Teknik keseimbangan sel dan cara menggunakannya

Sel litium nominal hanya memiliki rating sekitar 4.2V, tetapi dalam aplikasinya seperti EV, elektronik portabel, laptop, bank daya, dll., Kami memerlukan voltase yang jauh lebih tinggi daripada voltase nominalnya. Inilah alasan mengapa desainer menggabungkan lebih dari satu sel secara seri untuk membentuk kemasan baterai dengan nilai tegangan yang lebih tinggi. Seperti yang kita ketahui dari artikel baterai Kendaraan Listrik sebelumnya, ketika baterai digabungkan secara seri, nilai tegangan bertambah. Misalnya ketika empat sel lithium 4.2V dihubungkan secara seri, tegangan output efektif dari baterai yang dihasilkan adalah 16.8V.

Tetapi Anda dapat membayangkan menghubungkan banyak sel secara seri seperti menaiki banyak kuda ke sebuah kereta. Hanya jika semua kuda berlari dengan kecepatan yang sama, kereta akan dikendarai dengan efisiensi maksimum. Dari empat kuda jika satu kuda berjalan lambat, maka tiga kuda lainnya juga harus mengurangi kecepatannya sehingga mengurangi efisiensi dan jika satu kuda berlari lebih cepat pada akhirnya akan melukai dirinya sendiri dengan menarik beban dari tiga kuda lainnya. Demikian pula, ketika empat sel dihubungkan secara seri, nilai tegangan dari keempat sel harus sama untuk mendapatkan paket baterai dengan efisiensi maksimum. Metode menjaga agar semua voltase sel sama disebut sebagai penyeimbang sel. Pada artikel ini kita akan mempelajari lebih lanjut tentang penyeimbangan sel dan juga secara singkat tentang cara menggunakannya di tingkat perangkat keras dan perangkat lunak.

Mengapa kita membutuhkan Cell Balancing?

Penyeimbangan sel adalah teknik di mana tingkat tegangan setiap sel yang dihubungkan secara seri untuk membentuk kemasan baterai dipertahankan sama untuk mencapai efisiensi maksimum paket baterai. Ketika sel yang berbeda digabungkan bersama untuk membentuk baterai, selalu dipastikan bahwa mereka memiliki nilai kimia dan tegangan yang sama. Tetapi setelah paket dipasang dan dikenakan pengisian dan pengosongan, nilai tegangan masing-masing sel cenderung bervariasi karena beberapa alasan yang akan kita bahas nanti. Variasi level tegangan ini menyebabkan ketidakseimbangan sel yang akan menyebabkan salah satu masalah berikut

Pelarian Termal

Hal terburuk yang bisa terjadi adalah pelarian termal. Seperti yang kita ketahui, sel lithium sangat sensitif terhadap pengisian yang berlebihan dan pemakaian yang berlebihan. Dalam paket empat sel jika satu sel 3,5V sementara yang lain 3,2V muatan akan mengisi semua sel bersama-sama karena mereka dalam seri dan itu akan mengisi sel 3,5V ke tegangan yang lebih dari yang disarankan karena baterai lain masih membutuhkan pengisian.

Degradasi Sel

Ketika sel litium dibebankan secara berlebihan bahkan sedikit di atas nilai yang disarankan, efisiensi dan siklus hidup sel akan berkurang. Misalnya sedikit peningkatan tegangan pengisian daya dari 4.2V ke 4.25V akan menurunkan baterai lebih cepat hingga 30%. Jadi, jika penyeimbangan sel tidak akurat, sedikit pengisian daya yang berlebihan akan mengurangi masa pakai baterai.

Pengisian Paket tidak lengkap

Saat baterai dalam kemasan semakin tua, beberapa sel mungkin lebih lemah dari sel tetangganya. Sel minggu ini akan menjadi masalah besar karena mereka akan mengisi dan mengeluarkan lebih cepat daripada sel sehat normal. Saat mengisi baterai dengan sel seri, proses pengisian harus dihentikan bahkan jika satu sel mencapai voltase maksimum. Dengan cara ini, jika dua sel dalam kemasan baterai mendapatkan minggu mereka akan mengisi daya lebih cepat dan dengan demikian sel yang tersisa tidak akan terisi secara maksimal seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Penggunaan energi Pack yang tidak lengkap

