Балансировка нагрузки для литий-ионных (Li-Ion) аккумуляторов электромобилей

Многие технологии в области накопления электрической энергии получают свое развитие и становятся все более популярными, но литий-ионная технология накопления электрической энергии на данный момент является наиболее перспективной для нынешнего поколения электрических транспортных средств (электромобилей).

В отличии от тех же свинцово-кислотных аккумуляторных батарей литий-ионные (Li-ion) аккумуляторные батареи требуют лучшего ухода и более требовательны к зарядке. Зарядка требует гораздо большего, чем просто подключения к сети. Даже разрядка аккумулятора в определенный момент может привести к необратимым повреждениям.  Это привело к разработке довольно сложной стратегии зарядки и разрядки на уровне отдельных ячеек.

Содержание:

• Почему именно литий-ионные?
• Опасность при эксплуатации
• Ключевые параметры батарей
• Измерение заряда ячейки
• Пассивная балансировка нагрузки
• Активная балансировка нагрузки
• Тенденции развития аккумуляторных батарей

Почему именно литий-ионные?

Литий имеет атомный номер 3 – он самый легкий из металлов. Он обладает большим электрохимическим потенциалом и обладает большой удельной энергией на единицу веса – что является огромным преимуществом для аккумуляторов. К сожалению не все так гладко. Помимо положительных качеств литий имеет и отрицательные качества, такие как неустойчивость, взрывоопасность и легкая воспламеняемость при контакте с водой или воздухом. Следует отметить, что исследования по применению более безопасных материалов велись ранее и ведутся сейчас.

Положительный электрод литий-ионной батареи может использовать один из множества интеркалированных соединений лития, например, таких как фосфат лития железа (lithium iron phosphate LFP), оксид кобальта-марганца-никеля-лития (nickel manganese cobalt NMC), имеющих немного различные характеристики. Отрицательный электрод, как правило, изготавливают из графита.

Жидкий электролит состоит из солей лития в органическом растворителе, например в таком как диметилкарбонат или этиленкарбонат. Во время работы аккумуляторной батареи ионы лития переходят от положительного электрода к отрицательному (во время разрядки), и, наоборот, во время зарядки.

Литий-ионные батареи имеют ряд преимуществ над другими, например, свинцово-кислотными и никель-металл-гидридными (Ni-MH). Они легкие, не имеют памяти, имеют низкий уровень саморазряда (порядка 1% в неделю). Номинальное напряжение одной ячейки составляет порядка 3,6 В, в то время как для никель-металл-гидридных порядка 1,5 В, а для свинцово-кислотных 2,0 В. Это позволяет при одних и тех же габаритах получить большее напряжение, необходимое для питания электрических транспортных средств.

Например, батарея в Nissan Leaf содержит 192 литий-ионные ячейки с NMC (смотри выше) и графитовых электродов. Ячейки расположены в виде 96х2 параллельно-последовательного массива для получения на выходе 360 В и плотности энергии 140 Вт*ч/кг. В 1996 году компания General Motors начала серийный выпуск электромобилей (EV1) с использованием свинцово-кислотных аккумуляторов с выходным напряжением 312 В и плотностью энергии всего лишь 31 Вт*ч/кг.

Опасность при эксплуатации

Помимо положительных качеств литий-ионных аккумуляторов существуют и отрицательные. В отличии от других типов аккумуляторов они очень чувствительны к разряду, перезарядке, перегреву и сверхтокам.

Данные качества могут вызывать опасные ситуации не только в автомобильном транспорте. Например в 2013 году в течении трех месяцев были приостановлены полеты самолета Boeing 787 Dreamliner после того как причиной двух возникших на борту пожаров признали именно тепловой пробой литий-ионных аккумуляторов.

Ключевые параметры батарей

В любом транспортном средстве, которое зависит от аккумуляторных батарей как от части трансмиссии важно, чтоб система управления батареи (BMS battery-management system) непрерывно отслеживала ее состояние независимо от типа аккумуляторных батарей. Это касается как обычных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, где аккумулятор необходим для запуска двигателя, для гибридных автомобилей, использующих как электродвигатели так двигатели внутреннего сгорания, так и электромобилей, которые для движения используют только электродвигатели.

Обычно используют два параметра для оценки состояния  аккумулятора или ячейки:

•         Состояние заряда (State of charge SoC) – можно сравнить с датчиком уровня топлива автомобиля. Он измеряет энергию батареи от 0% (разряжено) до 100% (полностью заряжено). Обратная метрика – это глубина разряда (depth of discharge DoD).
•        Состояние работоспособности (State of health SoH) – фигура сравнения, оценивает состояние батареи или ячейки по отношению к ее идеальному состоянию (если аккумулятор имеет характеристики для сравнения). SoH обычно начинается со 100% и постепенно уменьшается со старением батареи.

BMS обычно использует SoC и SoH для регулировки производительности и наблюдения за работоспособностью аккумуляторов.

