Проблема мониторинга и балансировки аккумуляторных батарей транспортных средств

Аккумуляторы различной емкости находят широкое применение в повседневной жизни людей в качестве источников питания мобильных телефонов, электроинструментов, электровелосипедов, электромобилей и т. д. Мобильные транспортные средства, распространенные в сельскохозяйственном производстве, имеют в составе электрооборудования соответствующие АБ для обеспечения стартерного пуска двигателя внутреннего сгора- ния и резервного энергообеспечения при неработающем двигателе. В ряде случаев АБ выполняет функции основной электросиловой установки, работающей на соответствующей резервируемой нагрузке и электроприводе транспортного средства [1].

Основные виды транспортных, погрузочно-транспортных и уборочных средств с бортовым аккумуляторным электропитанием, используемых в сельскохозяйственном производстве, представлены на рис. 1.

Р и с. 1. Мобильные средства с бортовым аккумуляторным электропитанием, используемые в сельском хозяйстве

F i g. 1. Mobile vehicles with on-board battery power supply used in agriculture

В составе электрооборудования мобильной сельскохозяйственной техники распространение получили преимущественно свинцово-кислотные аккумуляторы и, в меньшей, щелочные (никель-железные (и никель-кадмиевые) [Там же]. Современные тенденции повышения продолжительности автономной работы мобильной сельскохозяйственной техники вызывают необходимость увеличения емкости накопителей электроэнергии. Значение требуемой мощности химические аккумуляторы достигают путем соединения нескольких аккумуляторов в последовательные и параллельные цепи. При параллельном соединении n ак- 42

кумуляторов емкость полученной АБ увеличивается в n раз, а напряжение при этом соответствует напряжению одной батареи. Для его увеличения аккумуляторные ячейки соединяют последовательно. Проблемой является то, что при эксплуатации электрохимических накопителей энергии, состоящих из групп последовательно соединенных аккумуляторных ячеек, возникает несоответствие параметров отдельных элементов, негативно влияющее на энергетические характеристики и срок службы АБ [1–4].

Обзор литературы

Причиной этого, как правило, являются индивидуальные особенности ак-

Машиностроение кумуляторов, входящих в ее состав [5–8]. С течением времени несоответствие параметров увеличивается. Стандартные зарядные устройства контролируют только общее напряжение на всей цепочке аккумуляторов и обеспечивают необходимый ток заряда. Расхождение таких параметров аккумуляторов как емкость, внутреннее сопротивление, ток утечки является причиной отличия необходимого времени для заряда накопленной энергии в отдельных аккумуляторах [6]. Например, ячейка с меньшей емкостью заряжается быстрее ячейки с большей емкостью при протекании через них одинакового тока. После достижения 100 % емкости необходимо или прекратить заряд, или заряжать батарею током, равным значению тока утечки, а продолжение заряда приведет к увеличению напряжения на отдельной ячейке выше оптимального и вызовет ускоренную деградацию элемента. В частности, литий-ионные батареи могут безопасно работать только при нормальном напряжении заряда. При превышении значения напряжения заряда 4,30 В в элементе начинает происходить металлизация анода литием, а на катоде – активное выделение кислорода; температура батареи при этом увеличивается [9]. Заметим, что рост данного показателя на каждые 10 оС относительно номинальной температуры снижает срок службы батареи в 2 раза [10–11].

Учитывая все перечисленные выше особенности, сохранение и обеспечение максимального срока службы всей АБ возможно только при постоянном мониторинге и контроле состояния ее отдельных ячеек. Вопросы контроля состояния АБ рассматривались в [6–7; 10–12]. В частности, для решения проблемы с неравномерным зарядом ячеек необходимо применять системы выравнивания (балансировки) АБ, которые поддерживают оптимальное значение напряжения и емкости отдельных элементов электрохимической батареи [6–7; 13]. Такие системы могут быть как автономными, так и управляемыми, в составе и не в составе АБ. Наиболее важным них является способ, на котором основано выравнивание. Сложно определить однозначно лучший способ балансировки, поскольку каждый из них обладает рядом достоинств и недостатков. Знание принципов работы, положенных в основу методов балансировки, поможет создать более эффективные системы электропитания транспортных средств.

Материалы и методы

Объектом исследования являются способы мониторинга и балансировки АБ, соединенных последовательно, при отсутствии возможности или целесообразность их рассоединения для индивидуальной балансировки. Основные способы балансировки представлены на рис. 2.

Балансировка ячеек / Balancing cells

Пассивная / Passive

Активная / Active

Подключение фиксированного сопротивления /

Connecting shunted resistor

Шунтирование переменным сопротивлением / Bypass the variable resistor

Конденсаторная / Capacitor

Индуктивная / Inductive

Основанная на DC/DC преобразователях / Based on DC/DC converters

Р и с. 2. Способы балансировки ячеек

F i g. 2. Methods of balancing cells

При разработке методов и устройств используются общеинженерные подходы. На основе анализа и изучения принципов работы систем выравнивания рассмотрены схемотехнические решения, основанные как на одном способе выравнивания заряда, так и на комбинации таких способов.

Результаты исследования

Схема системы выравнивания заряда с помощью подключения резистора с фиксированным сопротивлением показана на рис. 3.

