ترند نوین ریپورت

بالانس کردن باتری‌ در پک باتری‌ها

سلول‌های باتری در هر ماژول و یا پک باتری، بصورت سری و یا موازی با یکدیگر در مدار الکتریکی قرار دارند. اما با گذر زمان برخی سلول‌ها با سرعت بیشتری تخریب می‌شوند. اما در صورتی که این سلول‌ها تحت برنامه‌ی شارژ یا دشارژ مشابهی با سایر سلول‌ها قرار بگیرند، عمر آن‌ها شدیدا کاهش می‌یابد. لذا رصد بر خط هر سلول باتری، از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در ادامه‌ی این مقاله به بررسی روش‌های مختلف رصد و بالانس سلول‌ها و اثر آن‌ها بر عملکرد باتری معرفی خواهند شد.

عملکرد یک پک باتری، توسط ضعیف‌ترین سلول موجود در آن محدود می‌شود. سلامت هر سلول باتری بر اساس وضعیت شارژ آن State of charge و تعیین شدن نسبت شارژ باقی‌مانده به ظرفیت سلول مشخص می‌شود. وضعیت شارژ باتری نیز از طریق ولتاژ سلول، جریان دشارژ و دمای سلول تعیین می‌گردد. در صورتی که یک  سلول به ولتاژ قطع خود برسد، تمامی سلول‌ها از مدار خارج شده و امکان دشارژ باقی سلول‌ها غیرممکن می‌شود.

دمای کاری باتری، ارتعاشات باتری در حین کار و نحوه توزیع حرارت و یا ارتعاش در سراسر پک باتری از عوامل مهم موثر بر عمر ایجاد تفاوت در سلامت سلول‌های باتری است

روش‌های بالانس کردن سلول‌ها به دو دسته‌ی فعال  و غیرفعال تقسیم می‌شوند.

بالانس کردن غیرفعال

در این روش، از یک عنصر مداری مانند مقاومت الکتریکی برای مصرف انرژی الکتریکی در سلول با درصد شارژ بیشتر استفاده می‌شود. علیرغم اتلاف بالای انرژی در این روش و تولید گرما، ارزان‌ترین روش متعادل‌سازی مجموه‌ی باتری است.

بالانس کردن فعال

روش‌های متعادل‌سازی فعال سلول‌ها از روش انتقال بار از سلولی با شارژ بیشتر به سلولی با شارژ کمتر استفاده می‌کنند. این بدان معناست که روش‌های متعادل‌سازی فعال ناهماهنگی‌های بین سلول‌ها در سری را با انتقال انرژی الکتریکی از سلول‌های با SOC (وضعیت شارژ) بالاتر به سلول‌های با SOC پایین‌تر با کمترین میزان اتلاف انرژی اتفاق می‌افتد. این روش بسیار کارآمد است زیرا انرژی اضافی سلول‌ها بجای اتلاف به صورت گرما، به سایر سلول‌ها منتقل می‌شود اما استفاده از این روش منجر به پیچیدگی مدار متعادل‌سازی می‌شود.

روش متعادل‌سازی فعال سلول‌ها شامل رله‌ها، اتصال‌دهنده‌های DC-DC و مبدل‌های جریان است. همچنین، این انتقال جریان در این روش شامل پنج زیرمجموعه اصلی است که عبارتند از: عبور از سلول  سلول به سلول، سلول به پک، پک به سلول، و سلول به پک به سلول

 

روش عبور از سلول Cell Bypassing

روش عبور سلول به سه روش زیر تقسیم می‌شود: روش شنت کامل، روش مقاومت شنت و روش ترانزیستور شنت. این روش آسان برای پیاده‌سازی، آسان برای ماژول‌سازی و کم‌هزینه است اما در انتهای فرآیند شارژ استفاده می‌شود.