Зарядка и разрядка происходят через терминалы, соединенные с каждым концом стека группы, а не на уровне ячейки. В свинцово-кислотных и никель-металлогидридных системах измерение и контроль отдельных ячеек не нужен, так как они менее чувствительны к неполной зарядке. Литий-ионные аккумуляторы требуют более сложного подхода.

 Измерение заряда ячейки

Заряд отдельной ячейки можно определить с помощью измерения напряжения разомкнутой цепи (open-circuit voltage OCV) и вывести соответствующее состояние заряда или разряда из графика, который должен быть аналогичен показанному ниже:

Результаты могут вычислений могут быть улучшены за счет применения различных поправочных коэффициентов, например токовых и температурных. Производители все время совершенствовали и совершенствуют свои изделия, и это позволило аккумуляторным батареям поддерживать постоянное выходное напряжение практически во всем диапазоне заряда.

Как бы это странно не звучало, но такое улучшение лишь усложнило систему управления в получении обратной связи. Это вызвано тем, что мизерные различия в напряжениях аккумуляторах в реальности могут означать значительную разницу их зарядов. Точность измерения напряжения должна быть огромна (до нескольких милливольт), что требует высокой точности аналогово-цифрового преобразователя АЦП (analog-to-digital converter ADC).

14 разрядный 5 вольтовый АЦП является хорошим выбором для практического измерения напряжения ячейки (open-circuit voltage OCV) с напряжением до 4,2 В. Как правило, один АЦП измеряет напряжение не одной ячейки, а нескольких, при этом используется мультиплексор для переключения между каналами измерений. Использование структуры с последовательным приближением регистра (successive-approximation-register SAR) является более предпочтительным, так как не имеет задержки между последовательными замерами.

После того как заряд каждой ячейки измерен, система балансировки нагрузки приступает к выравнивания зарядов. Для балансировки могут применять один из подходов – пассивную балансировку и активную балансировку.

Пассивная балансировка нагрузки

Система пассивной балансировки получает энергию непосредственно от самой ячейки и рассеивает ее в виде тепла на резисторе. На рисунке ниже показана схема для одной ячейки стека:

Здесь значение VSENSEn+1 будет показателем заряда Celln+1. Когда заряд ячейки слишком высок, Qn+1 включается и энергия рассеивается на резисторе Rdisch_n+1.
Алгоритм управления, работающий на контроллере BMS (Battery Management System), уравновешивает заряд каждой ячейки путем измерения напряжения на ней и разрядки ее (если это необходимо) до тех пор, пока напряжения на ячейках группы не выровняются. BMS выполняет также функции диагностики батареи — такие как перегрев, перезарядка, недозарядка и так далее. После балансировки аккумуляторная батарея заряжается таким образом, чтоб в нужной степени зарядить каждую ячейку.

Активная балансировка нагрузки

Пассивная балансировка – система однонаправленная, она может только поглощать заряд ячейки. Активная балансировка более сложная. Она не рассеивает энергию ячейки, а из более заряженной ячейки переносит энергию в менее заряженную через ряд двунаправленных DC-DC преобразователей. Микроконтроллер следит за зарядами каждого элемента и определяет какая ячейка должна быть разряжена, а какая заряжена.
Ниже показана блок схема типичного активного балансировщика нагрузки:

Активная система балансировки нагрузки использует двунаправленные преобразователи постоянного тока для источника или поглотителя тока под управлением микроконтроллера BMS.
Матричный коммутатор обеспечивает маршрутизацию зарядов в, или из ячеек, которые находятся под управлением микроконтроллера BMS через SPY или другой интерфейс. Матричный коммутатор подключается к DC-DC преобразователям, которые регулируют ток (он может быть как положителен, так и отрицателен) каждой ячейки, которую нужно зарядить или разрядить. Несколько блоков могут работать параллельно для балансировки целого стека.
Изолированный DC-DC преобразователь обменивается энергией между ячейкой и стеком аккумулятора. Вместо использования резистора и рассеивания тепла, величина тока перетекающего при зарядке-разрядке контролируется алгоритмом балансировки нагрузки.

Тенденции развития аккумуляторных батарей

Стоимость аккумуляторных батарей для электромобилей снизилась с 1000$ за киловатт-час в 2007 году, до 450$ в 2014 году. У некоторых ведущих мировых производителей аккумуляторов цена за киловатт-час достигает 300$. Тенденции развития данных технологий указывают на то, что к 2020 году цена за киловатт-час может быть снижена до 250$.
Исследование в области накопления энергии ведутся во всех ВУЗах и лабораториях мира и практически ежемесячно мы слышим об очередном открытии в этой области.
Развитие рынка электроники тоже позволяет упрощать и совершенствовать технологии изготовления и эксплуатации аккумуляторных батарей, а также совершенствовать их в вопросах безопасности. Это позволяет изготавливать более узкоспециализированные изделия, ориентированные под выполнение меньшего количества задач, но с более высоким качеством и производительностью.

Как изготавливают литий-ионные батареи расскажет видео внизу: