Virran akkujärjestelmän tasauksen hallinta
Akun yksittäisten kennojen välisten kapasiteetin ja energiaerojen tasapainottamiseksi ja akun energian käyttöasteen parantamiseksi tarvitaan tasauspiiri lataus- ja purkuprosessin aikana. Sen mukaan, miten piiri kuluttaa energiaa tasausprosessin aikana, se voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: energianhäviötyyppiin ja energian hajaantumattomaan tyyppiin. Energianhäviötyyppi hajottaa ylimääräisen energian lämmönä, kun taas energian hajoamaton tyyppi siirtää tai muuntaa ylimääräisen energian muihin akkuihin.
Energiahäviön{0}}tyyppinen tasapainon hallinta
Energiahäviö-tyyppiset taajuuskorjauspiirit saavuttavat tasauksen ohjaamalla latausvirtaa yksittäisten akkukennojen rinnakkaisten vastusten läpi, kuten kuvassa 8-12. Tämä piirirakenne on yksinkertainen, ja tasausprosessi on yleensä valmis latauksen aikana. Se ei kuitenkaan voi täydentää pienitehoisten yksittäisten kennojen tehoa, mikä johtaa energiahukkaan ja lämmönhallintajärjestelmän lisääntyneeseen kuormitukseen. Energiaa haihduttavat sähkölaitteet jaetaan yleensä kahteen luokkaan:
Energianhäviö{0}}tyyppiset sähkölaitteet jaetaan yleensä kahteen luokkaan: Ensinnäkin jatkuva shunttivastuksen tasauslatauspiiri, jossa shunttivastus on aina kytketty rinnan jokaisen akkukennoon. Tälle menetelmälle on ominaista korkea luotettavuus ja suuri shunttivastuksen arvo, mikä vähentää yksittäisten kennojännitteiden eroja kiinteän shuntin kautta tapahtuvasta itsepurkauksesta. Sen haittana on, että shunttivastus kuluttaa jatkuvasti virtaa sekä latauksen että purkamisen aikana, mikä johtaa merkittävään energiahäviöön; se soveltuu yleensä sovelluksiin, joissa energiaa voidaan täydentää nopeasti.
Toiseksi kytkin{0}}ohjattu shunttivastuksen tasauslatauspiiri, jossa shunttivastusta ohjataan kytkimellä. Latauksen aikana, kun yksittäisen akun jännite saavuttaa katkaisujännitteen, tasauslaite estää ylilatauksen ja muuntaa ylimääräisen energian lämmöksi. Tämä tasauspiiri toimii latauksen aikana ja voi ohjata virran yksittäisiin kennoihin, joilla on korkeampi jännite latauksen aikana. Sen haittana on, että rajallisen tasausajan vuoksi shuntin aikana syntyvä suuri lämpömäärä on johdettava ajoissa lämmönhallintajärjestelmän kautta, mikä on erityisen havaittavissa kapasiteetiltaan suuremmissa akuissa.
Esimerkiksi 10 Ah:n akussa 100 mV:n jännite-ero voi johtaa yli 500 mAh:n kapasiteettieroon. Jos tasausaika on 2 tuntia, shunttivirta on 250mA, shunttiresistanssi noin 14Ω ja syntyvä lämpö noin 2Wh.
Ei--energiahäviön tyyppinen tasauksen hallinta
Ei--energianhäviöpiirit kuluttavat paljon vähemmän energiaa kuin energianhäviöpiirit, mutta niiden piirirakenne on suhteellisen monimutkainen. Ne voidaan jakaa kahteen tyyppiin: energian muunnostasaus ja energiansiirron tasaus.
