Gleichgewichtszustandsanalyse und Gleichgewichtsalgorithmus

In einem idealen Akkupack haben alle einzelnen Zellen die gleiche Kapazität und haben immer den gleichen SoC, der auch der SoC des Akkupacks ist; Wenn der SOC des Akkupacks 100 % beträgt, beträgt der SOC aller Zellen ebenfalls 100 %, was ein weiteres Laden begrenzt. Wenn der SOC des Akkupacks 50 % beträgt, sind es alle einzelnen Zellen auch 50 % SoC Wenn der Akku einen SoC von 0 % hat, haben auch alle Zellen einen SoC von 0 % und sie alle begrenzen eine weitere Entladung. Selbst wenn alle Zellen die gleiche Kapazität haben und die Ladezustände unterschiedlich sind, ist das Batteriepaket unausgeglichen;

Ein Batteriepaket bestehend aus sechs in Reihe geschalteten Batteriezellen. Jedes Rechteck repräsentiert eine Batteriezelle, seine Höhe repräsentiert seine Kapazität und seine vertikale Position repräsentiert seinen SoC. (a) Gleiche Kapazität, ausgeglichen, (b) Gleiche Kapazität, unsymmetrisch, (c) unterschiedliche Kapazitäten, oben ausgeglichen und (d) unterschiedliche Kapazitäten, mittelsymmetrisch. Wenn Zelle 2 einen SoC von 100 % hat, wird jegliches weitere Laden eingeschränkt. Daher hat der Akku einen Ladezustand von 100 %; Es ist noch mehr Platz für andere Akkus vorhanden, diese können jedoch nicht weiter aufgeladen werden, da dadurch der zweite Akku überladen wird. Wenn der Akku einen Ladezustand von 50 % aufweist, liegt der Ladezustandsbereich jeder Zelle bei etwa 30 % bis 70 %. Wenn Batterie Nr. 4 einen Ladezustand von 0 % hat, wird eine weitere Entladung begrenzt. Daher beträgt der SoC des Akkupacks 0 %; Die anderen Akkus haben noch etwas Ladung übrig, können aber nicht entladen werden, da sonst Akku Nr. 4 zu stark entladen würde. Beachten Sie, dass zwei unterschiedliche Zellenraster die Kapazität des Akkupacks begrenzen, nämlich Nr. 2 oben und Nr. 4 ganz unten.

Der Ungleichgewichtszustand (State of Imbalance, SoI) eines Akkupacks ist zu einem bestimmten Zeitpunkt die Differenz zwischen dem SoC der am stärksten geladenen Zelle und dem SoC der am wenigsten geladenen Zelle im Akkupack. Wenn beispielsweise der SoC der am stärksten geladenen Batterie 75 % und der SoC der am wenigsten geladenen Batterie 7 0 % beträgt, beträgt der SoI der Zeichenfolge 5 %. Bei Akkupacks mit gleichem SoC für einzelne Zellen beträgt der SoI 0 %.

Der Gleichgewichtszustand (SoB) des Akkupacks beträgt 100 % minus SoI. Wenn der SoI des Akkupacks 5 % beträgt, beträgt sein SoB 95 %. In der obigen Diskussion wurden Kästchen verwendet, um den SoC-Bereich jeder einzelnen Zelle darzustellen. Wenn diese Darstellung nicht sehr gut ist, kann das folgende Diagramm der Batteriespannung und des SoC-Pegels mit Batteriepack-SoC dieses Konzept klarer vermitteln.

Unter idealen Bedingungen gleicher Kapazität und Balance haben alle Zellen in einem in Reihe geschalteten Batteriepack die gleiche Kapazität und der SoC ist zu jedem Zeitpunkt derselbe (Abbildung {{0}}). Wenn der Akku geladen oder entladen wird, bleiben alle Zellspannungen konstant. Der SoC jeder Zelle ist derselbe wie der des Akkupacks (wenn der SoC des Akkupacks beispielsweise 50 % beträgt, beträgt der SoC jeder Zelle ebenfalls 50 %). Möglicherweise stellen Sie fest, dass die obige Kurve nur für die OCV- und NMC-Lithium-Ionen-Batterien von SoC gilt. Alle drei Batteriezellen folgen dieser Kurve. Die untere Kurve stellt den SoC der Batteriezelle und den SoC des Batteriepacks dar, in diesem Fall ist es eine gerade Linie von 0 % bis 100 % im Verhältnis 1:1-a. Das schematische Diagramm von drei in Reihe geschalteten Batteriezellen bei einem SoC von 50 % entspricht der vertikalen Linie in der Mitte der beiden Abbildungen. Wenn der Akku voll ist, haben alle Zellen 100 % SoC; Es gibt keine Ladebegrenzung für eine einzelne Akkuzelle – alle laden gleichzeitig. Ebenso beträgt der SoC aller Zellen bei leerem Akku 0 %; Keine einzelne Batterie kann die Entladung begrenzen – alle begrenzen gleichzeitig die Entladung. Die Kapazität des Akkupacks entspricht der Kapazität jeder Akkuzelle (in diesem Beispiel 10 Stunden). Das heißt, es steht die gesamte Kapazität jeder Zelle zur Verfügung. Daher beträgt der Gleichgewichtszustand des Akkupacks 100 % (was ein vollständiges Gleichgewicht des Akkupacks anzeigt) und der Ungleichgewichtszustand 0 % (was bedeutet, dass kein Ungleichgewicht vorliegt).

Wenn die Kapazität gleich ist, aber der SoC am Anfang unterschiedlich ist (wie in Abbildung {{0}} dargestellt), dann begrenzt ein Akku das Laden (in diesem Beispiel Akku 1) und der andere Akku begrenzt das Entladen ( (in diesem Beispiel Batterie 3). Daher hat die Kapazität des Akkupacks abgenommen. Die obige Kurve zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Ladung für drei Arten von Lithium-Ionen-Batterien. Beachten Sie, dass die Form der Kurve dieselbe ist. Sie bewegen sich nur nach links (Einheit Nr. 1 hat einen höheren SoC) oder nach rechts (Einheit Nr. 3 hat einen niedrigeren SoC). Die untere Kurve ist der „SoC und Batteriepack-SoC“ von drei Zellen (in diesem Fall nicht 1:1). Bitte beachten Sie, dass die Steigung gleich ist, da die drei Zellen die gleiche Kapazität haben. Sie bewegen sich einfach nach links oder rechts. Wenn der String 0 % SoC hat (linkes Ende des Diagramms), ist Zelle Nr. 3 leer und die Entladung ist deaktiviert. Die anderen beiden Batterien haben weiterhin eine hohe Spannung (3,38 V für Batterie 2 und 3,6 V für Batterie 1) und werden geladen (20 % SoC für Batterie 2 und 40 % SoC für Batterie 1). Dieser Ladevorgang ist jedoch nicht verfügbar, da Zelle Nr. 3 nicht entladen werden kann. Wenn der SoC des Akkupacks 50 % beträgt (vertikale Linie in der Mitte des Diagramms), beträgt der SoC von Zelle 1 70 %, der SoC von Zelle 2 beträgt 50 % und der SoC von Zelle 3 beträgt 30 %.

Wenn der Akku einen Ladezustand von 100 % aufweist (am rechten Ende der Abbildung), ist Zelle Nr. 1 voll und der Ladevorgang ist deaktiviert. Die Spannung der anderen beiden Batterien ist niedriger (3,87 V für Batterie 2 und 3,75 V für Batterie 3), und sie können immer noch mehr Ladung aufnehmen (80 % SoC für Batterie 2 und 60 % SoC für Batterie 3). Dieser Platz ist jedoch nicht verfügbar, da er nicht aufgeladen werden kann, es sei denn, der Akku Nr. 1 ist überladen. Jede Batterie arbeitet innerhalb eines begrenzten SoC-Bereichs: • Der SoC von Batterie Nr. 1 begrenzt den Ladevorgang auf 40 % bis 100 %; Der SoC-Bereich von Einheit 2 liegt zwischen 20 % und 80 %; SoC für Batterie 3, begrenzte Entladung, im Bereich von 0 % bis 60 %. Das Delta im SoC-Bereich aller Batterien beträgt über den gesamten Bereich 60 %. Das bedeutet, dass nur 60 % der Gerätekapazität für Strings verfügbar sind und 40 % aufgrund einer Unwucht nicht verfügbar sind – der Gleichgewichtszustand des Batteriesatzes beträgt 60 % und sein Unwuchtzustand beträgt 40 %. Die Kapazität jeder Akkuzelle beträgt 10 Stunden, die Kapazität des Akkupacks beträgt jedoch nur 6 Stunden (60 % von 10 Stunden).

