Gestión de ecualización del sistema de batería de energía.
Para equilibrar las diferencias de capacidad y energía entre las celdas individuales de un paquete de baterías y mejorar la tasa de utilización de energía del paquete de baterías, se necesita un circuito de ecualización durante el proceso de carga y descarga. Según cómo el circuito consume energía durante el proceso de ecualización, se puede dividir en dos categorías principales: tipo de disipación de energía y tipo de no-disipación de energía. El tipo de disipación de energía disipa el exceso de energía en forma de calor, mientras que el tipo de no disipación de energía transfiere o convierte el exceso de energía a otras baterías.
Gestión del equilibrio del tipo-disipación de energía
Los circuitos de ecualización del tipo-disipación de energía logran la ecualización desviando la corriente de carga a través de resistencias paralelas en celdas de batería individuales, como se muestra en la Figura 8-12. Esta estructura de circuito es simple y el proceso de ecualización generalmente se completa durante la carga. Sin embargo, no puede reponer la energía de las celdas individuales de baja-capacidad, lo que genera un desperdicio de energía y una mayor carga en el sistema de gestión térmica. Los aparatos eléctricos del tipo de disipación de energía generalmente se dividen en dos categorías:
Los aparatos eléctricos del tipo-de disipación de energía generalmente se dividen en dos categorías: primero, un circuito de carga de ecualización de resistencia de derivación constante, donde una resistencia de derivación siempre está conectada en paralelo a cada celda de la batería. Este método se caracteriza por una alta confiabilidad y un gran valor de resistencia de derivación, lo que reduce las diferencias en el voltaje de las celdas individuales debido a la auto-descarga a través de una derivación fija. Su desventaja es que la resistencia en derivación consume energía constantemente tanto durante la carga como durante la descarga, lo que resulta en una pérdida de energía significativa; generalmente es adecuado para aplicaciones donde la energía se puede reponer rápidamente.
En segundo lugar, un circuito de carga de ecualización de resistencia de derivación controlado por interruptor-, donde la resistencia de derivación está controlada por un interruptor. Durante la carga, cuando el voltaje de la batería individual alcanza el voltaje de corte, el dispositivo de ecualización evita la sobrecarga y convierte el exceso de energía en calor. Este circuito de ecualización opera durante la carga y puede desviar la corriente a celdas individuales con voltajes más altos durante la carga. Su desventaja es que debido al tiempo de ecualización limitado, la gran cantidad de calor generada durante la derivación debe disiparse de manera oportuna a través del sistema de gestión térmica, lo que se nota especialmente en paquetes de baterías con capacidades más grandes.
Por ejemplo, en una batería de 10 Ah, una diferencia de voltaje de 100 mV puede dar como resultado una diferencia de capacidad de más de 500 mAh. Si el tiempo de ecualización es de 2 horas, la corriente de derivación es de 250 mA, la resistencia de derivación es de aproximadamente 14 Ω y el calor generado es de aproximadamente 2 Wh.
Gestión de ecualización de tipo no-disipación de energía
Los circuitos sin-disipación de energía consumen mucha menos energía que los circuitos de disipación de energía, pero su estructura de circuito es relativamente compleja. Se pueden dividir en dos tipos: ecualización de conversión de energía y ecualización de transferencia de energía.
Equilibrio de conversión de energía
El equilibrio de conversión de energía utiliza señales de conmutación para reponer la energía de las celdas individuales del paquete de baterías general o convertir la energía de las celdas individuales nuevamente al paquete de baterías general. La conversión de energía de celda individual a energía general ocurre típicamente durante el proceso de carga del paquete de baterías, como se muestra en la Figura 8-13. Este circuito detecta el voltaje de cada celda individual; Cuando el voltaje de una celda individual alcanza un cierto valor, el módulo de equilibrio comienza a funcionar. Desvía la corriente de carga en la celda individual para reducir el voltaje de carga, y el módulo convierte la corriente desviada y la devuelve al bus de carga, logrando el equilibrio. Algunos métodos de equilibrio de conversión de energía también pueden utilizar inductores de rueda libre para completar la conversión de energía de las celdas individuales al paquete de baterías.
El circuito para convertir la energía de todo el paquete de baterías en celdas individuales se muestra en la Figura 8-14. Este método también se denomina equilibrio suplementario. Durante el proceso de carga, el módulo de carga principal primero carga el paquete de baterías, mientras que el circuito de detección de voltaje monitorea cada celda individual. Cuando el voltaje de cualquier celda individual es demasiado alto, el circuito de carga principal se apaga y luego el módulo de carga de equilibrio suplementario comienza a cargar el paquete de baterías. A través de un diseño optimizado, el voltaje de carga en el módulo de equilibrio se aplica a cada celda individual a través de un convertidor CC/CC independiente y un transformador de bobina coaxial, agregando un devanado secundario idéntico. Esto asegura que las celdas con mayor voltaje reciban menos energía del circuito de carga auxiliar, mientras que las celdas con menor voltaje reciban más energía, logrando así el equilibrio. El problema con este método es que es difícil controlar la consistencia del devanado secundario. Incluso con giros idénticos, considerando la inductancia de fuga del transformador y la inductancia mutua entre los devanados secundarios, es posible que las celdas individuales no reciban el mismo voltaje de carga. Además, la bobina coaxial también experimenta cierta disipación de energía, y este método de equilibrio solo aborda los desequilibrios de carga, sin abordar los desequilibrios en el estado de descarga.
