- מדוע אנו זקוקים לאיזון תאים?
- מה גורם לחוסר איזון של תאים בסוללות?
- סוגי איזון תאי סוללות
- 1. איזון תאים פסיבי
- 2. איזון תאים פעיל
- 3. איזון ללא הפסד
- 4. הסעות חיזור
תא ליתיום נומינלי מדורג בסביבות 4.2V בלבד, אך ביישומים שלו כמו EV, אלקטרוניקה ניידת, מחשבים ניידים, בנקים חשמליים וכו 'אנו דורשים מתח גבוה בהרבה מהמתח הנומינלי שלו. זו הסיבה מדוע מעצבים משלבים יותר מתא אחד בסדרה ליצירת מארז סוללות עם ערכי מתח גבוה יותר. כידוע ממאמר הסוללות הקודם שלנו ברכב חשמלי, כאשר סוללות משולבות בסדרות ערך המתח מתווסף. לדוגמא כאשר ארבעה תאי ליתיום של 4.2 וולט מחוברים בסדרה מתח המוצא האפקטיבי של חבילת הסוללה המתקבלת יהיה 16.8 וולט.
אבל אתה יכול לדמיין שחיבור תאים רבים בסדרה הוא כמו הרכבת סוסים רבים למרכבה. רק אם כל הסוסים רצים באותה מהירות המרכבה תונע ביעילות מירבית. מתוך ארבעה סוסים אם סוס אחד רץ לאט, אז גם שלושת האחרים צריכים להפחית את המהירות שלהם ובכך להפחית את היעילות ואם סוס אחד רץ מהר יותר זה בסופו של דבר יפגע בעצמו על ידי משיכת העומס של שלושת הסוסים האחרים. באופן דומה, כאשר ארבעה תאים מחוברים בסדרה ערכי המתח של כל ארבעת התאים צריכים להיות שווים כדי להפיק את חבילת הסוללה ביעילות מרבית. השיטה לשמירה על כל מתח המתאים תהיה שווה נקראת איזון תאים. במאמר זה נלמד עוד על איזון תאים וגם בקצרה על אופן השימוש בהם ברמת החומרה והתוכנה.
מדוע אנו זקוקים לאיזון תאים?
איזון תאים הוא טכניקה שבה רמות המתח של כל תא בודד המחובר בסדרה ליצירת חבילת סוללות נשמרת להיות שווה להשגת היעילות המרבית של חבילת הסוללה. כאשר תאים שונים משולבים יחד ליצירת מארז סוללות, תמיד מוודאים שהם בעלי אותו כימיה וערך מתח. אך לאחר שהחבילה מותקנת ונתונה לטעינה ופריקה, ערכי המתח של התאים הבודדים נוטים להשתנות בגלל כמה סיבות שנדון בהמשך. שונות זו ברמות המתח גורמת לחוסר איזון בתאים אשר יוביל לאחת הבעיות הבאות
בורח תרמיהדבר הגרוע ביותר שיכול לקרות הוא בורח תרמי. כידוע תאי ליתיום רגישים מאוד להטענה יתר ולפריקה יתר. במארז של ארבעה תאים אם תא אחד הוא 3.5V ואילו השני הוא 3.2V, הטעינה תחייב את כל התאים יחד מכיוון שהם בסדרה וזה יטען את התא 3.5V במתח גבוה יותר מהמומלץ שכן הסוללות האחרות עדיין דורשים טעינה.
פירוק תאיםכאשר תא ליתיום מוגדר יתר על המידה אפילו מעל לערכו המומלץ, יעילותו ומחזור חייו של התא מופחתים. לדוגמא עלייה קלה במתח הטעינה מ -4.2 וולט ל -4.25 וולט תדרדר את הסוללה מהר יותר ב -30%. כך שאם איזון התא אינו מדויק אפילו טעינת יתר קלה תפחית את חיי הסוללה.
טעינה שלמה של Packמכיוון שהסוללות באריזה מתיישנות מעטות התאים עשויים להיות חלשים יותר מהתאים הסמוכים לה. תאים בשבוע זה יהיו בעיה ענקית מכיוון שהם יטענו ויתפזרו מהר יותר מתא בריא רגיל. בזמן טעינת חבילת סוללה עם תאי סדרה יש להפסיק את תהליך הטעינה גם אם תא אחד מגיע למתח המרבי. בדרך זו, אם שני תאים בסוללה מגיעים לשבוע הם נטענים מהר יותר וכך התאים הנותרים לא יחויבו עד למקסימום כפי שמוצג להלן.
