Az akkumulátor rendszer kiegyenlítésének kezelése
Az akkumulátorcsomag egyes cellái közötti kapacitás- és energiakülönbségek kiegyenlítéséhez, valamint az akkumulátorcsomag energiafelhasználási arányának javításához kiegyenlítő áramkörre van szükség a töltési és kisütési folyamat során. Attól függően, hogy az áramkör hogyan fogyaszt energiát a kiegyenlítési folyamat során, két fő kategóriába sorolható: energiadisszipációs típus és energiaeloszlás nélküli típus. Az energiadisszipációs típus a felesleges energiát hőként oszlatja el, míg az energia nem disszipációs típus a felesleges energiát más akkumulátorokba adja át vagy alakítja át.
Energiadisszipáció{0}}típusú egyensúlykezelés
Az energiadisszipációs- típusú kiegyenlítő áramkörök úgy érik el a kiegyenlítést, hogy a töltőáramot az egyes akkumulátorcellákban lévő párhuzamos ellenállásokon keresztül vezetik át, amint az a 8-12. ábrán látható. Ez az áramkör felépítése egyszerű, és a kiegyenlítési folyamat általában a töltés során fejeződik be. Azonban nem tudja pótolni az alacsony kapacitású egyes cellák teljesítményét, ami energiapazarlást és a hőkezelési rendszer megnövekedett terhelését eredményezi. Az energiaelvezető típusú elektromos készülékek általában két kategóriába sorolhatók:
Az energiadisszipációs-típusú elektromos készülékek általában két kategóriába sorolhatók: Először is egy állandó söntellenállás-kiegyenlítő töltőáramkör, ahol egy söntellenállás mindig párhuzamosan csatlakozik minden akkumulátorcellához. Ezt a módszert nagy megbízhatóság és nagy söntellenállás jellemzi, ami csökkenti az egyes cellák feszültségében a rögzített söntön keresztüli önkisülésből adódó különbségeket. Hátránya, hogy a söntellenállás mind a töltés, mind a kisütés során folyamatosan áramot fogyaszt, ami jelentős energiaveszteséget eredményez; általában olyan alkalmazásokra alkalmas, ahol az energia azonnal pótolható.
Másodszor, egy kapcsolóval{0}}vezérelt söntellenállás kiegyenlítő töltőáramkör, ahol a söntellenállást egy kapcsoló vezérli. Töltés közben, amikor az egyes akkumulátor feszültség eléri a lekapcsolási feszültséget, a kiegyenlítő berendezés megakadályozza a túltöltést, és a felesleges energiát hővé alakítja. Ez a kiegyenlítő áramkör töltés közben működik, és töltés közben az áramot az egyes, magasabb feszültségű cellákba tudja sönteni. Hátránya, hogy a korlátozott kiegyenlítési idő miatt a sönt közben keletkező nagy mennyiségű hőt kellő időben el kell vezetni a hőszabályzó rendszeren keresztül, ami különösen a nagyobb kapacitású akkumulátorcsomagoknál érezhető.
Például egy 10 Ah-s akkumulátorcsomagban 100 mV feszültségkülönbség 500 mAh feletti kapacitáskülönbséget eredményezhet. Ha a kiegyenlítési idő 2 óra, a sönt áram 250 mA, a sönt ellenállás körülbelül 14 Ω, és a termelt hő körülbelül 2 Wh.
Nem{0}}energiadisszipációs típusú kiegyenlítéskezelés
A nem-energiaelnyelő áramkörök sokkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint az energiaelnyelő áramkörök, de az áramköri felépítésük viszonylag összetett. Két típusra oszthatók: energiaátalakítási kiegyenlítésre és energiaátviteli kiegyenlítésre.
