Jämviktstillståndsanalys och jämviktsalgoritm

I ett idealiskt batteripaket har alla individuella celler samma kapacitet och har alltid samma SoC, vilket också är SoC för batteripaketet; När SOC för batteripaketet är 100%, är SOC för alla celler också 100%, vilket begränsar ytterligare laddning När SOC för batteripaketet är 50%, är alla individuella celler även 50 % SoC När batteripaketet har 0 % SoC, har alla celler också 0 % SOC, och alla begränsar ytterligare urladdning. Även om alla celler har samma kapacitet, om saker och ting är på olika SOC, är batteripaketet obalanserat;

Ett batteripaket bestående av sex battericeller kopplade i serie. Varje rektangel representerar en battericell, dess höjd representerar dess kapacitet och dess vertikala position representerar dess SoC. (a) Samma kapacitet, balanserad, (b) samma kapacitet, obalanserad, (c) olika kapacitet, toppbalanserad, och (d) olika kapacitet, medelbalanserad. När cell 2 har 100% SoC, begränsar det all ytterligare laddning. Därför är batteripaketet på 100 % SoC; Det finns fortfarande mer utrymme för andra batterier, men de kan inte laddas ytterligare eftersom det kommer att överladda det andra batteriet. När batteripaketet har 50 % SoC är SoC-intervallet för varje cell ungefär 30 % till 70 %. När batteri #4 har 0 % SoC begränsar det ytterligare urladdning. Därför är SoC för batteripaketet 0 %; De andra batterierna har fortfarande lite mer laddning kvar på sig, men de kan inte laddas ur eftersom det skulle överurladda batteri #4. Observera att två olika cellnät begränsar batteripaketets kapacitet, med #2 överst och #4 nederst.

Vid ett givet ögonblick är tillståndet för obalans (SoI) för ett batteripaket skillnaden mellan den mest laddade cell SoC och den minst laddade cell SoC i batteripaketet. Till exempel, om SoC för det mest laddade batteriet är 75 % och SoC för det minst laddade batteriet är 70 %, då är SoI för strängen 5 %. För batteripaket med samma SoC för enskilda celler är SoI 0 %.

Jämviktstillståndet (SoB) för batteripaketet är 100 % minus SoI. Om SoI för batteripaketet är 5 % är dess SoB 95 %. I diskussionen ovan användes rutor för att representera SoC-intervallet för varje enskild cell. Om denna representation inte är särskilt bra, kan följande graf över batterispänning och SoC-nivå med batteripaket SoC förmedla detta koncept tydligare.

Under idealiska förhållanden med lika kapacitet och balans har alla celler i ett seriekopplat batteri samma kapacitet, och vid varje given tidpunkt är SoC densamma (Figur {{0}}). När batteripaketet laddas eller laddas ur förblir alla cellspänningar konstanta. SoC för varje cell är densamma som för batteripaketet (till exempel när SoC för batteripaketet är 50%, är SoC för varje cell också 50%). Du kanske inser att kurvan ovan endast är för OCV- och NMC-litiumjonbatterier i SoC. Alla tre battericellerna följer denna kurva. Den nedre kurvan representerar SoC för battericellen och SoC för batteripaketet, i det här fallet är det en rät linje från 0% till 100% i förhållandet 1:1-a. Det schematiska diagrammet över tre battericeller kopplade i serie på en 50% SoC motsvarar den vertikala linjen i mitten av de två figurerna. När batteripaketet är fullt har alla celler 100 % SoC; Det finns ingen laddningsgräns för en enda battericell - de laddas alla samtidigt. På samma sätt, när batteripaketet är tomt, är SoC för alla celler 0 %; Inget enskilt batteri kan begränsa urladdningen - de begränsar alla urladdningen samtidigt. Batteripaketets kapacitet är densamma som kapaciteten för varje battericell (10 timmar i detta exempel). Det vill säga att hela kapaciteten för varje cell är tillgänglig. Därför är batteripaketets jämviktstillstånd 100 % (vilket indikerar fullständig jämvikt för batteripaketet) och obalanstillståndet är 0 % (indikerar ingen obalans).