Wenn die Zellen in einem Akkupack unterschiedliche Kapazitäten haben (was tatsächlich der Fall ist), kann der Akkupack nur auf der SoC-Ebene einer einzelnen Zelle ausgeglichen werden. An anderen Orten haben Batterien unterschiedliche SoC-Werte. Wenn der Akku von diesem Punkt an geladen oder entladen wird, weicht der SoC des Akkus voneinander ab. Wenn der Akku dann wieder sein ursprüngliches SoC-Niveau erreicht, werden die SoCs aller Zellen wieder zusammengesetzt. In Abbildung 3-13 zeigt die obere Kurve die Beziehung zwischen Spannung und Ladung von drei Batteriezellen. Bitte beachten Sie, dass diese Kurven die gleiche allgemeine Form haben. Lediglich ihre Breite ändert sich. Bei hoher Kapazität (Zelle 1) wird die Kurve breiter; Bei geringer Kapazität ist die Kurve schmal (Zelle Nr. 3). Die untere Kurve stellt den SoC von drei Batteriezellen und den SoC des Batteriepacks dar. Bitte beachten Sie, dass die Steigungen unterschiedlich sind, da diese drei Zellen unterschiedliche Kapazitäten haben: Abhängig vom Strom, der in den oder aus dem Akkupack fließt, ändert sich der SoC des Akkus mit niedriger Kapazität schneller als der des Akkus mit hoher Kapazität.

In diesem Beispiel:

Wenn der Akku einen Ladezustand von 0 % hat (linkes Ende des Diagramms), ist Zelle Nr. 3 leer und kann nicht entladen werden; Die anderen beiden Zellen haben noch Ladung (Zelle 1 hat 40 % SoC, Zelle Nr. 2 hat 20 % SoC), Zelle 1 liegt bei 3,5 V, Zelle 2 liegt bei 3,38 V und der Unterschied im SoC zwischen Zelle Nr. 1 und Nr. 3 beträgt 40 %, was bedeutet, dass der unausgeglichene Zustand des Akkupacks 40 % beträgt.

Wenn der Akku einen Ladezustand von 50 % aufweist (vertikale Linie in der Mitte des Diagramms), beträgt der Ladezustand der drei Akkus 50 %, sodass die Spannung bei 3,65 V gleich ist.

SoB ist 100 %, SoI ist 0 %.

Wenn der Akku einen Ladezustand von 100 % aufweist (rechtes Ende des Diagramms), ist Zelle Nr. 3 voll und kann nicht geladen werden; Die anderen beiden Zellen können noch mehr Ladung aufnehmen (Zelle 1 bei 60 % SoC und Zelle 2 bei 80 % SoC), wobei Zelle 1 bei 3,82 V und Zelle 2 bei 3,9 V liegt. Der SoC-Unterschied zwischen den Batterien Nr. 1 und Nr. 3 beträgt 40 %, was bedeutet, dass der Ungleichgewichtszustand des Batteriepakets 40 % beträgt.

