パワーバッテリーシステムの均等化管理
バッテリーパック内の個々のセル間の容量とエネルギーの差のバランスをとり、バッテリーパックのエネルギー利用率を向上させるには、充電および放電プロセス中に均等化回路が必要です。等化プロセス中に回路がどのようにエネルギーを消費するかに基づいて、エネルギー散逸タイプとエネルギー非散逸タイプの 2 つの主なカテゴリに分類できます。-エネルギー散逸タイプは余剰エネルギーを熱として放散しますが、エネルギー非散逸タイプは余剰エネルギーを他のバッテリーに転送または変換します。-
エネルギー散逸-タイプの平衡管理
エネルギー散逸-タイプの均等化回路は、図 8-12 に示すように、個々のバッテリー セルの並列抵抗を介して充電電流を分流することによって均等化を実現します。この回路構成は単純であり、通常、均等化処理は充電中に完了する。ただし、低容量の個々のセルの電力を補充することはできないため、エネルギーが無駄になり、熱管理システムの負荷が増加します。-エネルギー散逸型の電気製品は、一般に次の 2 つのカテゴリに分類されます。
エネルギー散逸-タイプの電気製品は、一般に 2 つのカテゴリに分類されます。1 つは、シャント抵抗が常に各バッテリー セルに並列に接続されている定シャント抵抗均等化充電回路です。この方法は、高い信頼性と大きなシャント抵抗値を特徴とし、固定シャントによる自己放電による個々のセル電圧の差を低減します。-。欠点は、シャント抵抗が充電と放電の両方で常に電力を消費し、その結果、大幅なエネルギー損失が発生することです。一般に、エネルギーを迅速に補充できる用途に適しています。
2 つ目は、スイッチ-制御のシャント抵抗器均等化充電回路です。シャント抵抗器はスイッチによって制御されます。充電中、個々のバッテリー電圧がカットオフ電圧に達すると、均等化装置が過充電を防止し、過剰なエネルギーを熱に変換します。この均等化回路は充電中に動作し、充電中に電圧が高い個々のセルに電流を分流できます。欠点は、均等化時間が限られているため、シャント中に発生する大量の熱を熱管理システムを通じてタイムリーに放散する必要があることであり、これは特に大容量のバッテリーパックで顕著です。
たとえば、10Ah のバッテリ パックでは、100mV の電圧差により、500mAh を超える容量の差が生じる可能性があります。均等化時間が2時間の場合、シャント電流は250mA、シャント抵抗は約14Ω、発熱量は約2Whとなります。
非エネルギー散逸型均等化管理
非エネルギー散逸回路は、エネルギー散逸回路よりもはるかに少ないエネルギーを消費しますが、その回路構造は比較的複雑です。-これらは、エネルギー変換の等化とエネルギー伝達の等化の 2 つのタイプに分類できます。
エネルギー変換のバランス調整
エネルギー変換バランシングは、スイッチング信号を使用して、バッテリー パック全体から個々のセルのエネルギーを補充するか、個々のセルのエネルギーをバッテリー パック全体に変換して戻します。図 8-13 に示すように、個々のセルのエネルギーから全体のエネルギーへの変換は、通常、バッテリー パックの充電プロセス中に発生します。この回路は個々のセルの電圧を検出します。個々のセルの電圧が特定の値に達すると、バランシング モジュールが動作を開始します。個々のセルの充電電流を迂回させて充電電圧を下げ、迂回された電流はモジュールによって変換されて充電バスにフィードバックされ、バランスがとれます。一部のエネルギー変換平衡化方法では、フリーホイーリング インダクターを使用して、個々のセルからバッテリー パックへのエネルギー変換を完了することもできます。
バッテリ パック全体のエネルギーを個々のセルに変換する回路を図 8-14 に示します。この方法は補足バランシングとも呼ばれます。充電プロセス中、電圧検出回路が個々のセルを監視しながら、メイン充電モジュールが最初にバッテリー パックを充電します。個々のセルの電圧が高すぎる場合、主充電回路が停止し、補助バランス充電モジュールがバッテリー パックの充電を開始します。最適化された設計により、バランシング モジュールの充電電圧は、独立した DC/DC コンバータと同軸コイル変圧器を介して個々のセルに適用され、同一の二次巻線が追加されます。これにより、電圧が高いセルは補助充電回路から受け取るエネルギーが少なくなり、電圧が低いセルはより多くのエネルギーを受け取ることができ、バランスが取れます。この方法の問題は、二次巻線の一貫性の制御が難しいことです。巻数が同じであっても、変圧器の漏れインダクタンスと二次巻線間の相互インダクタンスを考慮すると、個々のセルが同じ充電電圧を受け取ることができない場合があります。さらに、同軸コイルもある程度のエネルギー散逸を経験し、この平衡化方法は充電の不均衡にのみ対処し、放電状態の不均衡には対処できません。