Om kapaciteten är densamma, men SoC i början är annorlunda (som visas i figur {{0}}), så begränsar ett batteri laddningen (batteri 1 i det här exemplet) och det andra batteriet begränsar urladdningen ( batteri 3 i detta exempel). Därför har batteripaketets kapacitet minskat. Ovanstående kurva visar sambandet mellan spänning och laddning för tre typer av litiumjonbatterier. Observera att formen på kurvan är densamma. De rör sig bara till vänster (enhet # 1 har en högre SoC) eller till höger (enhet # 3 har en lägre SoC). Den nedre kurvan är "SoC and battery pack SoC" för tre celler (inte 1:1 i det här fallet). Observera att lutningen är densamma eftersom de tre cellerna har samma kapacitet. De flyttar bara åt vänster eller höger När strängen är på 0% SoC (vänster ände av plottet), är cell #3 tom och urladdning avaktiveras. De andra två batterierna har fortfarande hög spänning (3,38V för batteri 2 och 3,6V för batteri 1) och laddning (20 % SoC för batteri 2 och 40 % SoC för batteri 1). Denna laddning är dock inte tillgänglig eftersom den inte kan ladda ur cell # 3. När SoC för batteripaketet är 50 % (vertikal linje i mitten av grafen), är SoC för cell 1 70 %, SoC för cell 2 är 50 % och SoC för cell 3 är 30 %.

När batteripaketet är på 100 % SoC (till höger i figuren), är cell #1 full och laddningen avaktiveras; Spänningen för de andra två batterierna är lägre (3,87V för batteri 2 och 3,75V för batteri 3), och de kan fortfarande acceptera mer laddning (80 % SoC för batteri 2 och 60 % SoC för batteri 3). Detta utrymme är dock inte tillgängligt eftersom det inte kan laddas om inte No.1-batteriet är överladdat. Varje batteri fungerar inom ett begränsat SoC-intervall: • Batteri nr 1:s SoC begränsar laddningen, från 40 % till 100 %; SoC-intervallet för enhet 2 är från 20 % till 80 %; SoC för batteri 3, begränsad urladdning, från 0 % till 60 %. Deltan inom SoC-intervallet för alla batterier är 60 % över hela intervallet. Det vill säga, endast 60 % av enhetens kapacitet är tillgänglig för strängar, och 40 % är otillgänglig på grund av obalans – batteripaketets jämviktstillstånd är 60 % och dess obalanstillstånd är 40 %. Kapaciteten för varje battericell är 10 timmar, men kapaciteten för batteripaketet är bara 6 timmar (60 % av 10 timmar).

När cellerna i ett batteripaket har olika kapacitet (vilket verkligen är fallet), kan batteripaketet endast balanseras på SoC-nivån för en enskild cell. På andra ställen har batterier olika nivåer av SoC. När batteripaketet laddas eller laddas ur från denna punkt avviker batteriets SoC. Sedan, när batteripaketet återgår till sin ursprungliga SoC-nivå, sätts alla cellers SoCs ihop igen. I figur 3-13 visar den övre kurvan förhållandet mellan spänningen och laddningen för tre battericeller. Observera att dessa kurvor har samma allmänna form. Endast deras bredd kommer att ändras. Om kapaciteten är hög (cell 1) blir kurvan bredare; Om kapaciteten är låg är kurvan smal (cell #3). Den nedre kurvan representerar SoC för tre battericeller och SoC för batteripaketet. Observera att lutningarna är olika eftersom dessa tre celler har olika kapacitet: med tanke på strömmen som flyter in i eller ut ur batteripaketet ändras SoC för lågkapacitetsbatteriet snabbare än för högkapacitetsbatteriet.

I det här exemplet:

När batteripaketet är på 0% SoC (vänster ände av diagrammet), är cell #3 tom och kan inte laddas ur; De andra två cellerna har fortfarande laddning (cell 1 har 40% SoC, cell #2 har 20% SoC), cell 1 har 3,5V, cell 2 har 3,38V och skillnaden i SoC mellan cell #1 och # 3 är 40 %, vilket betyder att batteriets obalanserade tillstånd är 40 %.

När batteripaketet är på 50 % SoC (vertikal linje i mitten av grafen) är SoC för de tre batterierna 50 %, så spänningen är densamma vid 3,65V.