Demikian pula dalam kasus yang sama ketika baterai sedang diisi dayanya, sel-sel yang lebih lemah akan mengosongkan lebih cepat daripada sel yang sehat dan mereka akan mencapai tegangan minimum lebih cepat daripada sel-sel lain. Seperti yang kita pelajari di artikel BMS kami, paket akan terputus dari beban bahkan jika satu sel mencapai tegangan minimum. Hal ini menyebabkan kapasitas energi paket yang tidak terpakai seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dengan mempertimbangkan semua kemungkinan kerugian di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa penyeimbangan sel akan wajib untuk menggunakan paket baterai hingga efisiensi maksimumnya. Masih ada beberapa aplikasi di mana biaya awal harus sangat rendah dan penggantian baterai tidak menjadi masalah dalam aplikasi tersebut, penyeimbangan sel dapat dihindari. Namun di sebagian besar aplikasi termasuk kendaraan listrik, penyeimbangan sel adalah hal yang wajib untuk mendapatkan daya maksimal dari paket baterai.

Apa yang menyebabkan ketidakseimbangan sel dalam kemasan baterai?

Sekarang kita tahu mengapa menjaga keseimbangan semua sel dalam paket baterai itu penting. Tetapi untuk mengatasi masalah ini dengan benar, kita harus tahu mengapa sel-sel menjadi tidak seimbang secara langsung. Seperti yang diceritakan sebelumnya ketika paket baterai dibentuk dengan menempatkan sel secara seri, dipastikan bahwa semua sel berada pada level tegangan yang sama. Jadi unit baterai baru akan selalu memiliki sel yang seimbang. Tetapi saat paket digunakan, sel menjadi tidak seimbang karena alasan berikut.

Ketidakseimbangan SOC

Mengukur SOC sel itu rumit; oleh karena itu sangat kompleks untuk mengukur SOC dari setiap sel dalam baterai. Teknik penyeimbangan sel yang ideal harus cocok dengan sel dari SOC yang sama, bukan level tegangan (OCV) yang sama. Tetapi karena secara praktis tidak mungkin sel dicocokkan hanya pada istilah tegangan saat membuat paket, variasi dalam SOC dapat menyebabkan perubahan OCV pada waktunya.

Variasi resistensi internal

Sangat sulit untuk menemukan sel dengan Resistansi Internal (IR) yang sama dan seiring dengan usia baterai, IR sel juga berubah dan karenanya dalam paket baterai tidak semua sel akan memiliki IR yang sama. Seperti yang kita ketahui IR berkontribusi pada impedansi internal sel yang menentukan arus yang mengalir melalui sel. Karena IR bervariasi, arus yang melalui sel dan voltase juga bervariasi.

Suhu

Kapasitas pengisian dan pemakaian sel juga tergantung pada suhu di sekitarnya. Dalam paket baterai yang sangat besar seperti di EV atau susunan surya, sel-sel didistribusikan ke area limbah dan mungkin ada perbedaan suhu di antara paket itu sendiri yang menyebabkan satu sel mengisi atau mengosongkan lebih cepat daripada sel yang tersisa yang menyebabkan ketidakseimbangan.

Dari alasan-alasan di atas jelaslah bahwa kita tidak dapat mencegah ketidakseimbangan sel selama operasi berlangsung. Jadi, satu-satunya solusi adalah menggunakan sistem eksternal yang memaksa sel untuk kembali seimbang setelah menjadi tidak seimbang. Sistem ini disebut Battery Balancing System. Ada banyak jenis teknik perangkat keras dan perangkat lunak yang digunakan untuk penyeimbangan sel baterai. Mari kita bahas jenis dan teknik yang banyak digunakan.

Jenis Penyeimbangan Sel Baterai

Teknik keseimbangan sel dapat diklasifikasikan secara luas ke dalam empat kategori berikut yang tercantum di bawah ini. Kami akan membahas tentang masing-masing kategori.

Penyeimbangan Sel Pasif
Penyeimbangan Sel Aktif
Penyeimbangan Sel Lossless
Shuttle Redoks

1. Penyeimbangan Sel Pasif

Metode keseimbangan sel pasif adalah metode yang paling sederhana dari semuanya. Ini dapat digunakan di tempat-tempat di mana biaya dan ukuran menjadi kendala utama. Berikut ini adalah dua jenis penyeimbangan sel pasif.