שימוש לא שלם באנרגיית Packבאופן דומה באותו מקרה כאשר סוללת הסוללה מתרוקנת, התאים החלשים יתפרקו מהר יותר מהתא הבריא והם יגיעו למתח המינימלי מהר יותר מתאים אחרים. כפי שלמדנו במאמר ה- BMS שלנו החבילה תנותק מהעומס גם אם תא אחד יגיע למתח המינימלי. זה מוביל ליכולת הלא מנוצלת של אנרגיית החבילה כמוצג להלן.
אם ניקח בחשבון את כל החסרונות האפשריים שלעיל, אנו יכולים להסיק כי איזון תאים יהיה חובה להשתמש בחבילת הסוללה ליעילותה המרבית. עדיין ישנם מעט יישומים בהם העלות הראשונית צריכה להיות נמוכה מאוד והחלפת סוללה אינה מהווה בעיה ביישומים אלה ניתן להימנע מאיזון תאים. אך ברוב היישומים כולל רכבים חשמליים, איזון תאים הוא חובה לקבל את המיץ המקסימלי מחבילת הסוללה.
מה גורם לחוסר איזון של תאים בסוללות?
כעת אנו יודעים מדוע חשוב לשמור על איזון כל התאים בסוללה. אך כדי לטפל בבעיה כראוי עלינו לדעת מדוע התאים אינם מאוזנים ממקור ראשון. כפי שנאמר קודם לכן כאשר נוצר מארז סוללות על ידי הצבת התאים בסדרה, מוודאים שכל התאים נמצאים באותן רמות מתח. כך שמארז סוללות טרי תמיד יהיה בעל תאים מאוזנים. אך ככל שהחבילה נכנסת לשימוש התאים אינם מאוזנים בגלל הסיבות הבאות.
חוסר איזון ב- SOC
מדידת ה- SOC של תא מסובכת; מכאן שמורכב מאוד למדידת ה- SOC של תאים בודדים בסוללה. טכניקת איזון תאים אידיאלית צריכה להתאים לתאים מאותו SOC במקום לאותן רמות מתח (OCV). אך מכיוון שלמעשה לא ניתן להתאים תאים רק בתנאי מתח בעת הכנת חבילה, השונות ב- SOC עשויה להוביל לשינוי ב- OCV בבוא העת.
וריאציה בהתנגדות פנימית
קשה מאוד למצוא תאים בעלי התנגדות פנימית זהה (IR) וככל שהתבגרות הסוללה גם ה- IR של התא משתנה וכך במארז לא לכל התאים יהיה אותו IR. כידוע ה- IR תורם לעכבה הפנימית של התא הקובעת את הזרם הזורם על ידי התא. מכיוון שה- IR משתנה הזרם דרך התא והמתח שלו גם משתנה.
טֶמפֶּרָטוּרָה
יכולת הטעינה והפריקה של התא תלויה גם בטמפרטורה סביבו. במארז סוללות ענק כמו במכוניות חשמליות או במערכים סולאריים התאים מחולקים על גבי אזורי פסולת וייתכן שיש הבדל טמפרטורה בין החבילה עצמה וגורם לתא אחד להיטען או להתפרק מהר יותר מהתאים הנותרים הגורמים לחוסר איזון.
מהסיבות לעיל ברור שאיננו יכולים למנוע מהתא להיות מאוזן במהלך הניתוח. לכן, הפיתרון היחיד הוא להשתמש במערכת חיצונית שמאלצת את התאים להתאזן שוב לאחר שהם לא מאוזנים. מערכת זו נקראת מערכת איזון הסוללות. ישנם סוגים רבים ושונים של טכניקות חומרה ותוכנה המשמשות לאיזון תאי סוללה. בואו נדון בסוגים ובטכניקות הנפוצות.
סוגי איזון תאי סוללות
ניתן לסווג באופן טכני טכניקות איזון תאים לארבע הקטגוריות המפורטות להלן. נדון לגבי כל קטגוריה.
- איזון תא פסיבי
- איזון תאים פעיל
- איזון תאים ללא הפסד
- הסעות חיזור
1. איזון תאים פסיבי
שיטת איזון תאים פסיבית היא השיטה הפשוטה מכולן. ניתן להשתמש בו במקומות בהם העלות והגודל הם האילוצים העיקריים. להלן שני הסוגים של איזון בין תאים פסיביים.