エネルギー伝達のバランスをとる
エネルギー転送バランシングでは、図 8-15 に示すように、インダクタやコンデンサなどのエネルギー貯蔵素子を利用して、バッテリー パック内の高容量の個々のセルから低容量のセルに電荷を転送します。{0}{1}{0}{1}{3}15.この回路は、コンデンサを切り替えて隣接するセル間でエネルギーを伝達し、高電圧セルから低電圧セルに電荷を移動させてバランスをとります。-あるいは、誘導エネルギー貯蔵を使用して、隣接するセル間の双方向のエネルギー伝達を実現することもできます。この回路はエネルギー損失が非常に低いですが、バランシング中に複数回の転送が必要なため、バランシング時間が長くなり、マルチセル バッテリ パックには適していません。-改良されたコンデンサ スイッチング バランシング方法により、エネルギー転送に最高電圧と最低電圧の個々のセルを選択することで、バランシング速度を向上させることができます。-ただし、エネルギーの決定とエネルギー伝達の平衡化におけるスイッチング回路の実装は比較的困難です。
上記のバランス方法以外に、トリクル充電を使用して、充電アプリケーション中にバッテリーのバランスを実現することもできます。これは最も単純な方法であり、外部の補助回路は必要ありません。これには、直列接続されたバッテリー パックを小さな電流で継続的に充電することが含まれます。{2}}充電電流は非常に小さいため、完全に充電されたバッテリーには過充電による影響はほとんどありません。完全に充電されたバッテリーはそれ以上の電気エネルギーを化学エネルギーに変換できないため、過剰なエネルギーは熱に変換されます。ただし、完全に充電されていないバッテリーは、完全に充電されるまで電気エネルギーを受け取り続けることができます。このようにして、比較的長い期間が経過すると、すべてのバッテリが完全充電に達し、容量の均等化が達成されます。しかし、この方法は非常に長い均等化充電時間を必要とし、均等化を達成するためにかなりの量のエネルギーを消費します。さらに、この方法は放電の均一化を管理するのには効果的ではありません。
アプリケーションの問題点
既存のバッテリー バランシング ソリューションは、主にバッテリー パックの電圧に基づいてバッテリー容量を決定します。-電圧ベースのバランシング方法-。バッテリーパックのバランスを実現するには、電圧検出の高精度と精度が重要です。電圧検出回路の漏れ電流は、バッテリーパックの安定性に直接影響します。したがって、シンプルで効率的な電圧検出回路を設計することは、バランス回路にとって重要な課題です。さらに、電圧はバッテリー容量の唯一の尺度ではありません。接続方法の内部抵抗や接触抵抗によっても電圧変動が発生します。したがって、バランスをとるために電圧のみに依存すると、過剰なバランスが発生し、エネルギーが無駄になる可能性があります。{8}極端な場合には、初期容量のバランスが取れているにもかかわらず、バッテリー パックに不均衡が生じることさえあります。
エネルギー放散回路の構造は単純ですが、バランス抵抗は電流分流中にエネルギーを消費し、熱を発生するため、熱管理の問題が発生します。これらは本質的に、エネルギー散逸を通じて個々のセルの過度に高いまたは低い端子電圧を制限するため、静的平衡化にのみ適しています。温度上昇が高いとシステムの信頼性が低下し、動的バランスには適さないものになります。-この方法は、小型または低容量のバッテリー パックにのみ適しています。-
エネルギー転送回路はバッテリー容量を補償する方法であり、高容量のバッテリーがエネルギーを提供して低容量のバッテリーを補償します。-この方法は実行可能ではありますが、実際の回路では個々のセルの電圧を監視する必要があるため、複雑でかさばり、コストがかかります。さらに、エネルギー伝達はエネルギー貯蔵媒体を介して行われるため、エネルギー消費と制御の問題が生じます。このバランス方法は通常、中型から大型のバッテリー パックで使用されます。
一方、エネルギー変換回路はスイッチング電源を使用してエネルギー変換を実現します。エネルギー転送回路と比較して、回路は大幅に複雑でなく、安価です。ただし、同軸コイルの場合、巻線を各セルに接続するワイヤの長さと形状が異なるため、変圧比が異なり、各セルのバランスが一貫せず、バランス誤差が発生します。また、同軸コイル自体も電磁漏れなどによりエネルギーを消費します。