Energiaátalakítás kiegyensúlyozása
Az energiakonverziós kiegyenlítés kapcsolási jeleket használ az egyes cellák energiájának feltöltésére a teljes akkumulátorcsomagból, vagy az egyes cellák energiáját a teljes akkumulátorcsomaggá alakítja vissza. A 8-13. ábrán látható módon az egyes cellák energiájából a teljes energiává való átalakulás jellemzően az akkumulátorcsomag töltési folyamata során történik. Ez az áramkör minden egyes cella feszültségét érzékeli; amikor az egyes cellák feszültsége elér egy bizonyos értéket, a kiegyenlítő modul működésbe lép. Az egyes cellákban elvezeti a töltőáramot, hogy csökkentse a töltési feszültséget, az elterelt áramot pedig a modul átalakítja és visszavezeti a töltőbuszra, elérve a kiegyensúlyozást. Egyes energiakonverziós kiegyenlítő módszerek szabadon futó induktorokat is használhatnak az egyes cellákból az akkumulátorcsomagba történő energiaátalakítás befejezéséhez.
A 8-14. ábrán látható a teljes akkumulátorcsomag energiájának egyes cellákká történő átalakítására szolgáló áramkör. Ezt a módszert kiegészítő kiegyensúlyozásnak is nevezik. A töltési folyamat során a fő töltőmodul először az akkumulátort tölti, míg a feszültségérzékelő áramkör minden egyes cellát figyel. Ha valamelyik cella feszültsége túl magas, a fő töltőáramkör kikapcsol, majd a kiegészítő kiegyenlítő töltőmodul elkezdi tölteni az akkumulátort. Az optimalizált kialakításnak köszönhetően a kiegyenlítő modulban lévő töltési feszültség minden egyes cellára egy független DC/DC átalakítón és egy koaxiális tekercstranszformátoron keresztül jut, egy azonos szekunder tekercs hozzáadásával. Ez biztosítja, hogy a nagyobb feszültségű cellák kevesebb energiát kapjanak a kiegészítő töltőáramkörtől, míg az alacsonyabb feszültségű cellák több energiát kapjanak, így érhető el a kiegyensúlyozás. Ezzel a módszerrel az a probléma, hogy nehéz szabályozni a szekunder tekercs konzisztenciáját. A transzformátor szivárgási induktivitását és a szekunder tekercsek közötti kölcsönös induktivitást figyelembe véve még azonos fordulatoknál is előfordulhat, hogy az egyes cellák nem kapják ugyanazt a töltőfeszültséget. Ezenkívül a koaxiális tekercs némi energiaveszteséget is tapasztal, és ez a kiegyenlítő módszer csak a töltési egyensúlyhiányokat kezeli, a kisülési állapot egyensúlyhiányait nem.
Energiaátviteli kiegyensúlyozás
Az energiaátviteli kiegyenlítés energiatároló elemeket, például induktorokat vagy kondenzátorokat használ a töltés átvitelére a nagy-kapacitású egyedi cellákról az akkumulátorcsomagon belüli kisebb-kapacitású cellákra, amint az a 8-15. ábrán látható. Ez az áramkör az energiát a szomszédos cellák között a kondenzátorok váltásával viszi át, és a töltést nagy-feszültségről alacsony-feszültségű cellára mozgatja az egyensúly elérése érdekében. Alternatív megoldásként a szomszédos cellák közötti kétirányú energiaátvitel megvalósítható induktív energiatárolással. Ennek az áramkörnek nagyon alacsony az energiavesztesége, de többszöri átvitelt igényel a kiegyenlítés során, ami hosszú kiegyenlítési időt eredményez, és alkalmatlanná teszi többcellás akkumulátorcsomagokhoz. Egy továbbfejlesztett kondenzátorkapcsolási kiegyenlítési módszer növelheti a kiegyenlítési sebességet azáltal, hogy kiválasztja a legmagasabb{11}}feszültségű és a legalacsonyabb feszültségű cellákat az energiaátvitelhez. Az energia meghatározása és a kapcsolóáramkör megvalósítása azonban az energiaátviteli kiegyenlítésben viszonylag nehéz.
