Układy pasywnego i aktywnego równoważenia ogniw
| TechnikaPoziom naładowania, czyli stosunek pozostałego ładunku do całkowitej pojemności poszczególnych ogniw w bateriach litowo-jonowych jest monitorowany. W razie potrzeby jest również równoważony. Wydłuża to żywotność baterii oraz zapobiega uszkadzaniu się ogniw z powodu ich głębokiego rozładowania się lub przeładowania. W tym zakresie stosuje się dwa podejścia: pasywne oraz aktywne równoważenie, które porównujemy w artykule.
Rezultatem pasywnego równoważenia jest wyrównanie poziomu naładowania wszystkich ogniw w stosie przez rozproszenie nadmiaru ładunku w rezystorze rozładowczym. Ponieważ powoduje to zmniejszenie całkowitego użytecznego ładunku, nie skutkuje wydłużeniem czasu pracy zasilanego bateryjnie urządzenia.
Aktywne równoważenie ogniw jest bardziej złożoną techniką. Polega ono na redystrybucji ładunku pomiędzy ogniwami baterii podczas cykli ładowania i rozładowania. Dzięki temu zwiększa się całkowity użyteczny ładunek, co wydłuża czas pracy urządzenia na baterii. Dodatkowo krótszy jest czas ładowania, w porównaniu z pasywnym równoważeniem. Wyrównywaniu poziomu naładowania ogniw towarzyszy również mniejsza ilość strat na ciepło.
Skutki niedopasowania pojemności
Na rysunku 1a przedstawiono typowy, fabrycznie nowy stos baterii, w którym wszystkie ogniwa mają maksymalny poziom naładowania. W tym przykładzie przyjęto, że pełne naładowanie odpowiada 90% całkowitej pojemności ogniwa, ponieważ naładowanie do 100% pojemności lub w pobliżu tej wartości przez dłuższy czas skraca jego żywotność. 30% całkowitej pojemności odpowiada natomiast pełnemu rozładowaniu, co zapobiega również niekorzystnemu, głębokiemu rozładowaniu.
Z czasem pojemność poszczególnych ogniw w pakiecie zmienia się, nawet jeżeli fabrycznie były one pod tym kątem dobrze dopasowane. Powody tego mogą być różne. Przykładowo ze względu na lokalizację w stosie baterii niektóre ogniwa mogą być narażone na większe zmiany temperatury lub ciśnienia, co wpływa na ich pojemność. Poza tym nawet niewielkie różnice całkowitej pojemności, rezystancji wewnętrznej, szybkości samorozładowania, a nawet szybkości starzenia się, które są nieuniknionym skutkiem specyfiki procesu produkcyjnego, z czasem mogą się zwiększać. Skutkuje to profilem rozładowania jak na rysunku 1b.
Wynika z niego, że dwa ogniwa o mniejszej pojemności rozładowały się szybciej niż pozostałe. Mimo że w tych ostatnich pozostał jeszcze ładunek, cały pakiet zostanie uznawany za rozładowany. Stopień niedopasowania pojemności poszczególnych ogniw odpowiada ilości niewykorzystanego ładunku. Zwiększa to liczbę cykli ładowania i rozładowania baterii, co skraca jej żywotność.
W takim przypadku, w razie zastosowania aktywnego równoważenia, ładunek zostałby przeniesiony z wciąż naładowanych ogniw do tych już rozładowanych. Zostałby więc ostatecznie wykorzystany, a stos baterii pracowałby do pełnego rozładowania.
Analogicznie podczas ładowania, bez równoważenia, ogniwa o mniejszej pojemności naładują się do pełna szybciej niż te pozostałe (rys. 1c). Wówczas cały pakiet zostanie uznany za naładowany, pomimo że ogniwa o większej pojemności wciąż jeszcze mogą pomieścić pewną ilość ładunku. W razie zastosowania aktywnego równoważenia, dzięki redystrybucji ładunku, stos baterii osiągnąłby swoją pełną pojemność.
Równoważenie pasywne
Dzięki pasywnemu równoważeniu wszystkie ogniwa w stosie są naładowane do takiego samego poziomu odpowiadającego pojemności "najsłabszego" z nich. Podczas ładowania, przy stosunkowo niskim prądzie rozładowania, odprowadza się nadmiar ładunku z ogniw o największym poziomie naładowania. Dzięki ich rozładowywaniu ładowanie może być kontynuowane, dopóki wszystkie ogniwa nie zostaną w pełni naładowane. W tym celu wykorzystuje się układ przełącznika (klucza tranzystorowego) i rezystora rozładowczego, dołączonych równolegle do każdego z ogniw (rys. 2).
Technika pasywnego równoważenia nie wydłuża czasu pracy urządzenia na zasilaniu bateryjnym. Chociaż jest to niedrogi sposób, moc rozpraszana w rezystorze jest tracona. To nie jest efektywne. Z drugiej strony pasywne równoważenie może skorygować długoterminową rozbieżność prądów samorozładowania pomiędzy ogniwami. Można je jednak zastosować wyłącznie podczas cyklu ładowania, ponieważ podczas rozładowywania tylko przyspieszałoby to wyczerpywanie się baterii.