תשלום מטען
בשיטה זו נעשה שימוש בעומס דמה כמו נגד כדי לפרוק את המתח העודף ולהשוות אותו לתאים אחרים. נגדים אלה נקראים נגדי מעקף או נגדים מדממים. לכל תא המחובר בסדרה בחבילה יהיה נגדי עוקף משלו המחוברים באמצעות מתג כמוצג להלן.
מעגל הדוגמה שלמעלה מציג ארבעה תאים שכל אחד מהם מחובר לשני נגדי מעקף באמצעות מתג כמו MOSFET. הבקרים מודדים את המתח של כל ארבעת התאים ומפעילים את המוספט לתא שהמתח שלו גבוה יותר מהתאים האחרים. כאשר mosfet מופעל תא מסוים זה מתחיל להתפרק דרך הנגדים. מכיוון שאנו יודעים את ערך הנגדים אנו יכולים לחזות כמה מטען מתפזר על ידי התא. הקבל המחובר במקביל לתא משמש לסינון קוצי מתח במהלך ההחלפה.
שיטה זו אינה יעילה במיוחד מכיוון שאנרגיה חשמלית מתפזרת כחום בנגדים והמעגל גם מהווה הפסדי מיתוג. חסרון נוסף הוא שזרם הפריקה כולו זורם דרך המוספט, שנבנה בעיקר בתוך IC הבקר, ומכאן שזרם הפריקה צריך להיות מוגבל לערכים נמוכים מה שמגדיל את זמן הפריקה. אחת הדרכים להתגבר על החיסרון היא להשתמש במתג חיצוני להגברת זרם הפריקה כמוצג להלן
ה- MOSFET הפנימי של ערוץ P יופעל על ידי הבקר הגורם לפריקת התא (I-bias) דרך הנגדים R1 ו- R2. הערך של R2 נבחר בצורה כזו שמספיק ירידת המתח המתרחשת בו בגלל זרימת זרם הפריקה (I-bias) כדי להפעיל את MOSFET שני בערוץ N. מתח זה נקרא מתח מקור השער (Vgs) והזרם הנדרש להטיית ה- MOSFET נקרא כזרם מוטה (I-bias).
לאחר הפעלת MOSFET בערוץ N, הזרם זורם כעת דרך הנגד המאזן R-Bal . הערך של הנגד הזה יכול להיות נמוך ומאפשר לעבור יותר זרם למרותו ובכך לפרוק את הסוללה מהר יותר. זרם זה נקרא כזרם ניקוז (I-drain). במעגל זה זרם הפריקה הכולל הוא סכום זרם הניקוז וזרם ההטיה. כאשר MOSFET של ערוץ P מכובה על ידי הבקר הזרם המוטה הוא אפס וכך גם המתח Vgs מקבל אפס. זה מכבה את MOSFET בערוץ N ומשאיר את הסוללה כדי להפוך שוב לאידיאלי.
ICs איזון בין תאים פסיביים
למרות שטכניקת האיזון הפסיבית איננה יעילה, משתמשים בה יותר בדרך כלל בגלל פשטות זו ועלות נמוכה. במקום לתכנן את החומרה תוכלו להשתמש גם בכמה מכשירי IC זמינים כמו LTC6804 ו- BQ77PL900 מיצרנים ידועים כמו מכשירים לינאריים וטקסס בהתאמה. ניתן למפל מכשירי IC אלה לפקח על מספר תאים וחוסך זמן ופיתוח.
הגבלת חיוב
שיטת הגבלת המטען היא השיטה היעילה מכולן. כאן מתחשבים רק בבטיחות ובזמן החיים של הסוללה תוך ויתור על היעילות. בשיטה זו מעקב רציף אחר מתח התאים הבודד.
במהלך תהליך הטעינה גם אם תא אחד מגיע למלוא הטעינה המלא הטעינה נעצרת ומשאירה את התאים האחרים במחצית הדרך. באופן דומה במהלך פריקה, גם אם תא אחד מגיע למתח הניתוק המינימלי, הסוללה מנותקת מהעומס עד שהחבילה נטענת שוב.
למרות ששיטה זו אינה יעילה היא מפחיתה את דרישות העלות והגודל. לפיכך משתמשים בו ביישום שבו ניתן לטעון סוללות לעיתים קרובות.