Energian muuntamisen tasapainotus
Energian muunnostasapainotus käyttää kytkentäsignaaleja joko täydentämään yksittäisten kennojen energiaa kokonaisakusta tai muuttamaan yksittäisten kennojen energian takaisin kokonaisakkuun. Muuntaminen yksittäisen kennon energiasta kokonaisenergiaksi tapahtuu tyypillisesti akun latausprosessin aikana, kuten kuvassa 8-13. Tämä piiri havaitsee jokaisen yksittäisen kennon jännitteen; Kun yksittäisen kennon jännite saavuttaa tietyn arvon, tasapainotusmoduuli alkaa toimia. Se ohjaa latausvirran yksittäisessä kennossa alentaakseen latausjännitettä, ja moduuli muuntaa käännetyn virran ja syöttää takaisin latausväylään, jolloin saavutetaan tasapainotus. Joissakin energian muuntamisen tasapainotusmenetelmissä voidaan käyttää myös vapaasti pyöriviä keloja energian muuntamiseksi yksittäisistä kennoista akkupakkaukseen.
Piiri koko akun energian muuntamiseksi yksittäisiksi kennoiksi on esitetty kuvassa 8-14. Tätä menetelmää kutsutaan myös täydentäväksi tasapainotukseksi. Latausprosessin aikana päälatausmoduuli lataa ensin akun, kun taas jännitteentunnistuspiiri valvoo jokaista yksittäistä kennoa. Kun yksittäisen kennon jännite on liian korkea, päälatauspiiri kytkeytyy pois päältä ja sitten lisätasapainotuslatausmoduuli alkaa ladata akkupakettia. Optimoidun suunnittelun ansiosta balansointimoduulin latausjännite syötetään jokaiseen yksittäiseen kennoon itsenäisen DC/DC-muuntimen ja koaksiaalikelamuuntajan kautta, jolloin lisätään identtinen toisiokäämi. Tämä varmistaa, että korkeammalla jännitteellä varustetut kennot saavat vähemmän energiaa lisälatauspiiristä, kun taas pienemmällä jännitteellä olevat kennot saavat enemmän energiaa, mikä saavuttaa tasapainotuksen. Tämän menetelmän ongelmana on, että toisiokäämin konsistenssin säätäminen on vaikeaa. Jopa identtisillä kierroksilla, kun otetaan huomioon muuntajan vuotoinduktanssi ja toisiokäämien välinen keskinäinen induktanssi, yksittäiset kennot eivät välttämättä saa samaa latausjännitettä. Lisäksi koaksiaalikelassa esiintyy myös jonkin verran energiahäviötä, ja tämä tasapainotusmenetelmä käsittelee vain latausepätasapainoa, mutta se ei ratkaise epätasapainoa purkaustilassa.
Energiansiirron tasapainotus
Energiansiirron tasapainotus käyttää energiaa varastoivia elementtejä, kuten induktoreita tai kondensaattoreita, siirtämään varauksen suuren-kapasiteetin yksittäisistä kennoista pienemmän-kapasiteetin kennoihin akun sisällä, kuten kuvassa 8-15. Tämä piiri siirtää energiaa vierekkäisten kennojen välillä vaihtamalla kondensaattoreita ja siirtämällä varausta korkea-jännitteestä matalajännitekennoille tasapainotuksen saavuttamiseksi. Vaihtoehtoisesti kaksisuuntainen energiansiirto vierekkäisten solujen välillä voidaan saavuttaa käyttämällä induktiivista energian varastointia. Tällä piirillä on erittäin pieni energiahäviö, mutta se vaatii useita siirtoja tasapainotuksen aikana, mikä johtaa pitkän tasapainotusajan ja tekee siitä sopimattoman monikennoisille akuille. Parannettu kondensaattorin kytkentätasapainotusmenetelmä voi lisätä tasapainotusnopeutta valitsemalla korkeimman{11}}jännitteen ja pienimmän jännitteen yksittäiset kennot energian siirtoon. Energian määrittäminen ja kytkentäpiirin toteuttaminen energiansiirron tasapainottamisessa on kuitenkin suhteellisen vaikeaa.
