Mạch cân bằng ắc quy pin tế bào

Với tính năng cân bằng ắc quy và pin tế bào thụ động và chủ động, mỗi tế bào trong ngăn xếp pin được giám sát để duy trì trạng thái sạc pin (SoC) khỏe mạnh. Điều này kéo dài tuổi thọ chu kỳ pin và cung cấp thêm một lớp bảo vệ bằng cách ngăn ngừa hư hỏng cho tế bào pin do xả sâu khi sạc quá mức. Cân bằng thụ động dẫn đến tất cả các tế bào pin có một SoC giống nhau bằng cách đơn giản tiêu hao điện tích dư thừa trong một điện trở chảy. Tuy nhiên, nó không kéo dài thời gian chạy hệ thống (xem mục “Cân bằng pin thụ động“). Cân bằng tế bào chủ động là một kỹ thuật cân bằng phức tạp hơn nhằm phân phối lại điện tích giữa các tế bào pin trong chu kỳ sạc và xả, do đó tăng thời gian chạy hệ thống bằng cách tăng tổng lượng sạc có thể sử dụng được trong ngăn xếp pin, giảm thời gian sạc so với cân bằng thụ động. Chúng tôi giới thiệu với bạn mạch cân bằng ắc quy pin tế bào hoạt động.

Nội dung chính bài viết

Mạch cân bằng ắc quy tế bào pin tích cực trong quá trình thải

Sơ đồ bên dưới thể hiện một ngăn xếp pin điển hình với tất cả các ô bắt đầu ở mức công suất đầy đủ. Trong ví dụ này, dung lượng đầy được hiển thị là 90% mức sạc bởi vì việc giữ pin ở hoặc gần điểm dung lượng 100% trong thời gian dài sẽ làm giảm tuổi thọ nhanh hơn. 30% đại diện cho việc xả đầy đủ để ngăn chặn sự phóng điện sâu của các tế bào.

Hình 1. Công suất đầy đủ.

Theo thời gian, một số tế bào sẽ trở nên yếu hơn những tế bào khác, dẫn đến tình trạng phóng điện được biểu thị bằng hình bên dưới.

Hình 2. Phóng điện không khớp.

Có thể thấy rằng mặc dù có thể còn khá nhiều dung lượng trong một vài viên pin, nhưng những viên pin yếu sẽ hạn chế thời gian chạy của hệ thống.

Pin không khớp 5% dẫn đến 5% dung lượng không được sử dụng. Với pin lớn, đây có thể là một lượng năng lượng dư thừa không được sử dụng.

Điều này trở nên quan trọng trong các hệ thống từ xa và hệ thống khó tiếp cận vì nó dẫn đến việc tăng số chu kỳ sạc và xả pin, làm giảm tuổi thọ của pin, dẫn đến chi phí cao hơn liên quan đến việc thay pin thường xuyên hơn.

Với tính năng cân bằng chủ động, điện tích được phân phối lại từ các ô mạnh hơn đến các ô yếu hơn, dẫn đến cấu hình ngăn xếp pin cạn kiệt hoàn toàn.

Hình 3. Sự cạn kiệt hoàn toàn với cân bằng tích cực.

Cân bằng tế bào chủ động trong khi sạc

Khi sạc ngăn xếp pin mà không cân bằng, các tế bào yếu đạt công suất đầy đủ trước các pin mạnh hơn. Một lần nữa, chính các tế bào yếu là yếu tố hạn chế; trong trường hợp này, họ giới hạn tổng số phí mà hệ thống của chúng tôi có thể giữ. Sơ đồ dưới đây minh họa việc sạc với hạn chế này.

Hình 4. Sạc không cân bằng.

Với việc phân phối lại điện tích cân bằng chủ động trong chu kỳ sạc, ngăn xếp có thể đạt đến công suất đầy đủ. Lưu ý rằng các yếu tố như phần trăm thời gian được phân bổ cho cân bằng và ảnh hưởng của dòng điện cân bằng đã chọn lên thời gian cân bằng không được thảo luận ở đây, nhưng là những cân nhắc quan trọng.