2. איזון תאים פעיל
באיזון בין תאים פסיביים לא נוצל שימוש במטען העודף, ומכאן שהוא נחשב כלא יעיל. ואילו באיזון פעיל את המטען העודף נוצר תא אחד לתא אחר בעל מטען נמוך כדי להשוות אותם. זה מושג על ידי שימוש באלמנטים לאחסון מטענים כמו קבלים ומשרנים. ישנן שיטות רבות לבצע איזון תאים פעיל מאפשר לדון בשיטות הנפוצות.
הסעות טעינה (קבלים מעופפים)
בשיטה זו משתמשים בקבלים להעברת מטען מתא מתח גבוה לתא מתח נמוך. הקבל מחובר באמצעות מתגי SPDT בתחילה המתג מחבר את הקבל לתא המתח הגבוה וברגע שטעי הקבל המתג מחבר אותו לתא המתח הנמוך שם המטען מהקבל זורם לתא. מכיוון שהמטען עובר בין התאים שיטה זו נקראת מעבורות מטען. האיור שלהלן אמור לעזור לך להבין טוב יותר.
קבלים אלה נקראים קבלים מעופפים שכן המעופף בין תאי המתח הנמוכים למתח גבוה הנושא מטענים. החיסרון בשיטה זו הוא שניתן להעביר מטען רק בין תאים סמוכים. כמו כן, לוקח יותר זמן מאז יש לטעון את הקבל ואז לפרקו כדי להעביר את המטענים. זה גם יעיל פחות פחות מכיוון שיהיה אובדן אנרגיה במהלך טעינה ופריקה של הקבל ויש גם להתחשב בהפסדי המיתוג. התמונה שלהלן מראה כיצד הקבל המעופף יחובר במארז סוללות
ממיר אינדוקטיבי (שיטת באק בוסט)
שיטה נוספת לאיזון תאים אקטיביים היא באמצעות משרנים ומעגלי מיתוג. בשיטה זו מעגל המיתוג מורכב מממיר דחיפת באק . המטען מתא המתח הגבוה נשאב במשרן ואז משוחרר לתא המתח הנמוך באמצעות ממיר הדחיפה. האיור שלמטה מייצג ממיר אינדוקטיבי עם שני תאים בלבד וממיר דחיפה בודד.
במעגל הנ"ל ניתן להעביר מטען מתא 1 לתא 2 על ידי החלפת MOSFETS sw1 ו- sw2 באופן הבא. ראשית המתג SW1 סגור זה יביא למטען מתא 1 לזרום למשרן עם מטען ה- I הנוכחי. לאחר שהמשרן נטען לחלוטין, מתג SW1 נפתח והמתג sw2 נסגר.
כעת, המשרן שטעון לחלוטין יהפוך את הקוטביות שלו ויתחיל להתפרק. הפעם המטען שיוצר המשרן זורם לתא 2 עם פריקת זרם I. לאחר שהמשרן שוחרר במלואו, מתג sw2 נפתח והמתג sw1 נסגר כדי לחזור על התהליך. צורות הגל שלהלן יעזרו לך לקבל תמונה ברורה.
במהלך הזמן t0 המתג sw1 סגור (מופעל) מה שמוביל לזרם שאני טוען להגדיל ולמתח על פני המשרן (VL) לעלות. לאחר שהמשרן נטען במלואו בזמן t1, מתג sw1 נפתח (כבוי) מה שגורם למשרן לפרוק את המטען שצבר בשלב הקודם. כאשר משרן מתפרק הוא משנה את הקוטביות שלו ומכאן שהמתח VL מוצג בשלילה. בעת פריקה זרם הפריקה (פריקה אני) יורד מערכו המרבי. כל הזרם הזה נכנס לתא 2 כדי לטעון אותו. מרווח קטן מותר מהזמן t2 עד t3 ואז ב- t3 כל המחזור חוזר שוב.
שיטה זו סובלת גם מחיסרון גדול בכך שניתן היה להעביר מטען רק מתא גבוה יותר לתא נמוך יותר. כמו כן יש לקחת בחשבון את ההפסד במיתוג ובירידה במתח הדיודות. אבל זה מהיר ויעיל יותר משיטת הקבלים.
ממיר אינדוקטיבי (מבוסס חזרה)
כפי שדנו, שיטת הממיר דחיפת הכסף יכולה רק להעביר חיובים מהתא הגבוה יותר לתא התחתון. ניתן להימנע מבעיה זו באמצעות ממיר Fly back ושנאי. בממיר מסוג flyback הצד הראשי של הסלילה מחובר לחבילת הסוללה והצד המשני מחובר לכל תא בודד של הסוללה כמוצג להלן.