Równoważenie pasywne w praktyce
Funkcja pasywnego równoważenia baterii jest dostępna na przykład w układach z serii LTC6804 firmy Analog Devicec (Linear Technology). Umożliwiają one monitorowanie do 12 połączonych szeregowo ogniw, z całkowitym błędem pomiaru poniżej 1,2 mV, przy zakresie pomiarowym od 0–5 V. LTC6804 również można łączyć szeregowo, by jednocześnie monitorować większą liczbę ogniw. Dodatkowe funkcje, poza pasywnym równoważeniem wszystkich ogniw, które może być zrealizowane z wykorzystaniem klucza tranzystorowego wbudowanego albo zewnętrznego, to 5 linii I/O ogólnego przeznaczenia i wbudowany regulator 5 V. W trybie uśpienia pobór prądu nie przekracza 4 μA. Przykładowe zastosowania to: auta elektryczne i hybrydowe, systemy akumulatorów zapasowych, przenośny sprzęt dużej mocy oraz magazynowanie energii w sieci. Na rysunku 3 przedstawiono typową aplikację LTC6804.
W celu skonfigurowania układu pasywnego równoważenia baterii korzysta się z zacisków S1–S12, jeśli jedno z ogniwo w pakiecie zostanie przeładowane, odpowiedni zacisk S może zostać użyty do jego rozładowania. Każde z wyjść S ma wewnętrzny MOSFET z kanałem typu N o maksymalnej rezystancji włączenia 20 Ω. Aby rozproszyć ciepło poza obudową, do tranzystora należy podłączyć zewnętrzny rezystor, jak to pokazano na rysunku 4. W celu dodania dodatkowego filtrowania dla pomiarów napięcia ogniwa można zastosować filtr RC. Warunkiem jest, aby jego rezystor miał małą wartość, najlepiej około 10 Ω, aby zmniejszyć wpływ na zaprogramowany prąd równoważący. Korzystając z pasywnego równoważenia w oparciu o wbudowane MOSFET-y, do rozładowywania ogniw należy koniecznie monitorować temperaturę układu.
Wyjścia S układu LTC6804 mają też wbudowany tranzystor PMOS pull-up. Mogą zatem pracować jako wyjścia cyfrowe, odpowiednie do sterowania bramką zewnętrznego MOSFET-a. W przypadku zastosowań wymagających dużych prądów rozładowania akumulatora należy podłączyć zewnętrzny klucz tranzystorowy PMOS oraz odpowiedni rezystor rozładowczy do ogniwa, zaś zacisk bramki przełącznika do właściwego zacisku wyjściowego S, jak pokazano na rysunku 5.
Układy aktywnego równoważenia
W aktywnym równoważeniu ogniw wykorzystywane są różne topologie. Przykład to konfiguracja oparta na przetwornicach typu flyback, która została przedstawiona na rysunku 6. Umożliwiają one przesyłanie ładunku w obu kierunkach, ale każde ogniwo baterii w stosie wymaga dwukierunkowej przetwornicy. W zależności od jej konstrukcji istnieje kilka możliwych ścieżek przesyłania ładunku. Na przykład może być przenoszony z jednego ogniwa do ich podgrupy w pakiecie lub z dowolnego ogniwa na kolejne w stosie. Energia może być również przesyłana do albo z pomocniczej szyny zasilającej. Wadą podejścia opartego na przetwornicach flyback jest to, że wymaganych jest wiele transformatorów. To skutkuje niekompaktową, drogą konstrukcją w przypadku pakietów baterii o dużej liczbie ogniw.
Alternatywą jest układ, w którym korzysta się z zestawu przełączników, które przełączają tylko jeden wspólny transformator do poszczególnych ogniw. Wyróżnia się dwa typy kluczy: przełączniki ogniw i przełączniki biegunowości. Pierwsze są podłączone bezpośrednio do ogniw akumulatora. Mogą one blokować prąd płynący do i z ogniw, zarówno podczas ładowania, jak i rozładowywania. Przełączniki drugiego typu blokują prąd płynący wyłącznie w jednym kierunku. Są podłączone bezpośrednio do strony wtórnej pojedynczej, dwukierunkowej przetwornicy flyback (lub forward). Strona pierwotna jest z kolei podłączona do akumulatora lub pomocniczej szyny zasilania (rys. 7). W tej konfiguracji każde ogniwo może wymieniać energię, podczas ładowania lub rozładowywania z akumulatorem albo pomocniczą szyną zasilania. Główną jej zaletą jest to, że wymagany jest tylko jeden transformator.
Wykorzystuje się też prostsze podejście oparte na przetwornicach buck-boost. W takim przypadku zamiast przekazywać ładunek do dowolnych ogniw w pakiecie lub do oddzielnej szyny zasilającej, przenosi się go do ogniw bezpośrednio sąsiadujących. Znacznie upraszcza to układ równoważący, gdyż w celu rozłożenia ładunku na cały stos wykorzystuje się jednoczesną pracę wielu przetwornic. W porównaniu do dwóch poprzednich konfiguracji tę, poza prostotą, wyróżnia większa niezawodność (rys. 8).
Monika Jaworowska