Cân bằng tế bào hoạt động

Analog Devices Inc. có một nhóm các mạch cân bằng di động đang hoạt động, với mỗi thiết bị nhắm mục tiêu các yêu cầu hệ thống khác nhau.

LT8584 là bộ chuyển đổi dòng điện phóng 2,5A, bộ chuyển đổi flyback nguyên khối được sử dụng cùng với dòng màn hình pin đa hóa học LTC680x; sạc có thể được phân phối lại từ một ô đến trên cùng của ngăn xếp pin hoặc đến một ô pin khác hoặc kết hợp các ô trong ngăn xếp. Một LT8584 được sử dụng cho mỗi ô pin.

Hình 5. Mô-đun ngăn xếp pin 12 cell với cân bằng tích cực.

LTC3300 là bộ điều khiển flyback hai chiều độc lập cho pin lithium và LiFePO4 cung cấp dòng điện cân bằng lên đến 10A; vì nó là hai chiều, điện tích từ bất kỳ ô đã chọn nào có thể được chuyển với hiệu suất cao đến hoặc từ 12 ô liền kề trở lên. Một LTC3300 có thể cân bằng tối đa sáu ô.

Hình 6. Cân bằng hai chiều hiệu quả cao.

LTC3305 là một bộ cân bằng pin axit chì độc lập cho tối đa bốn cell; nó sử dụng một tế bào pin dự trữ thứ năm (AUX) và liên tục đặt nó song song với từng loại pin khác (mỗi lần một cái) để cân bằng tất cả các tế bào pin (pin axit chì rất chắc chắn và có thể xử lý điều này).

Hình 7. Bốn bộ cân bằng pin với mặt trước điện áp pin cao và thấp được lập trình.

Bộ cân bằng pin

Thiết bị cân bằng pin ắc quy của thiết bị tương tự bao gồm các IC điều khiển được bảo vệ chống lỗi để cân bằng tích cực dựa trên máy biến áp, hai chiều của các ngăn xếp pin đa pin, cũng như các bộ chuyển đổi dc-to-dc nguyên khối được thiết kế để chủ động cân bằng các ngăn xếp điện áp cao của pin.

Các thiết bị của chúng tôi bao gồm các giao diện nối tiếp SPI độc đáo, có thể thay đổi mức độ, với tính năng cân bằng chủ động cho phép khôi phục điện dung trong các chồng pin không khớp — một kỳ tích không thể đạt được với các hệ thống cân bằng thụ động.

Tóm tắt

Cả mạch cân bằng ắc quy pin tế bào chủ động và thụ động đều là những cách hiệu quả để cải thiện sức khỏe hệ thống bằng cách theo dõi và khớp với SoC của mỗi tế bào.

Cân bằng tế bào pin ắc quy chủ động phân phối lại điện tích trong chu kỳ sạc và xả, không giống như cân bằng tế bào thụ động, chỉ đơn giản là tiêu tan điện tích trong chu kỳ sạc. Do đó, mạch cân bằng ắc quy pin tế bào hoạt động làm tăng thời gian chạy của hệ thống và có thể tăng hiệu quả sạc.

Cân bằng chủ động yêu cầu một giải pháp phức tạp hơn, dấu chân lớn hơn; cân bằng thụ động hiệu quả hơn về chi phí. Cho dù phương pháp nào hoạt động tốt nhất trong ứng dụng của bạn, Analog Devices Inc. cung cấp giải pháp cho cả hai, được tích hợp vào IC quản lý pin của chúng tôi (chẳng hạn như LTC6803 và LTC6804) và các thiết bị bổ sung hoạt động cùng với các IC này để cung cấp một hệ thống quản lý pin chính xác, mạnh mẽ .