i en batteripakke har forskellige kapaciteter (hvilket faktisk er tilfældet), kan batteripakken kun afbalanceres på SoC-niveauet for en enkelt celle. Andre steder har batterier forskellige niveauer af SoC. Når batteripakken oplades eller aflades fra dette punkt, divergerer batteriets SoC. Når batteripakken derefter vender tilbage til sit oprindelige SoC-niveau, samles SoC'erne for alle celler igen. I figur 3-13 viser den øverste kurve forholdet mellem spændingen og ladningen af ​​tre battericeller. Bemærk venligst, at disse kurver har samme generelle form. Kun deres bredde vil ændre sig. Hvis kapaciteten er høj (celle 1), vil kurven være bredere; Hvis kapaciteten er lav, er kurven smal (celle #3). Den nederste kurve repræsenterer SoC for tre battericeller og SoC for batteripakken. Bemærk venligst, at hældningerne er forskellige, fordi disse tre celler har forskellige kapaciteter: givet strømmen, der flyder ind i eller ud af batteripakken, ændres SoC for lavkapacitetsbatteriet hurtigere end højkapacitetsbatteriets.

I dette eksempel:

Når batteripakken er på 0% SoC (venstre ende af grafen), er celle #3 tom og kan ikke aflades. De to andre celler har stadig opladning (celle 1 er på 40 % SoC, celle #2 har 20 % SoC), celle 1 er på 3,5V, celle 2 er på 3,38V, og forskellen i SoC mellem celler #1 og #3 er 40 %, hvilket betyder, at batteripakkens ubalancerede tilstand er 40 %.

Når batteripakken er på 50% SoC (lodret linje i midten af ​​grafen), er SoC for de tre batterier 50%, så spændingen er den samme ved 3,65V.

SoB er 100 %, SoI er 0 %.

Når batteripakken er på 100 % SoC (højre ende af diagrammet), er celle #3 fuld og kan ikke oplades; De to andre celler kan stadig acceptere mere opladning (celle 1 ved 60 % SoC og celle 2 ved 80 % SoC), med celle 1 ved 3,82V og celle 2 ved 3,9V. Forskellen i SoC mellem batteri #1 og #3 er 40%, hvilket betyder, at ubalancetilstanden for batteripakken er 40%.

For at afbalancere batteripakken kontrollerer BMS batterispændingen for at afgøre, hvilke batterier der er ubalancerede. Men på grund af det faktum, at kurverne for OCV og SoC ikke er en lige linje, er spændingsforskellen mellem de to batterier ikke direkte proportional med deres ladeforskel. For en given ubalance afhænger spændingsforskellen mellem to serieforbundne batterier af flere faktorer: grad af ubalance: jo større grad af ubalance, jo større er spændingsforskellen; SoC for batteripakken: På grund af formen af ​​OCV- og SoC-kurverne er spændingsforskellen mere udtalt ved lave og høje SoC-niveauer; Batterikemi: For LFP-batterier, i SOC, uanset SoI, er batterispændingen næsten den samme; Spændingsforskellen bliver først signifikant, når SoC er på lave og høje niveauer. Disse grafer viser spændingsforskellen mellem to batterier og strengen SoC, med varierende mængder af SoC-ubalance mellem dem. For eksempel bruges 10%-kurven, når SoC for en enhed er 10% højere end for en anden enhed. For NMC-enheder er det vanskeligt at opdage en ubalance på 1 %, bortset fra SoCs under 5 % (figur 3.18 (a)); 10 % ubalance er let påviselig, bortset fra ca. 35 % SoC. For LFP-enheder er det let at opdage en 1 % ubalance, når SoC er under 10 % og over 95 % (Figur 3.18 (b)). Andre steder er det næsten umærkeligt; Når SoC er 50 %, kan kun 30 % af alvorlig ubalance detekteres. Derfor, selvom LFP-batterier er meget velegnede til strømapplikationer, er bufferbatterier med LFP-batterier faktisk umulige at opnå mellembalance. Forsøg på at afbalancere en batteripakke i et område, hvor deltaspændingen er for lav, er ikke kun meningsløst, men vil sandsynligvis også give bagslag, da andre faktorer kan påvirke forskellen i batteripolspændingen mere end ubalance.

Forskellen i selvafladningsstrøm er den direkte årsag til batteriubalance. SoC for batterier med høj selvafladning falder hurtigere end for batterier med lav selvafladning. Som tiden går, differentierer SoC-niveauerne for hver battericelle, og ubalancetilstanden øges. Selvom alle batterier selv aflades med minimumshastigheden, er nogle hurtigere end andre, især ved forskellige temperaturer (Figur {{0}} (a)). Det værst tænkelige scenarie opstår, når nogle batterier har stuetemperatur, mens andre er i en varm tilstand (for eksempel fordi de er installeret ved siden af ​​en oplader). Selvafladningsstrømmen for det koldeste batteri er 0.000023C, mens selvafladningsstrømmen for det varmeste batteri er 0.00017C,

Forskel på 0.00015 grader Celsius. På grund af denne forskel vil strengen blive mere ubalanceret med 11 % hver måned. For at kompensere for variationen i selvafladningsstrøm mellem batterier, opnår BMS en balanceret strøm fra batteriet med den laveste selvafladningsstrøm. Denne balancestrøm er nøjagtigt lig med forskellen i selvafladningsstrøm mellem dette batteri og batteriet med den højeste selvafladning. I eksemplet vist på figuren skal du bemærke, hvordan BMS sikrer, at hver celle aflades med den samme 150 μ A strøm ved at give yderligere afladningsstrøm til celler med lav selvafladningsstrøm. Alternativt kan BMS oplade batteriet med den højeste selvafladningsstrøm for at kompensere for forskellen.

Balanceringsalgoritmen er baseret på spændingsbalancering: kun når batteriet er på balanceindstillingsværdien, er det afbalanceret baseret på batterispændingsaflæsningen; Baseret på SoC (forudsigelse): kan afbalanceres til enhver tid, baseret på estimerede batteri SoC-niveauer