Equilibrio de transferencia de energía
El equilibrio de transferencia de energía utiliza elementos de almacenamiento de energía, como inductores o condensadores, para transferir carga desde celdas individuales de alta-capacidad a celdas de menor-capacidad dentro de un paquete de baterías, como se muestra en la Figura 8-15. Este circuito transfiere energía entre celdas adyacentes mediante la conmutación de condensadores, moviendo la carga de celdas de alto-voltaje a celdas de bajo-voltaje para lograr el equilibrio. Alternativamente, se puede lograr una transferencia de energía bidireccional entre celdas adyacentes utilizando almacenamiento de energía inductivo. Este circuito tiene una pérdida de energía muy baja, pero requiere múltiples transferencias durante el equilibrio, lo que resulta en un tiempo de equilibrio prolongado y lo hace inadecuado para paquetes de baterías de varias celdas. Un método mejorado de equilibrio de conmutación de condensadores-puede aumentar la velocidad de equilibrio seleccionando las celdas individuales de mayor-voltaje y de menor voltaje para la transferencia de energía. Sin embargo, la determinación de la energía y la implementación del circuito de conmutación en el equilibrio de la transferencia de energía son relativamente difíciles.
Además de los métodos de equilibrio anteriores, la carga lenta también se puede utilizar para lograr el equilibrio de la batería durante las aplicaciones de carga. Este es el método más simple y no requiere circuitos auxiliares externos. Implica cargar continuamente el paquete de baterías conectado en serie-con una pequeña corriente. Debido a que la corriente de carga es muy pequeña, la sobrecarga tiene poco impacto en una batería completamente cargada. Dado que una batería completamente cargada no puede convertir más energía eléctrica en energía química, el exceso de energía se convertirá en calor. Sin embargo, las baterías que no están completamente cargadas pueden continuar recibiendo energía eléctrica hasta alcanzar la carga completa. De esta manera, después de un período relativamente largo, todas las baterías alcanzarán la carga completa, logrando así la ecualización de capacidad. Sin embargo, este método requiere un tiempo de carga de ecualización muy largo y consume una cantidad considerable de energía para lograr la ecualización. Además, este método es ineficaz para gestionar la ecualización de descargas.
Problemas en la aplicación
Las soluciones de equilibrio de batería existentes determinan principalmente la capacidad de la batería en función del voltaje del paquete de batería-un método de equilibrio basado en voltaje-. Para lograr el equilibrio del paquete de baterías, es fundamental una alta exactitud y precisión en la detección de voltaje. La corriente de fuga en el circuito de detección de voltaje afecta directamente la consistencia del paquete de baterías. Por lo tanto, diseñar un circuito de detección de voltaje simple y eficiente es un desafío clave para los circuitos de equilibrio. Además, el voltaje no es la única medida de la capacidad de la batería. La resistencia interna y la resistencia de contacto en el método de conexión también provocan variaciones de voltaje. Por lo tanto, depender únicamente del voltaje para el equilibrio puede provocar un equilibrio excesivo y un desperdicio de energía. En casos extremos, incluso puede provocar desequilibrios en el paquete de baterías, a pesar del equilibrio de capacidad inicial.
Los circuitos de disipación de energía tienen una estructura simple, pero las resistencias de equilibrio consumen energía durante la derivación de corriente y generan calor, lo que provoca problemas de gestión térmica. Dado que básicamente limitan mediante la disipación de energía tensiones terminales excesivamente altas o bajas en las celdas individuales, solo son adecuados para el equilibrio estático. Su alto-aumento de temperatura reduce la confiabilidad del sistema, lo que los hace inadecuados para el equilibrio dinámico. Este método solo es adecuado para paquetes de baterías pequeñas o-de baja capacidad.
Los circuitos de transferencia de energía son un método de compensación de la capacidad de la batería, donde una batería de mayor-capacidad aporta algo de energía para compensar una batería de menor-capacidad. Si bien es factible, este método es complejo, voluminoso y costoso debido a la necesidad de monitorear el voltaje de las celdas individuales en el circuito real. Además, la transferencia de energía se logra a través de un medio de almacenamiento de energía, lo que introduce problemas de control y consumo de energía. Este método de equilibrio se utiliza generalmente en paquetes de baterías de tamaño mediano a grande.
Los circuitos de conversión de energía, por otro lado, utilizan una fuente de alimentación conmutada para lograr la conversión de energía. En comparación con los circuitos de transferencia de energía, son mucho menos complejos y económicos. Sin embargo, para las bobinas coaxiales, las diferentes longitudes y formas de los cables que conectan los devanados a cada celda dan como resultado diferentes relaciones de transformación, lo que lleva a un equilibrio inconsistente de cada celda y genera errores de equilibrio. Además, la propia bobina coaxial consume energía debido a fugas electromagnéticas y otros problemas.