A fenti kiegyensúlyozási módszerek mellett a csepegtető töltés is használható az akkumulátor kiegyensúlyozására a töltési alkalmazások során. Ez a legegyszerűbb módszer, és nincs szükség külső segédáramkörre. Ez magában foglalja a sorba kapcsolt akkumulátorcsomag folyamatos töltését-kis áramerősséggel. Mivel a töltőáram nagyon kicsi, a túltöltés csekély hatással van a teljesen feltöltött akkumulátorra. Mivel egy teljesen feltöltött akkumulátor nem tud több elektromos energiát kémiai energiává alakítani, a felesleges energia hővé alakul. A nem teljesen feltöltött akkumulátorok azonban továbbra is kaphatnak elektromos energiát, amíg el nem érik a teljes feltöltést. Ily módon viszonylag hosszú idő elteltével minden akkumulátor eléri a teljes feltöltődést, így a kapacitás kiegyenlítődik. Ez a módszer azonban nagyon hosszú kiegyenlítő töltési időt igényel, és jelentős mennyiségű energiát fogyaszt a kiegyenlítés eléréséhez. Ezenkívül ez a módszer nem hatékony a kisüléskiegyenlítés kezelésében.
Problémák az alkalmazásban
A meglévő akkumulátor-kiegyenlítő megoldások elsősorban az akkumulátorcsomag feszültsége alapján határozzák meg az akkumulátor kapacitását,-egy feszültség{1}}alapú kiegyenlítési módszert. Az akkumulátorcsomag kiegyensúlyozásának eléréséhez elengedhetetlen a feszültségérzékelés nagy pontossága és precizitása. A feszültségérzékelő áramkörben lévő szivárgási áram közvetlenül befolyásolja az akkumulátor konzisztenciáját. Ezért egy egyszerű és hatékony feszültségérzékelő áramkör megtervezése kulcsfontosságú kihívás a kiegyenlítő áramkörök számára. Ezenkívül a feszültség nem az egyetlen mérőszáma az akkumulátor kapacitásának. A csatlakozási mód belső ellenállása és érintkezési ellenállása is feszültségingadozást okoz. Ezért ha kizárólag a feszültségre támaszkodik a kiegyenlítéshez, az túl-kiegyensúlyozáshoz és energiapazarláshoz vezethet. Szélsőséges esetekben akár egyensúlyhiányt is okozhat az akkumulátorcsomagban, a kezdeti kapacitáskiegyenlítés ellenére.
Az energiaelvezető áramkörök felépítése egyszerű, de a kiegyenlítő ellenállások energiát fogyasztanak az áram söntelése során, és hőt termelnek, ami hőkezelési problémákat okoz. Mivel alapvetően korlátozzák a túlzottan magas vagy alacsony kapocsfeszültséget az egyes cellákban energiadisszipáció révén, csak statikus kiegyenlítésre alkalmasak. Magas-hőmérséklet-emelkedésük csökkenti a rendszer megbízhatóságát, így alkalmatlanok a dinamikus kiegyensúlyozásra. Ez a módszer csak kisméretű vagy alacsony{4}}kapacitású akkumulátorokhoz használható.
Az energiaátviteli áramkörök az akkumulátorkapacitás-kompenzáció egyik módja, ahol a nagyobb-kapacitású akkumulátor némi energiával járul hozzá a kisebb-kapacitású akkumulátor kompenzálásához. Bár megvalósítható, ez a módszer bonyolult, terjedelmes és költséges, mivel a tényleges áramkörben az egyes cellák feszültségfigyelésére van szükség. Ezen túlmenően az energiaátvitel egy energiatároló közegen keresztül történik, amely energiafogyasztási és szabályozási kérdéseket vet fel. Ezt a kiegyensúlyozási módszert általában közepes és nagy akkumulátorcsomagoknál alkalmazzák.
Az energiaátalakító áramkörök viszont kapcsolóüzemű tápegységet használnak az energiaátalakítás eléréséhez. Az energiaátviteli áramkörökhöz képest lényegesen kevésbé bonyolultak és olcsóbbak. A koaxiális tekercseknél azonban a tekercseket az egyes cellákkal összekötő vezetékek eltérő hosszúsága és alakja eltérő transzformációs arányokat eredményez, ami az egyes cellák inkonzisztens kiegyensúlyozásához és kiegyenlítési hibákhoz vezet. Ezenkívül a koaxiális tekercs maga is energiát fogyaszt az elektromágneses szivárgás és egyéb problémák miatt.
