Stora batteristackar bestående av seriekopplade högt energitäta litiumpolymer- eller litiumjärnfosfat-(LiFePO4)-celler med hög toppeffekt är vanliga i alla möjliga tillämpningar, allt från el-(EV eller BEV) och hybridfordon (HEV eller PHEV) till energilagringssystem (ESS). Men för att nå rimlig livslängd krävs balansering och hantering av cellerna. Samuel Nork från Boston Design Centre och Tony Armstrong från Power by Linear Group Analog Devices Inc. jämför metoder och pekar på behovet av aktiv balansering.

Framför allt elfordonsmarknaden förväntas skapa en otrolig efterfrågan på stora system av serie- och parallellkopplade battericeller. Under 2016 uppgick den globala PHEV-försäljningen till 775 000 enheter [Källa: EVvolumes.com], och under 2017 väntas 1 130 000 enheter säljas.

Trots den ökade efterfrågan på celler med hög kapacitet har batteripriserna förblivit ganska höga, och batteriet är nu den dyraste komponenten i el- och hybridfordon, med en normal prislapp på runt 10 000 dollar för ett batteri som klarar körsträckor på några få hundratals kilometer.

Den höga kostnaden kan eventuellt minskas genom användning av billiga eller renoverade celler, men sådana celler kommer också att uppvisa mer obalans vad gäller kapacitet, vilket i sin tur minskar den användbara batteritiden eller den sträcka som fordonet kan köra på en laddning. Även dyrare celler av högre kvalitet kommer att åldras och ger obalans efter upprepad användning.

Kapaciteten i en batteristack med obalanserade celler kan ökas på två sätt: antingen genom användning av större batterier, vilket inte är särskilt kostnadseffektivt, eller genom användning av aktiv balansering, en ny teknik för återhämtning av batterikapaciteten som snabbt håller på att vinna terräng.

Samtliga seriekopplade celler måste balanseras
Cellerna i en batteristack är balanserade när alla celler i stacken har samma laddningstillstånd (SoC, State of Charge). SoC avser den kapacitet som finns kvar hos en enskild cell i förhållande till dess maximala kapacitet när cellen laddas och urladdas. En 10 Ah cell med 5 Ah kvarvarande kapacitet har ett SoC på 50%. Samtliga battericeller måste hållas inom ett SoC-område för att undvika skada eller förkortad livslängd.

Tillåtna lägsta och högsta SoC-nivåer varierar från en tillämpning till en annan. I tillämpningar där batteritiden är av största vikt kan alla celler fungera mellan ett lägsta SoC på 20% och högst 100% (eller fulladdat tillstånd).

I tillämpningar som kräver maximal batterilivslängd inskränks SoC-området till mellan 30% och 70%. Detta är de normala SoC-gränserna för elfordon och elnätets lagringssystem, som utnyttjar mycket stora och dyra batterier som dessutom är extremt dyra att byta ut. Den främsta uppgiften för ett batterihanteringssystem (BMS) är att noga övervaka samtliga celler i stacken och se till att cellerna laddas och urladdas inom tillämpningens SoC-gränsvärden.

Seriekopplade celler ändras
Med serie-/parallellkopplade system av celler kan man i allmänhet anta att parallellkopplade celler kommer att balanseras automatiskt i förhållande till varandra. Det innebär att laddningstillståndet med tiden kommer att utjämnas automatiskt mellan parallellkopplade celler så länge som det finns en ledningsväg mellan cellterminalerna.

Man kan även anta att laddningstillståndet för seriekopplade celler kommer att variera mera över tiden på grund av flera faktorer. Gradvisa SoC-förändringar kan uppstå på grund av temperaturgradienter i batteripaketet eller skillnader i impedans, självurladdningshastighet eller last mellan celler. Trots att batteripaketets laddnings- och urladdningsström brukar vara mycket större än dessa variationer från cell till cell kommer den samlade obalansen att öka ohämmat om cellerna inte balanseras emellanåt.

Kompensering för gradvisa förändringar av SoC från cell till cell är det mest grundläggande skälet för balansering av seriekopplade batterier. Ett passivt eller urladdningsbaserat är normalt tillräckligt för att balansera laddningstillstånd i en batteristack med celler som inte är alltför obalanserade.

Passiv balansering
Såsom visas i figur 1a är det enkelt och billigt att balansera passivt. Men passiv balansering är också en mycket långsam process, som genererar oönskad värme inne i batteripaketet och balanserar genom att minska den återstående kapaciteten i samtliga celler för att matcha den cell i stacken som har lägst SoC.

