Gestione dell'equalizzazione del sistema di alimentazione della batteria
Per bilanciare le differenze di capacità ed energia tra le singole celle di un pacco batteria e migliorare il tasso di utilizzo dell'energia del pacco batteria, è necessario un circuito di equalizzazione durante il processo di carica e scarica. In base a come il circuito consuma energia durante il processo di equalizzazione, può essere suddiviso in due categorie principali: tipo a dissipazione di energia e tipo a non-dissipazione di energia. Il tipo a dissipazione di energia dissipa l'energia in eccesso sotto forma di calore, mentre il tipo a non- dissipazione di energia trasferisce o converte l'energia in eccesso ad altre batterie.
Gestione dell'equilibrio di tipo dissipazione energetica-
I circuiti di equalizzazione del tipo a dissipazione di energia- ottengono l'equalizzazione deviando la corrente di carica attraverso resistori paralleli nelle singole celle della batteria, come mostrato nella Figura 8-12. Questa struttura del circuito è semplice e il processo di equalizzazione viene generalmente completato durante la ricarica. Tuttavia, non è in grado di ripristinare la potenza delle singole celle a bassa-capacità, con conseguente spreco di energia e aumento del carico sul sistema di gestione termica. Gli apparecchi elettrici a dissipazione di energia rientrano generalmente in due categorie:
Gli apparecchi elettrici di tipo-dissipazione di energia rientrano generalmente in due categorie: in primo luogo, un circuito di carica con equalizzazione del resistore di shunt costante, in cui un resistore di shunt è sempre collegato in parallelo a ciascuna cella della batteria. Questo metodo è caratterizzato da un'elevata affidabilità e da un valore elevato del resistore di shunt, riducendo le differenze nella tensione delle singole celle dovute all'auto-scarica attraverso uno shunt fisso. Lo svantaggio è che il resistore di shunt consuma costantemente energia sia durante la carica che durante lo scaricamento, con conseguente significativa perdita di energia; è generalmente adatto per applicazioni in cui l'energia può essere reintegrata tempestivamente.
In secondo luogo, un circuito di carica di equalizzazione del resistore di shunt controllato da interruttore-, in cui il resistore di shunt è controllato da un interruttore. Durante la carica, quando la tensione della singola batteria raggiunge la tensione di interruzione, il dispositivo di equalizzazione impedisce il sovraccarico e converte l'energia in eccesso in calore. Questo circuito di equalizzazione funziona durante la carica e può deviare la corrente alle singole celle con tensioni più elevate durante la carica. Lo svantaggio è che, a causa del tempo di equalizzazione limitato, la grande quantità di calore generata durante lo shunt deve essere dissipata in modo tempestivo attraverso il sistema di gestione termica, cosa particolarmente evidente nelle batterie con capacità maggiori.
Ad esempio, in una batteria da 10 Ah, una differenza di tensione di 100 mV può comportare una differenza di capacità di oltre 500 mAh. Se il tempo di equalizzazione è di 2 ore, la corrente di shunt è di 250 mA, la resistenza di shunt è di circa 14 Ω e il calore generato è di circa 2 Wh.
Gestione dell'equalizzazione di tipo non-dissipazione di energia
I circuiti non-di dissipazione di energia consumano molta meno energia rispetto ai circuiti di dissipazione di energia, ma la loro struttura circuitale è relativamente complessa. Possono essere suddivisi in due tipologie: equalizzazione della conversione energetica ed equalizzazione del trasferimento energetico.
Bilanciamento della conversione energetica
Il bilanciamento della conversione energetica utilizza segnali di commutazione per reintegrare l'energia delle singole celle dal pacco batteria complessivo o riconvertire l'energia delle singole celle nel pacco batteria complessivo. La conversione dall'energia della singola cella all'energia complessiva avviene generalmente durante il processo di ricarica del pacco batteria, come mostrato nella Figura 8-13. Questo circuito rileva la tensione di ogni singola cella; quando la tensione di una singola cella raggiunge un determinato valore, il modulo di bilanciamento entra in funzione. Devia la corrente di carica nella singola cella per ridurre la tensione di carica e la corrente deviata viene convertita dal modulo e reimmessa al bus di ricarica, ottenendo il bilanciamento. Alcuni metodi di bilanciamento della conversione dell'energia possono anche utilizzare induttori a ruota libera per completare la conversione dell'energia dalle singole celle al pacco batteria.
Il circuito per convertire l'energia dell'intero pacco batteria in singole celle è mostrato nella Figura 8-14. Questo metodo è detto anche bilanciamento supplementare. Durante il processo di ricarica, il modulo di ricarica principale carica prima la batteria, mentre il circuito di rilevamento della tensione monitora ogni singola cella. Quando la tensione di una singola cella è troppo elevata, il circuito di carica principale si spegne e il modulo di carica di bilanciamento supplementare inizia a caricare il pacco batteria. Attraverso un design ottimizzato, la tensione di carica nel modulo di bilanciamento viene applicata a ogni singola cella tramite un convertitore DC/DC indipendente e un trasformatore a bobina coassiale, aggiungendo un avvolgimento secondario identico. Ciò garantisce che le celle con tensione più elevata ricevano meno energia dal circuito di carica ausiliario, mentre le celle con tensione più bassa ricevano più energia, ottenendo così il bilanciamento. Il problema con questo metodo è che è difficile controllare la consistenza dell'avvolgimento secondario. Anche con spire identiche, considerando l'induttanza di dispersione del trasformatore e l'induttanza reciproca tra gli avvolgimenti secondari, le singole celle potrebbero non ricevere la stessa tensione di carica. Inoltre, anche la bobina coassiale subisce una certa dissipazione di energia e questo metodo di bilanciamento affronta solo gli squilibri di carica, non riuscendo ad affrontare gli squilibri nello stato di scarica.
Bilanciamento del trasferimento energetico
Il bilanciamento del trasferimento di energia utilizza elementi di accumulo dell'energia come induttori o condensatori per trasferire la carica dalle singole celle ad alta-capacità alle celle a-capacità inferiore all'interno di un pacco batteria, come mostrato nella Figura 8-15. Questo circuito trasferisce l'energia tra celle adiacenti commutando i condensatori, spostando la carica dalle celle ad alta-tensione a quelle a bassa-tensione per ottenere il bilanciamento. In alternativa, il trasferimento di energia bidirezionale tra celle adiacenti può essere ottenuto utilizzando l'accumulo di energia induttivo. Questo circuito ha una perdita di energia molto bassa, ma richiede più trasferimenti durante il bilanciamento, risultando in un lungo tempo di bilanciamento e rendendolo inadatto per i pacchi batteria multi-cella. Un metodo migliorato di bilanciamento della commutazione dei condensatori-può aumentare la velocità di bilanciamento selezionando le singole celle a tensione più alta e a tensione più bassa per il trasferimento di energia. Tuttavia, la determinazione dell’energia e l’implementazione del circuito di commutazione nel bilanciamento del trasferimento di energia sono relativamente difficili.
Oltre ai metodi di bilanciamento sopra menzionati, la carica di mantenimento può essere utilizzata anche per ottenere il bilanciamento della batteria durante le applicazioni di ricarica. Questo è il metodo più semplice e non richiede circuiti ausiliari esterni. Implica la ricarica continua del pacco batteria-collegato in serie con una piccola corrente. Poiché la corrente di carica è molto piccola, il sovraccarico ha un impatto minimo su una batteria completamente carica. Poiché una batteria completamente carica non può convertire ulteriore energia elettrica in energia chimica, l’energia in eccesso verrà convertita in calore. Le batterie che non sono completamente cariche, invece, possono continuare a ricevere energia elettrica fino a quando non raggiungono la carica completa. In questo modo, dopo un periodo relativamente lungo, tutte le batterie raggiungeranno la carica completa, ottenendo così l'equalizzazione della capacità. Tuttavia, questo metodo richiede un tempo di carica di equalizzazione molto lungo e consuma una notevole quantità di energia per ottenere l'equalizzazione. Inoltre, questo metodo è inefficace nella gestione della equalizzazione della portata.
Problemi nell'applicazione
Le soluzioni esistenti per il bilanciamento delle batterie determinano principalmente la capacità della batteria in base alla tensione del pacco batteria-un metodo di bilanciamento-basato sulla tensione. Per ottenere il bilanciamento del pacco batteria, è fondamentale un'elevata accuratezza e precisione nel rilevamento della tensione. La corrente di dispersione nel circuito di rilevamento della tensione influisce direttamente sulla consistenza del pacco batteria. Pertanto, progettare un circuito di rilevamento della tensione semplice ed efficiente è una sfida fondamentale per il bilanciamento dei circuiti. Inoltre, la tensione non è l’unica misura della capacità della batteria. Anche la resistenza interna e la resistenza di contatto nel metodo di connessione causano variazioni di tensione. Pertanto, fare affidamento esclusivamente sulla tensione per il bilanciamento può portare a un-bilanciamento eccessivo e allo spreco di energia. In casi estremi, ciò potrebbe addirittura causare squilibri nel pacco batteria, nonostante il bilanciamento iniziale della capacità.
I circuiti di dissipazione dell'energia hanno una struttura semplice, ma i resistori di bilanciamento consumano energia durante lo shunt di corrente e generano calore, causando problemi di gestione termica. Poiché essenzialmente limitano le tensioni terminali troppo alte o basse nelle singole celle attraverso la dissipazione di energia, sono adatti solo per il bilanciamento statico. Il loro elevato-aumento di temperatura riduce l'affidabilità del sistema, rendendoli inadatti al bilanciamento dinamico. Questo metodo è adatto solo per pacchi batteria di piccole-capacità.
I circuiti di trasferimento di energia sono un metodo di compensazione della capacità della batteria, in cui una batteria di-capacità maggiore fornisce energia per compensare una batteria di-capacità inferiore. Sebbene fattibile, questo metodo è complesso, ingombrante e costoso a causa della necessità di monitorare la tensione delle singole celle nel circuito reale. Inoltre, il trasferimento di energia avviene attraverso un mezzo di accumulo dell’energia, che introduce problemi di consumo e controllo dell’energia. Questo metodo di bilanciamento viene generalmente utilizzato nei pacchi batteria di medie e grandi dimensioni.
I circuiti di conversione dell'energia, invece, utilizzano un alimentatore switching per ottenere la conversione dell'energia. Rispetto ai circuiti di trasferimento di energia, sono significativamente meno complessi e meno costosi. Tuttavia, per le bobine coassiali, le diverse lunghezze e forme dei fili che collegano gli avvolgimenti a ciascuna cella determinano rapporti di trasformazione diversi, portando a un bilanciamento incoerente di ciascuna cella e con conseguenti errori di bilanciamento. Inoltre, la bobina coassiale stessa consuma energia a causa di perdite elettromagnetiche e altri problemi.