در حالت ایده‌آل، تمامی سلول‌ها در یک بسته باتری باید ویژگی‌های مشابهی داشته باشند تا همه به یک شکل به پارامترهای مختلف واکنش نشان دهند. با این حال، در عمل، ویژگی‌های فردی سلول‌ها به دلیل تفاوت‌های فرآیند تولید، شرایط محیطی مانند تفاوت دما در نقاط مختلف بسته، یا وضعیت آسیب‌دیدگی سلول‌ها متفاوت است. برخی سلول‌ها نرخ تخلیه خودکار بیشتری دارند، برخی به دلیل دمای داخلی بیشتر ولتاژ بالاتری دارند و برخی مقاومت داخلی بیشتری دارند که باعث تغییر ولتاژ خروجی و تولید گرما می‌شود.

تقریباً در هر بسته باتری، ویژگی‌های فردی سلول‌ها با سایر سلول‌های بسته متفاوت خواهد بود. روش‌های متعادل‌سازی عبور از سلول، جریان سلول‌هایی که به حداکثر یا حداقل ولتاژ خود رسیده‌اند را قطع می‌کند و و فرآیند شارژ سایر سلول‌ها تا که به حداکثر یا حداقل ولتاژ خود برسند ادامه می‌یابد. این روش‌ها پیاده‌سازی آسانی دارند، به راحتی قابل ماژول‌سازی هستند و هزینه کمی دارند، اما استراتژی‌های کنترلی موجود آنها فقط در انتهای فرآیند شارژ یا تخلیه قابل استفاده هستند.

روش سلول به سلول cell-to-cell

روش‌های سلول به سلول انرژی اضافی ذخیره شده در سلول‌ها را به سلول‌های مجاور با انرژی کمتر منتقل می‌کنند. این روش‌ها ممکن است بازدهی بالاتری داشته باشند، اما یا سرعت آنها کند است یا پیچیدگی کنترلی بالایی دارند.

روش سلول به بسته cell-to-pack 

در روش‌های سلول به بسته، انرژی از سلولی با بیش‌ترین میزان شارژ در بسته خارج شده و از طریق ترمینال‌های بسته به طور مساوی به همه سلول‌های دیگر منتقل می‌شود. این روش نسبت به سایر روش‌ها ایمنی بیشتری دارد زیرا هیچ انرژی  گرمایی تولید نشده و بار اضافی که باعث گرما می‌شود به طور مساوی از سلول به سایر سلول‌های بسته منتقل می‌شود.

روش‌های بسته به سلول انرژی در حین شارژ از بسته به کم‌شارژترین سلول منتقل می‌کنند. این روش اطمینان حاصل می‌کند که شارژ تعادلی در طول فرآیند شارژ حفظ می‌شود و هیچ انرژی تلف نمی‌شود.

روش‌های معرفی شده، مبتنی بر مبدل‌های DC/DC پیچیده و گران هستند و بازدهی کمی دارند. این روش‌ها به طور کلی در جلوگیری از شارژ یا تخلیه بیش از حد سلول‌های منفرد Overcharging/discharging باتری موثر هستند. از طرفی استفاده از این روش‌ها، نیاز به ایجاد اتصالات و سیم‌کشی‌های بیشتری در داخل پک باتری است. اما نیاز به افزایش چگالی انرژی پک باتری، فضای محدودی را برای این روش‌ها در اختیار می‌گذارد.

هدف اصلی تکنیک متعادل‌سازی فعال، حفظ توزیع یکنواخت بار در بین سلول‌های سری متصل شده باتری در طول زمان با حداقل اتلاف انرژی در طول فرآیند است. ایده اصلی همه طرح‌های متعادل‌سازی فعال، انتقال بار از سلول‌های با SOC بالاتر به سلول‌های با SOC پایین‌تر از طریق خازن‌های سوئیچ شده است که به عنوان بانک‌های ذخیره‌سازی واسطه عمل می‌کنند. برای دستیابی به این هدف، عناصر مداری مانند خازن یا القاگر به عنوان مخزن برای انتقال انرژی بین سلول‌های باتری در هر مدار متعادل‌سازی فعال استفاده می‌شود. این روش برای کاربردهای با چرخه بالا یا زمانی که اتلاف در حالت آماده‌به‌کار باید حداقل باشد بسیار مناسب است. همچنین، متعادل‌سازی فعال، طول عمر سلول باتری را افزایش می‌دهد.