Fig 1a. Passiv cellbalanseringsteknik (klicka för större bild)

Passiv balansering saknar också förmåga att effektivt ta itu med SoC-fel till följd av ett annat vanligt fenomen – obalanserad kapacitet. Samtliga celler förlorar kapacitet när de åldras och det brukar ske olika snabbt på grund av skäl liknande de som nämnts ovan. Eftersom stackens ström flyter likadant in i och ut ur samtliga seriekopplade celler, bestäms stackens användbara kapacitet av den cell i stacken som har lägst kapacitet. Endast aktiva balanseringsmetoder, såsom de som visas i figurer 1b och 1c, kan omfördela laddningen i hela stacken och kompensera för förlorad kapacitet till följd av obalans cellerna emellan.

Fig 1b. Aktiv cellbalanseringsteknik

Fig 1c. Aktiv cellbalanseringsteknik

Obalans mellan cellerna kan dramatiskt minska körtiden
Obalans celler emellan beträffande antingen kapacitet eller SoC kan väsentligt minska batteristackens användbara kapacitet om cellerna inte balanseras. För att maximera stackens kapacitet krävs att cellerna är balanserade både vid laddning och urladdning av stacken.

I figur 2 visas ett exempel där en stack med tio seriekopplade (nominella) 100 Ah celler, med ett kapacitetsfel på +/- 10% mellan lägsta och högsta cellkapacitet, laddas och urladdas tills förbestämda SoC-gränsvärden uppnås. Om SoC-nivåerna begränsas till mellan 30% och 70%, och ingen balansering utförs, minskar stackens användbara kapacitet med 25%, efter en fullständig laddnings-/urladdningscykel, jämfört med cellernas teoretiskt användbara kapacitet.

Fig 2. Kapacitetsförlust i en stack till följd av obalans mellan cellerna (klicka för större bild)

Passiv balansering kan teoretiskt utjämna samtliga cellers SoC under stackens laddningsfas, men kan inte förhindra cell 10 från att nå sin 30%-iga SoC-nivå före övriga celler under urladdningen. Trots passiv balansering under laddningen går väsentlig kapacitet förlorad (inte användbar) när stacken urladdas. Endast en aktiv balanseringslösning kan återhämta kapacitet genom en omfördelning av laddning från celler med högt SoC till celler med lågt SoC vid urladdning av stacken.

Figur 3 visar hur användningen av ideal aktiv balansering möjliggör 100% återhämtning av kapacitetsförluster till följd av obalans mellan celler. Vid ”steady state”-användning när stacken urladdas från sitt “fullt” laddade tillstånd med SoC på 70% måste den lagrade laddningen i praktiken tas från cell 1 (den med högst kapacitet) och överföras till cell 10 (den med lägst kapacitet) – annars når cell 10 sin lägsta SoC-gräns på 30% före resten av cellerna och stackens urladdning måste avslutas för att förhindra ytterligare försämring av stackens livslängd.

Fig 3. Kapacitetsåterhämtning efter aktiv balansering (klicka för större bild)

På liknande sätt måste laddning tas från cell 10 och omfördelas till cell 1 under laddningsfasen – annars når cell 10 sin övre SoC-gräns på 70% först och laddningscykeln måste stoppas. Eftersom cellerna åldras lite olika kommer detta oundvikligen att någon gång under batteristackens funktionstid leda till en kapacitetsobalans mellan cellerna.

Endast en aktiv balanseringslösning kan återhämta kapacitet genom att laddning vid behov omfördelas från celler med högt SoC till celler med lågt SoC. För att åstadkomma maximal kapacitet för batteristacken under hela dess livslängd krävs en aktiv balanseringslösning som effektivt laddar och urladdar enskilda celler för att bibehålla SoC-balans i stacken.

Effektiv dubbelriktad balansering ger bästa kapacitetsåterhämtning
LTC3300-2 (se figur 4) är en ny produkt som är speciellt utformad för behovet av högpresterande aktiv balansering. LTC3300-2 är en effektiv styrkrets för dubbelriktad aktiv balansering som är en viktig del av ett högpresterande BMS-system. Varje krets kan samtidigt balansera upp till sex seriekopplade Li-jon- eller LiFePO4-celler.

Fig 4. LTC3300-2 – en högt effektiv dubbelriktad aktiv balanseringskrets för flera celler (klicka för större bild)

SoC-balans uppnås genom att laddning omfördelas mellan en utvald cell och en sub-stack med upp till 12 eller fler intilliggande celler. Balanseringsbeslut och balanseringsalgoritmer måste hanteras av en separat övervakningskrets och systemprocessor som styr LTC3300-2.

Laddning omfördelas från en utvald cell till en grupp om 12 eller fler intilliggande celler för att urladda cellen. På liknande sätt överförs laddning till en utvald cell från en grupp om 12 eller fler intilliggande celler för att ladda cellen. All balansering kan utföras samtidigt, oavsett riktning, vilket minimerar den tid det tar att balansera stacken.