כידוע הסוללה פועלת עם DC ולשנאי לא תהיה כל השפעה עד להחלפת המתח. אז כדי להתחיל בתהליך הטעינה המתג בצד הסליל הראשי Sp מוחלף. זה ממיר DC ל- DC פועמ והצד הראשי של השנאי מופעל.
עכשיו בצד המשני לכל תא יש מתג משלו והסליל המשני. על ידי החלפת תווך התא המתח הנמוך אנו יכולים לגרום לסליל המסוים הזה לשמש משני עבור השנאי. בדרך זו המטען מהסליל הראשי מועבר לסליל המשני. זה גורם למתח הסוללה הכולל להתפרק לתא החלש.
היתרון הגדול ביותר של שיטה זו הוא שכל תא חלש באריזה יכול להיטען בקלות ממתח האריזה ולא תא מסוים הוא פריקות. אך מכיוון ש- in כרוך בשנאי, הוא תופס שטח גדול ומורכבות המעגל גבוהה.
3. איזון ללא הפסד
איזון ללא הפסד היא שיטה שפותחה לאחרונה המפחיתה הפסדים על ידי צמצום רכיבי החומרה ומתן שליטה רבה יותר בתוכנה. זה גם הופך את המערכת לפשוטה וקלה יותר לעיצוב. שיטה זו משתמשת במעגל מיתוג מטריצה המספק את היכולת להוסיף או להסיר תא מחבילה במהלך טעינה ופריקה. מעגל החלפת מטריצה פשוט לשמונה תאים מוצג להלן.
בתהליך הטעינה התא שיוצא ממתח גבוה יוסר מהאריזה באמצעות סידורי המתגים. באיור לעיל תאי 5 מוסר מהאריזה באמצעות המתגים. שקול את עיגולי הקו האדום כמתגים פתוחים ואת מעגל הקו הכחול כמתגי סגור. כך זמן המנוחה של התאים החלשים מוגדל במהלך תהליך הטעינה כדי לאזן אותם במהלך הטעינה. אך יש לכוונן את מתח הטעינה בהתאם. ניתן לעקוב אחר אותה טכניקה גם במהלך הפריקה.
4. הסעות חיזור
השיטה הסופית אינה מיועדת למעצבי חומרה אלא למהנדסים כימיים. בסוללת חומצת עופרת אין לנו את הבעיה של איזון תאים מכיוון שכאשר סוללת חומצה עופרת נטענת יתר היא גורמת לגזים שמונעים ממנה להיטען יתר על המידה. הרעיון שעומד מאחורי מעבורת Redox הוא לנסות להשיג את אותה השפעה על תאי ליתיום על ידי שינוי הכימיה של האלקטרוליט של תא הליתיום. אלקטרוליט שונה זה אמור למנוע טעינה יתר של התא.
אלגוריתמים של איזון תאים
טכניקת איזון תאים יעילה צריכה לשלב את החומרה לאלגוריתם תקין. ישנם אלגוריתמים רבים לאיזון תאים וזה תלוי בתכנון החומרה. אך ניתן להרתיח את הסוגים לשני חלקים שונים.
מדידת מתח המעגל הפתוח (OCV)
זו השיטה הקלה והכי נפוצה. כאן נמדדים המתחים התאים הפתוחים לכל תא ומעגל איזון התא פועל להשוואת ערכי המתח של כל התאים המחוברים בסדרה. קל למדוד OCV (מתח במעגל פתוח) ומכאן שהמורכבות של אלגוריתם זה פחותה.
מדידת מידת תשלום (SOC)
בשיטה זו ה- SOC של התאים מאוזן. כפי שכבר ידוע מדידת ה- SOC של תא היא משימה מורכבת מכיוון שעלינו להתחשב במתח ובערך הנוכחי של התא לאורך תקופת זמן כדי לחשב את ערך ה- SOC. אלגוריתם זה מורכב ומשמש במקומות בהם נדרשת יעילות ובטיחות גבוהה כמו בתעשיות החלל והחלל.
זה מסכם את המאמר כאן. מקווה שעכשיו קיבלת מושג קצר לגבי איזון תאים כיצד הוא מיושם ברמת החומרה והתוכנה. אם יש לך רעיונות או טכניקות, שתף אותם בסעיף ההערות או השתמש בפורומים כדי לקבל עזרה טכנית.