Yllä olevien tasapainotusmenetelmien lisäksi virtalatausta voidaan käyttää myös akun tasapainottamiseen lataussovellusten aikana. Tämä on yksinkertaisin menetelmä eikä vaadi ulkoisia apupiirejä. Se sisältää sarjaan liitetyn{2}}akun jatkuvan lataamisen pienellä virralla. Koska latausvirta on hyvin pieni, ylilatauksella ei ole juurikaan vaikutusta täyteen ladattuun akkuun. Koska täyteen ladattu akku ei voi muuntaa enemmän sähköenergiaa kemialliseksi energiaksi, ylimääräinen energia muunnetaan lämmöksi. Akut, joita ei ole ladattu täyteen, voivat kuitenkin edelleen vastaanottaa sähköenergiaa, kunnes ne ovat latautuneet täyteen. Tällä tavalla suhteellisen pitkän ajan kuluttua kaikki akut latautuvat täyteen, jolloin kapasiteetti tasaantuu. Tämä menetelmä vaatii kuitenkin erittäin pitkän tasauslatausajan ja kuluttaa huomattavan määrän energiaa tasauksen saavuttamiseksi. Lisäksi tämä menetelmä on tehoton purkaustasauksen hallinnassa.
Ongelmia sovelluksessa
Nykyiset akun tasapainotusratkaisut määrittävät akun kapasiteetin ensisijaisesti akun jännitteeseen -jännitteeseen- perustuvan tasapainotusmenetelmän perusteella. Akun tasapainotuksen saavuttamiseksi jännitteen havaitsemisen korkea tarkkuus ja tarkkuus ovat ratkaisevan tärkeitä. Vuotovirta jännitteenilmaisupiirissä vaikuttaa suoraan akun koostumukseen. Siksi yksinkertaisen ja tehokkaan jännitteenilmaisupiirin suunnittelu on keskeinen haaste tasapainotuspiireille. Lisäksi jännite ei ole ainoa akun kapasiteetin mitta. Myös sisäinen vastus ja kosketusresistanssi kytkentätavassa aiheuttavat jännitteen vaihteluita. Siksi pelkkä jännitteen luottaminen tasapainottamiseen voi johtaa yli-tasapainotukseen ja energian hukkaan. Äärimmäisissä tapauksissa se voi jopa aiheuttaa epätasapainoa akussa alkuperäisestä kapasiteetin tasapainotuksesta huolimatta.
Energianpoistopiirit ovat rakenteeltaan yksinkertaisia, mutta tasapainotusvastukset kuluttavat energiaa virran shuntauksen aikana ja tuottavat lämpöä, mikä aiheuttaa lämmönhallintaongelmia. Koska ne olennaisesti rajoittavat yksittäisten kennojen liian korkeita tai alhaisia napajännitteitä energianhäviöllä, ne soveltuvat vain staattiseen tasapainotukseen. Niiden korkea-lämpötilan nousu heikentää järjestelmän luotettavuutta, joten ne eivät sovellu dynaamiseen tasapainotukseen. Tämä menetelmä soveltuu vain pienille tai{4}}pienikapasiteettisille akuille.
Energiansiirtopiirit ovat akun kapasiteetin kompensointimenetelmä, jossa suurempi-kapasiteetin akku antaa jonkin verran energiaa kompensoidakseen alhaisemman-kapasiteetin akkua. Vaikka tämä menetelmä on toteutettavissa, se on monimutkainen, tilaa vievä ja kallis johtuen todellisen piirin yksittäisten kennojen jännitteenvalvontatarpeesta. Lisäksi energian siirto tapahtuu energian varastointivälineen kautta, joka tuo energiankulutukseen ja hallintaan liittyviä kysymyksiä. Tätä tasapainotusmenetelmää käytetään yleensä keskikokoisissa ja suurissa akuissa.
Energian muunnospiirit sen sijaan käyttävät kytkentävirtalähdettä energian muuntamiseksi. Verrattuna energiansiirtopiireihin ne ovat huomattavasti vähemmän monimutkaisia ja halvempia. Kuitenkin koaksiaalisilla keloilla käämit kuhunkin kennoon yhdistävien johtimien vaihtelevat pituudet ja muodot johtavat erilaisiin muunnossuhteisiin, mikä johtaa kunkin kennon epäjohdonmukaiseen tasapainotukseen ja tasapainotusvirheisiin. Lisäksi koaksiaalikela itse kuluttaa energiaa sähkömagneettisista vuodoista ja muista ongelmista johtuen.