LTC3300-2 har en SPI-busskompatibel seriell port. Utrustningar kan parallellkopplas med hjälp av digitala isolatorer. Utrustningarna identifieras på unikt vis av en artikeladress som bestäms av anslutningsbenen A0 till A4.

Det seriella gränssnittet utgörs av fyra anslutningsben på LTC3300-2: CSBI, SCKI, SDI och SDO. SDO- och SDI-benen kan knytas ihop, om så önskas, till att bilda en enda dubbelriktad port. Fem adressben (A0 till A4) bestämmer artikeladressen. Samtliga ben för seriell kommunikation har spänningsläge med spänningsnivåer inställda enligt VREG och spänningsmatningen.

Varje balanserare i LTC3300-2 utnyttjar ett oisolerat ”boundary mode”-baserat synkront “flyback”-kraftsteg för att åstadkomma mycket effektiv laddning och urladdning av samtliga enskilda celler. Vardera av de sex balanserarna måste ha sin egen transformator. Primärsidan av varje transformator kopplas till cellen som ska balanseras och sekundärsidan kopplas till 12 eller fler intilliggande celler, plus den cell som ska balanseras.

Antalet celler på sekundärsidan begränsas bara av de externa komponenternas “breakdown”-spänning. Cellernas laddnings- och urladdningström programmeras av externa avkänningsmotstånd till värden på över 10 A med motsvarande skalning av externa switchar och transformatorer. Hög verkningsgrad uppnås genom synkron drift och korrekt val av komponenter. Enskilda balanserare aktiveras via BMS-systemets processor och förblir aktiva tills BMS beslutar att avsluta balanseringen eller då ett fel upptäcks.

Balanseringens verkningsgrad är viktig!
En av ett batteripakets värsta fiender är värme. Hög omgivningstemperatur försämrar snabbt batteriets livslängd och prestanda. Dessvärre måste balanseringsströmmen i ett batterisystem för hög ström också vara hög för att förlänga batteritiden eller för att åstadkomma snabb laddning av batteripaketet.

Dålig verkningsgrad vid balanseringen resulterar i oönskad värme inne i batterisystemet och måste åtgärdas genom antingen en minskning av det antal balanseringar som kan genomföras vid ett givet tillfälle eller användning av dyra kylmetoder. Såsom visas i figur 5 har LTC3300-2 en verkningsgrad på >90% för såväl laddning som urladdning, vilket gör att balansströmmen kan vara mer än dubbelt så hög som för en lösning med verkningsgrad på 80% med samma effektförlust hos balanserarna.

Fig 5. LTC3300-2s kraftstegsprestanda (klicka för större bild)

En högre verkningsgrad hos balanseringskretsarna resulterar dessutom i en mer effektiv omfördelning av laddning, vilket i sin tur ger mer effektiv kapacitetsåterhämtning och snabbare laddning.

Slutsats
Medan nya tillämpningar som exempelvis el- och hybridfordon växer snabbt, förväntar sig konsumenterna fortfarande att dessa ska fungera länge och tillförlitligt. Fordon förväntas, antingen de är batteri- eller bensindrivna, att fungera i mer än fem år utan påtagligt försämrad prestanda.

För el- eller hybridfordon är prestanda lika med den sträcka som kan köras med batterikraft. För att behålla sin konkurrenskraft måste el- och hybridfordonsleverantörer tillhandahålla inte bara hög batteriprestanda utan även flera års garanti med stipulerad minsta körsträcka. I takt med att antalet elfordon och deras ålder fortsätter att öka framträder det oregelbundna åldrandet hos cellerna i ett batteripaket som ett kroniskt problem och den främsta orsaken till förkortad körtid.

Körtiden för ett seriekopplat batteri begränsas alltid av den cell i stacken som har den lägsta kapaciteten. En enda svag cell räcker för att försämra hela batteriet. Att byta ut eller renovera ett batteri under garantitiden på grund av att dess körsträcka är otillräcklig kan bli mycket dyrbart för fordonsleverantörerna.

Det går att förhindra så dyra åtgärder genom att använda större och dyrare batterier för samtliga celler eller genom att utnyttja en högpresterande aktiv balanserare som exempelvis LTC3300-2 för att kompensera för kapacitetsobalans mellan celler till följd av att dessa åldras olika. Med LTC3300-2 har en kraftigt obalanserad stack av celler nästan samma körtid som en stack med perfekt balanserade celler med samma genomsnittliga cellkapacitet.

Samuel Nork, Chef, Boston Design Centre och Tony Armstrong, Produktmarknadsdirektör, Power by Linear Group Analog Devices Inc.

Filed under: Fordonselektronik, Stromforsorjning