Mengisi Daya Shunting

Dalam metode ini beban dummy seperti resistor digunakan untuk melepaskan tegangan berlebih dan menyamakannya dengan sel lain. Resistor ini disebut sebagai resistor bypass atau resistor perdarahan. Setiap sel yang terhubung secara seri dalam satu paket akan memiliki resistor bypass sendiri yang terhubung melalui sakelar seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Rangkaian sampel di atas menunjukkan empat sel yang masing-masing terhubung ke dua resistor bypass melalui sakelar seperti MOSFET. Pengontrol mengukur tegangan dari keempat sel dan menyalakan mosfet untuk sel yang tegangannya lebih tinggi dari sel lain. Ketika mosfet dihidupkan, sel tertentu mulai keluar melalui resistor. Karena kita mengetahui nilai resistor, kita dapat memprediksi berapa banyak muatan yang dihamburkan oleh sel. Kapasitor yang terhubung secara paralel dengan sel digunakan untuk menyaring lonjakan tegangan selama switching.

Metode ini tidak terlalu efisien karena energi listrik dihamburkan sebagai panas dalam resistor dan rangkaian juga menyebabkan kerugian switching. Kelemahan lainnya adalah bahwa seluruh arus pelepasan mengalir melalui MOSFET yang sebagian besar dibangun ke IC pengontrol dan karenanya arus pelepasan harus dibatasi ke nilai rendah yang meningkatkan waktu pemakaian. Salah satu cara untuk mengatasi kekurangan tersebut adalah dengan menggunakan sakelar eksternal untuk meningkatkan arus pelepasan seperti gambar di bawah ini

MOSFET saluran-P internal akan dipicu oleh pengontrol yang menyebabkan sel untuk melepaskan (bias-I) melalui resistor R1 dan R2. Nilai R2 dipilih sedemikian rupa sehingga penurunan tegangan yang terjadi di atasnya karena aliran arus pelepasan (I-bias) cukup untuk memicu MOSFET saluran-N kedua. Tegangan ini disebut tegangan sumber gerbang (Vgs) dan arus yang diperlukan untuk membiaskan MOSFET disebut sebagai arus biasing (bias-I).

Setelah MOSFET saluran-N dihidupkan, arus mengalir melalui resistor penyeimbang R-Bal . Nilai resistor ini bisa rendah sehingga memungkinkan lebih banyak arus melewatinya dan dengan demikian mengosongkan baterai lebih cepat. Arus ini disebut arus drain (I-drain). Pada rangkaian ini arus luahan total merupakan penjumlahan arus drain dan arus prategangan. Ketika MOSFET saluran-P dimatikan oleh pengontrol, arus biasing adalah nol dan dengan demikian tegangan Vgs juga menjadi nol. Ini mematikan MOSFET saluran-N sehingga baterai menjadi ideal kembali.

IC penyeimbang sel pasif

Meskipun teknik keseimbangan pasif tidak efisien, teknik ini lebih umum digunakan karena kesederhanaan dan biaya rendah. Alih-alih merancang perangkat keras, Anda juga dapat menggunakan beberapa IC yang tersedia seperti LTC6804 dan BQ77PL900 dari produsen terkenal masing-masing seperti instrumen Linear dan Texas. IC ini dapat dialirkan untuk memantau banyak sel dan menghemat waktu dan biaya pengembangan.

Pembatasan Biaya

Metode Pembatasan Biaya adalah metode yang paling tidak efisien dari semuanya. Di sini hanya keamanan dan masa pakai baterai yang dipertimbangkan sambil mengurangi efisiensinya. Dalam metode ini tegangan sel individu dimonitor terus menerus.

Selama proses pengisian bahkan jika satu sel mencapai voltase pengisian penuh, pengisian dihentikan meninggalkan sel lain setengah jalan. Demikian pula selama pemakaian bahkan jika satu sel mencapai tegangan cut-off minimum, baterai diputus dari beban sampai paket diisi kembali.

Meskipun metode ini tidak efisien, namun mengurangi biaya dan persyaratan ukuran. Oleh karena itu digunakan dalam aplikasi di mana baterai dapat sering diisi.

2. Penyeimbangan Sel Aktif

Dalam keseimbangan sel pasif, kelebihan muatan tidak digunakan, oleh karena itu dianggap tidak efisien. Sedangkan dalam penyeimbangan aktif, muatan berlebih dari satu sel dipindahkan ke sel lain yang bermuatan rendah untuk menyamakannya. Ini dicapai dengan memanfaatkan elemen penyimpanan muatan seperti Kapasitor dan Induktor. Ada banyak metode untuk melakukan penyeimbangan sel aktif, mari kita bahas yang umum digunakan.