Um den Akku auszugleichen, prüft das BMS die Batteriespannung, um festzustellen, welche Akkus unausgeglichen sind. Da die Kurven von OCV und SoC jedoch keine gerade Linie sind, ist die Spannungsdifferenz zwischen den beiden Batterien nicht direkt proportional zu ihrer Ladungsdifferenz. Bei einem gegebenen Ungleichgewicht hängt der Spannungsunterschied zwischen zwei in Reihe geschalteten Batterien von mehreren Faktoren ab: Grad des Ungleichgewichts: Je größer der Grad des Ungleichgewichts, desto größer der Spannungsunterschied; SoC des Akkupacks: Aufgrund der Form der OCV- und SoC-Kurven ist der Spannungsunterschied bei niedrigen und hohen SoC-Werten stärker ausgeprägt; Batteriechemie: Bei LFP-Batterien ist die Batteriespannung im SOC unabhängig vom SoI nahezu gleich; Der Spannungsunterschied wird nur dann signifikant, wenn der SoC auf niedrigem und hohem Niveau ist. Diese Diagramme zeigen die Spannungsdifferenz zwischen zwei Batterien und dem String-SoC mit unterschiedlichem SoC-Ungleichgewicht zwischen ihnen. Beispielsweise wird die 10 %-Kurve verwendet, wenn der SoC einer Einheit 10 % höher ist als der einer anderen Einheit. Bei NMC-Einheiten ist es schwierig, ein Ungleichgewicht von 1 % zu erkennen, außer bei SoCs unter 5 % (Abbildung 3.18 (a)); Ein Ungleichgewicht von 10 % ist leicht erkennbar, mit Ausnahme von etwa 35 % SoC. Bei LFP-Einheiten lässt sich ein Ungleichgewicht von 1 % leicht erkennen, wenn der SoC unter 10 % und über 95 % liegt (Abbildung 3.18 (b)). An anderen Orten ist es kaum wahrnehmbar; Wenn der SoC 50 % beträgt, können nur 30 % des schwerwiegenden Ungleichgewichts erkannt werden. Obwohl sich LFP-Batterien daher sehr gut für Energieanwendungen eignen, ist es mit Pufferbatterien mit LFP-Batterien tatsächlich unmöglich, ein Zwischengleichgewicht zu erreichen. Der Versuch, ein Batteriepaket in einem Bereich auszubalancieren, in dem die Dreieckspannung zu niedrig ist, ist nicht nur sinnlos, sondern kann auch nach hinten losgehen, da andere Faktoren den Spannungsunterschied an den Batterieklemmen stärker beeinflussen können als ein Ungleichgewicht.

Der Unterschied im Selbstentladestrom ist die direkte Ursache für ein Ungleichgewicht der Batterie. Der SoC von Batterien mit hoher Selbstentladung nimmt schneller ab als der von Batterien mit geringer Selbstentladung. Mit der Zeit unterscheiden sich die SoC-Werte jeder Batteriezelle und der Ungleichgewichtszustand nimmt zu. Obwohl sich alle Batterien mit der Mindestgeschwindigkeit selbst entladen, sind einige schneller als andere, insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen (Abbildung {{0}} (a)). Der schlimmste Fall tritt ein, wenn einige Akkus Zimmertemperatur haben, während andere sich in einem heißen Zustand befinden (z. B. weil sie neben einem Ladegerät installiert sind). Der Selbstentladestrom der kältesten Batterie beträgt 0,000023 °C, während der Selbstentladestrom der wärmsten Batterie 0,00017 °C beträgt.

Differenz von 0.00015 Grad Celsius. Aufgrund dieses Unterschieds wird die Unwucht der Saite jeden Monat um 11 % größer. Um die Schwankungen des Selbstentladestroms zwischen den Batterien auszugleichen, erhält das BMS einen ausgeglichenen Strom von der Batterie mit dem niedrigsten Selbstentladestrom. Dieser Ausgleichsstrom entspricht genau der Differenz des Selbstentladungsstroms zwischen dieser Batterie und der Batterie mit der höchsten Selbstentladung. Bitte beachten Sie in dem in der Abbildung gezeigten Beispiel, wie BMS sicherstellt, dass jede Zelle mit dem gleichen Strom von 150 μA entladen wird, indem es Zellen mit niedrigem Selbstentladungsstrom zusätzlichen Entladestrom zur Verfügung stellt. Alternativ kann BMS die Batterie mit dem höchsten Selbstentladestrom laden, um die Differenz auszugleichen.

Der Ausgleichsalgorithmus basiert auf dem Spannungsausgleich: Nur wenn die Batterie den Balance-Einstellwert erreicht hat, wird sie basierend auf dem Batteriespannungswert ausgeglichen; Basierend auf SoC (Vorhersage): Kann jederzeit basierend auf den geschätzten SoC-Werten der Batterie ausgeglichen werden