SoB är 100 %, SoI är 0 %.

När batteripaketet är på 100 % SoC (höger ände av diagrammet), är cell # 3 full och kan inte laddas; De andra två cellerna kan fortfarande acceptera mer laddning (cell 1 vid 60 % SoC och cell 2 vid 80 % SoC), med cell 1 vid 3,82V och cell 2 vid 3,9V. Skillnaden i SoC mellan batterier #1 och #3 är 40 %, vilket innebär att obalanstillståndet för batteripaketet är 40 %.

För att balansera batteripaketet kontrollerar BMS batterispänningen för att avgöra vilka batterier som är obalanserade. Men på grund av det faktum att kurvorna för OCV och SoC inte är en rak linje, är spänningsskillnaden mellan de två batterierna inte direkt proportionell mot deras laddningsskillnad. För en given obalans beror spänningsskillnaden mellan två seriekopplade batterier på flera faktorer: grad av obalans: ju större grad av obalans, desto större spänningsskillnad; SoC för batteripaket: På grund av formen på OCV- och SoC-kurvorna är spänningsskillnaden mer uttalad vid låga och höga SoC-nivåer; Batterikemi: För LFP-batterier, i SOC, oavsett SoI, är batterispänningen nästan densamma; Spänningsskillnaden blir bara signifikant när SoC är på låga och höga nivåer. Dessa grafer visar spänningsskillnaden mellan två batterier och strängens SoC, med varierande mängder SoC-obalans mellan dem. Till exempel används 10%-kurvan när SoC för en enhet är 10% högre än för en annan enhet. För NMC-enheter är det svårt att upptäcka en obalans på 1 %, förutom för SoCs under 5 % (Figur 3.18 (a)); 10 % obalans är lätt att upptäcka, förutom cirka 35 % SoC. För LFP-enheter är det lätt att upptäcka en 1 % obalans när SoC är under 10 % och över 95 % (Figur 3.18 (b)). På andra ställen är det nästan omärkligt; När SoC är 50 % kan endast 30 % av allvarlig obalans upptäckas. Därför, även om LFP-batterier är mycket lämpliga för krafttillämpningar, är buffertbatterier med LFP-batterier faktiskt omöjliga att uppnå mellanbalans. Att försöka balansera ett batteripaket i ett område där deltaspänningen är för låg är inte bara meningslöst, utan kommer sannolikt att slå tillbaka, eftersom andra faktorer kan påverka skillnaden i batteripolspänning mer än obalans.

Skillnaden i självurladdningsström är den direkta orsaken till batteriobalans. SoC för batterier med hög självurladdning minskar snabbare än för batterier med låg självurladdning. Allt eftersom tiden går differentierar SoC-nivåerna för varje battericell och obalanstillståndet ökar. Även om alla batterier laddar ur sig själv med lägsta hastighet, är vissa snabbare än andra, särskilt vid olika temperaturer (Figur {{0}} (a)). Det värsta scenariot inträffar när vissa batterier är i rumstemperatur medan andra är i varmt tillstånd (till exempel eftersom de är installerade bredvid en laddare). Självurladdningsströmmen för det kallaste batteriet är 0.000023C, medan självurladdningsströmmen för det hetaste batteriet är 0.00017C,

Skillnad på 0.00015 grader Celsius. På grund av denna skillnad kommer strängen att bli mer obalanserad med 11 % varje månad. För att kompensera för variationen i självurladdningsström mellan batterier, erhåller BMS en balanserad ström från batteriet med den lägsta självurladdningsströmmen. Denna balansström är exakt lika med skillnaden i självurladdningsström mellan detta batteri och batteriet med högst självurladdning. I exemplet som visas i figuren, vänligen notera hur BMS säkerställer att varje cell laddar ur med samma 150 μ A ström genom att ge extra urladdningsström till celler med låg självurladdningsström. Alternativt kan BMS ladda batteriet med den högsta självurladdningsströmmen för att kompensera för skillnaden.

Balanseringsalgoritmen är baserad på spänningsbalansering: endast när batteriet är på balansinställningsvärdet är det balanserat baserat på batterispänningsavläsningen; Baserat på SoC (förutsägelse): kan balanseras när som helst, baserat på uppskattade batteri SoC-nivåer