Mengisi Angkutan (Kapasitor Terbang)

Metode ini memanfaatkan kapasitor untuk mentransfer muatan dari sel tegangan tinggi ke sel tegangan rendah. Kapasitor dihubungkan melalui sakelar SPDT pada awalnya sakelar menghubungkan kapasitor ke sel tegangan tinggi dan setelah kapasitor diisi, sakelar menghubungkannya ke sel tegangan rendah tempat muatan dari kapasitor mengalir ke sel. Karena muatan bolak-balik antar sel, metode ini disebut angkutan muatan. Gambar di bawah ini akan membantu Anda lebih memahami.

Kapasitor ini disebut kapasitor terbang karena lalat antara tegangan rendah dan sel tegangan tinggi membawa pengisi daya. Kekurangan dari metode ini adalah muatan hanya dapat ditransfer antara sel yang berdekatan. Juga membutuhkan lebih banyak waktu karena kapasitor harus diisi dan kemudian dilepaskan untuk mentransfer muatan. Ini juga sangat kurang efisien karena akan ada kehilangan energi selama pengisian dan pengosongan kapasitor dan kerugian switching juga harus diperhitungkan. Gambar di bawah ini menunjukkan bagaimana kapasitor terbang akan dihubungkan dalam baterai

Konverter induktif (metode Buck Boost)

Metode lain dari penyeimbangan sel aktif adalah dengan menggunakan induktor dan sirkuit switching. Dalam metode ini rangkaian switching terdiri dari konverter buck boost . Muatan dari sel tegangan tinggi dipompa ke induktor dan kemudian dibuang ke sel tegangan rendah dengan menggunakan konverter buck boost. Gambar di bawah ini merupakan konverter Induktif dengan hanya dua sel dan konverter buck boost tunggal.

Dalam rangkaian di atas, muatan dapat ditransfer dari sel 1 ke sel 2 dengan mengganti MOSFET sw1 dan sw2 dengan cara berikut. Pertama sakelar SW1 ditutup ini akan membuat muatan dari sel 1 mengalir ke induktor dengan muatan-I arus. Setelah induktor terisi penuh, sakelar SW1 dibuka dan sakelar sw2 ditutup.

Sekarang, induktor yang terisi penuh akan membalik polaritasnya dan mulai melepaskannya. Kali ini muatan dari induktor mengalir ke sel2 dengan pelepasan arus I. Setelah induktor habis sepenuhnya, sakelar sw2 dibuka dan sakelar sw1 ditutup untuk mengulangi proses. Bentuk gelombang di bawah ini akan membantu Anda mendapatkan gambaran yang jelas.

Selama waktu t0 sakelar sw1 ditutup (dihidupkan) yang menyebabkan arus yang saya isi meningkat dan tegangan induktor (VL) meningkat. Kemudian setelah induktor terisi penuh pada saat t1 sakelar sw1 dibuka (dimatikan) yang membuat induktor melepaskan muatan yang terakumulasi pada langkah sebelumnya. Ketika induktor melepaskannya, itu mengubah polaritasnya maka tegangan VL ditampilkan dalam negatif. Saat pemakaian arus luahan (I discharge) berkurang dari nilai maksimumnya. Semua arus ini memasuki sel 2 untuk mengisinya. Interval kecil dibiarkan dari waktu t2 ke t3 dan kemudian pada t3 seluruh siklus berulang lagi.

Metode ini juga memiliki kelemahan utama yaitu muatan hanya dapat ditransfer dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah. Juga kerugian dalam switching dan penurunan tegangan dioda harus dipertimbangkan. Tetapi lebih cepat dan efisien daripada metode kapasitor.

Konverter induktif (Berbasis terbang kembali)

Seperti yang telah kita bahas, metode konverter buck boost hanya dapat mentransfer muatan dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah. Masalah ini dapat dicegah dengan menggunakan konverter Fly back dan trafo. Dalam konverter tipe flyback, sisi primer dari belitan terhubung ke paket baterai dan sisi sekunder terhubung ke masing-masing sel paket baterai seperti yang ditunjukkan di bawah ini

Seperti kita ketahui baterai beroperasi dengan DC dan trafo tidak akan berpengaruh sampai tegangan dinyalakan. Jadi untuk memulai proses pengisian saklar pada kumparan primer sisi Sp diaktifkan. Ini mengubah DC menjadi DC berdenyut dan sisi primer transformator diaktifkan.

