Аналіз ефективності схем активного балансування акумуляторних батарей

Abstract

В роботі виконано огляд існуючих схемних рішень пристроїв для балансування акумуляторних батарей. Описано принцип балансування на основі ємнісного та індуктивного буферного елемента. Показано особливості їх роботи і основні розрахунки кожного з типів пристроїв. Для схем з трансформаторною топологією вказано розрахункові значення для визначення балансуючого струму. На підставі аналізу схемних рішень, чисельно визначено і доведено ефективність використання схемних рішень на основі індуктивних буферних елементів. Потужні акумуляторні батареї для систем електричного живлення використовуються у вигляді стеків, що складаються з послідовно-паралельного з’єднання одиничних накопичувачів. Під час їх експлуатації виникає проблема нерівномірного розряду або заряду, для компенсації якої необхідно виконувати балансування рівнів напруги в акумуляторах стеку. Безпека використання електрохімічних накопичувачів вимагає застосування спеціалізованих балансуючих пристроїв. Найбільш ефективними, з енергетичної точки зору, є системи активного балансування. Аналіз математичної моделі роботи двох типів буферних елементів (ємнісного та індуктивного) дозволив дати якісну оцінку їх ефективності. Перші, в порівнянні з індуктивними - не тільки мають гірші енергетичні характеристики, але і не дозволяють виконувати «масштабування» пристрою без істотного ускладнення системи управління. Амплітудне значення струму у схемах з ємнісним буферним елементом обмежене лише внутрішніми паразитними опорами елементів схеми, тому, при відносно великому значенні розбалансування, в елементах схеми (в тому числі акумуляторних батареях) виділяється значна величина енергії втрат у вигляді теплової енергії, що негативно позначається на параметрах акумуляторної батареї. Амплітудне значення струму в схемі на основі індуктивних буферних елементів обмежене величиною індуктивності. Воно може бути розраховане на етапі проектування пристрою. Крім того, забезпечення системою керування переривчастого режиму роботи перетворювача дозволяє зменшити комутаційні втрати в силових ключах схеми і дозволяє підвищити ефективність роботи в цілому. При великій кількості накопичувачів (більше трьох) слід віддати перевагу трансформаторним системам балансування, як окремого випадку індуктивної топології.The paper reviews the existing circuit solutions of devices for balancing electric batteries. The balancing principle on the basis of capacitive and inductive buffer elements has been described. It was shown the features of their work and the basic calculations for each device type. For circuits with transformer topology, the calculated values for determining the balancing current are indicated. Based on the circuit solutions analysis, the efficiency of using solutions based on inductive buffer elements is numerically determined and proved. Powerful batteries for power supply systems are used in the form of stacks, consisting of a series-parallel connection of single cells. During their operation, there is a problem of uneven discharge or charge, to compensate which it is necessary to make voltage levels balancing in the stack batteries. For safely using electrochemical batteries the using of specialized balancing devices is required. The most efficient, from an energy point of view, are active balancing systems. The analysis of the mathematical model of two types (capacitive and inductive) buffer elements operation allowed to give a qualitative assessment of their efficiency. The first, in comparison with inductive - not only have worseenergy characteristics, butalso do not allow to perform "scaling" of the device without significant complication of the control system. The current amplitude value in circuits with a capacitive buffer element is limited only by the internal parasitic resistances of the circuit elements, therefore, with a relatively large value of imbalance, in circuit elements (including batteries) takes place a significant energy loss in the form of heat which negatively effects on rechargeable battery parameters. The current amplitude value in the circuit based on inductive buffer elements is limited by the inductance value. It can be calculated at the device design stage. In addition, providing the control system with intermittent converter operation allows to reduce switching losses in the circuit power switches and increases the overall operation efficiency. With a large number of batteries(more than three) should be preferred transformer balancing systems, as a special case of inductive topology.