Р и с. 3. Выравнивание заряда с помощью шунтирующих резисторов

В работе [11] выделяется 3 критерия определения тока, протекающего через шунтирующий резистор: величина дисбаланса ячейки, емкость элемента и время, за которое необходимо провести балансировку. Для АБ, которые часто проходят циклы заряда-разряда, оптимальной является балансировка ячеек от 10 до 20 % от мощности за 1 зарядно-разрядный период. Рассмотрим, например, ячейки с емкостью 2,3 А∙ч , которые имеют дисбаланс 20 % и должны быть сбалансированы в течение 1 ч. Ток I_bal , протекающий через шунтирующий резистор, может быть вычислен по формуле:

I bail

Kdis

^{Х C}AB

tb

F i g. 3. Alignment of charge via shunt resistors

где K_dis – величина дисбаланса, %; С_АВ – номинальная емкость ячейки АБ, А∙ч ; t_b – продолжительность балансировки, ч.

Разновидностью способа, представленного на рис. 3, является вариант шунтирования ячейки, достигшей максимального заряда, резистором не с фиксированным, а с изменяемым сопротивлением [12]. Этого можно добиться, поменяв в схеме рис. 3. резисторы R1–R3 на MOSFET-транзисторы и контролируя их сопротивление с помощью управляющего сигнала (рис. 4).

Суть данного метода заключается в шунтировании резистором аккумуляторной ячейки, которая уже зарядилась до 100 %, но при этом не завершился заряд всей АБ. Резисторы R1–R3 при соответствующих ключах ограничивают ток через ячейки и тем самым препятствуют перезаряду батареи. Главным достоинством рассматриваемого метода является простота. В данном случае балансировку целесообразно проводить только в режимах заряда АБ, поскольку подключение дополнительного сопротивления к ячейке АБ во время разряда приведет к неэффективному использованию энергии аккумулятора.

Р и с. 4. Конфигурация системы уравнения выравниванием напряжения для двух ячеек F i g. 4. System configuration equation equalization voltage for two cells

Суть активной балансировки заключается в обеспечении требуемого напряжения на ячейках АБ за счет перераспределения энергии от ячеек с высоким уровнем заряда к ячейкам с его более низким уровнем.

Один из самых простых способов ак тивной балансировки показан на рис. 5.

Р и с. 5. Топология балансировки с одним переключающимся конденсатором

F i g. 5. Topology balancing with one switched capacitor

Для осуществления выравнивания заряда между ячейками цепочка RC последовательно подключается ко всем аккумуляторам (рис. 5). Максимальное напряжение на обкладках конденсатора соответствует напряжению наиболее заряженной ячейки, и при следующем подключении цепочки RC к другому аккумулятору будет передаваться дополнительный заряд от конденсатора. Резистор R используется для ограничения тока через конденсатор (Там же). Недостатком данного метода является длительное время выравнивания напряжения между ячейками [9; 13]. Возможно также построить систему управления и переключать цепочку RC только между ячейками с наибольшим и наи- меньшим напряжениям, и таким образом в некоторых случаях уменьшить время выравнивания, но это потребует дополнительного использования измерительных цепей для каждой ячейки.

Топология выравнивания, показанная на рис. 6, требует ( n – 1) конденсаторов и n переключателей для балансировки n ячеек. Данный метод прост в управлении, поскольку ключи SA имеют только 3 состояния: когда все переключатели приведены в верхнее положение; когда все переключатели не подключены ни к одной цепи; когда все переключатели переведены в нижнее положение АБ. Система выравнивания, изображенная на рис. 6, производит балансировку быстрее, чем представленная на рис. 5.

Все ключи в положении вверх /

All switches are in up position

Все ключи в разомкнутом состоянии /

All switches are in open position Все ключи в положении вниз / АП switches are in lower position

Р и с. 6. Схема балансировки подключающими конденсаторами

F i g. 6. Driving balancing capacitors connected

Еще одним способом выравнивания напряжения в ячейках АБ является использование индуктивностей [9; 12] (рис. 7). Рассматриваемая система балансировки при отличии напряжений соседних ячеек АБ производит перераспределение энергии между ними. При подаче ШИМ-сигнала на транзистор VT1 происходит накопление энергии в индуктивности L1 и разряд ячейки Б1, после чего энергия от L1 предается в Б2 за счет подачи ШИМ-сигнала на VT2. С помощью VT3, VT4 и L2 балансировка производится между Б2 и Б3.

Р и с. 7. Схема балансировки батареи индуктивностью

F i g. 7. Inductance battery balancing

Недостатком метода является то, что передача энергии из первой ячейки к последней занимает долгое время, а кроме этого, необходимо принимать дополнительные меры по ограничению тока через индуктивности, используя при этом дополнительные обвязывающие цепи и сложную систему управления (Там же).

Обсуждение и заключения

Применение любой системы балансировки АБ для сельскохозяйственного производства позволит существенно повысть срок службы АБ. Однако пассивная балансировка является менее выгодной из-за неэффективного использовании энергии при разряде АБ и потери большого количества энергии в виде тепла при ее заряде. Балансировка батареи индуктивностью, в свою очередь, сложна в реализации и требует существенных затрат на использование индуктивностей и других магнитных компонентов высокого номинала и сложной системы управления, что приводит к увеличению удельной стоймости АБ. Наиболее оптимальным, с точки зрения сохранения энергии и оптимальной стоимости, являются методы, основанные на перераспределение энергии между ячейками АБ посредством кондесаторов. Для улучшения коэффицента полезного действия в коденсаторных систем балансировки необходимо исключить ограничивающие резисторы и решить проблему возникания импульных токов.