Sekarang di sisi sekunder setiap sel memiliki sakelar dan kumparan sekundernya sendiri. Dengan mengganti mosfet dari sel tegangan rendah kita dapat membuat kumparan tersebut berfungsi sebagai sekunder untuk transformator. Dengan cara ini muatan dari kumparan primer dipindahkan ke kumparan sekunder. Hal ini menyebabkan keseluruhan voltase paket baterai dibuang ke sel yang lemah.

Keuntungan terbesar dari metode ini adalah bahwa setiap sel yang lemah dalam kemasan dapat dengan mudah diisi dari tegangan paket dan bukan sel tertentu yang dibuang. Tetapi karena melibatkan trafo, ia menempati ruang yang besar dan kompleksitas rangkaian tinggi.

3. Penyeimbangan lossless

Penyeimbangan lossless adalah metode yang dikembangkan baru-baru ini yang mengurangi kerugian dengan mengurangi komponen perangkat keras dan menyediakan lebih banyak kontrol perangkat lunak. Ini juga membuat sistem lebih sederhana dan lebih mudah untuk dirancang. Metode ini menggunakan sirkuit switching matriks yang memberikan kemampuan untuk menambah atau menghilangkan sel dari paket selama pengisian dan pemakaian. Sirkuit switching matriks sederhana untuk delapan sel ditunjukkan di bawah ini.

Selama proses pengisian, sel yang bertegangan tinggi akan dikeluarkan dari paket menggunakan pengaturan sakelar. Pada gambar di atas, sel 5 dihapus dari paket dengan menggunakan sakelar. Pertimbangkan lingkaran garis merah menjadi sakelar terbuka dan lingkaran garis biru menjadi sakelar tertutup. Jadi waktu istirahat dari sel yang lebih lemah bertambah selama proses pengisian untuk menyeimbangkannya selama pengisian. Tetapi tegangan pengisian harus disesuaikan. Teknik yang sama juga dapat diikuti selama pemakaian.

4. Antar-Jemput Redoks

Metode terakhir bukan untuk perancang perangkat keras tetapi untuk insinyur kimia. Dalam baterai asam timbal kami tidak memiliki masalah keseimbangan sel karena ketika baterai asam timbal terlalu banyak diisi hal itu menyebabkan gas yang mencegahnya dari pengisian berlebih. Ide di balik pesawat ulang-alik Redoks adalah mencoba mencapai efek yang sama pada sel litium dengan mengubah kimia elektrolit sel litium. Elektrolit yang dimodifikasi ini akan mencegah sel dari pengisian berlebih.

Algoritma Cell Balancing

Teknik penyeimbangan sel yang efektif harus menggabungkan perangkat keras ke algoritme yang tepat. Ada banyak algoritma untuk penyeimbangan sel dan itu tergantung pada desain perangkat keras. Tetapi jenisnya dapat diringkas menjadi dua bagian yang berbeda.

Mengukur tegangan sirkuit terbuka (OCV)

Ini adalah metode yang mudah dan paling umum diikuti. Di sini tegangan sel terbuka diukur untuk setiap sel dan rangkaian penyeimbang sel berfungsi untuk menyamakan nilai tegangan semua sel yang terhubung secara seri. Mudah untuk mengukur OCV (tegangan rangkaian terbuka) dan karenanya kompleksitas algoritma ini kurang.

Mengukur Sate of charge (SOC)

Dalam metode ini SOC sel seimbang. Seperti yang telah kita ketahui, mengukur SOC sel adalah tugas yang kompleks karena kita harus memperhitungkan nilai tegangan dan arus sel selama periode waktu tertentu untuk menghitung nilai SOC. Algoritme ini kompleks dan digunakan di tempat-tempat di mana efisiensi dan keamanan tinggi diperlukan seperti di industri dirgantara dan luar angkasa.

Ini menyimpulkan artikel di sini. Semoga sekarang Anda mendapat gambaran singkat tentang apa penyeimbangan sel adalah bagaimana penerapannya di tingkat perangkat keras dan perangkat lunak. Jika Anda memiliki ide atau teknik, bagikan di bagian komentar atau gunakan forum untuk mendapatkan bantuan teknis.