संतुलन राज्य विश्लेषण और संतुलन एल्गोरिदम

एक आदर्श बैटरी पैक में, सभी व्यक्तिगत कोशिकाओं की क्षमता समान होती है और वे हमेशा एक ही SoC पर होते हैं, जो बैटरी पैक का SoC भी होता है; जब बैटरी पैक का SOC 10{5}}% होता है, तो सभी सेल का SOC भी 100% होता है, जो आगे की चार्जिंग को सीमित करता है। जब बैटरी पैक का SOC 50% होता है, तो सभी व्यक्तिगत सेल होते हैं। 50% एसओसी भी जब बैटरी पैक 0% एसओसी पर होता है, तो सभी सेल भी 0% एसओसी पर होते हैं, और वे सभी आगे के डिस्चार्ज को सीमित करते हैं। भले ही सभी सेल की क्षमता समान हो, अगर चीजें अलग-अलग एसओसी पर हैं, तो बैटरी पैक असंतुलित है;

एक बैटरी पैक जिसमें श्रृंखला में जुड़े छह बैटरी सेल होते हैं। प्रत्येक आयत एक बैटरी सेल का प्रतिनिधित्व करता है, इसकी ऊंचाई इसकी क्षमता का प्रतिनिधित्व करती है, और इसकी ऊर्ध्वाधर स्थिति इसके एसओसी का प्रतिनिधित्व करती है। (ए) समान क्षमता, संतुलित, (बी) समान क्षमता, असंतुलित, (सी) विभिन्न क्षमताएं, शीर्ष संतुलित, और (डी) विभिन्न क्षमताएं, मध्य संतुलित। जब सेल 2 1{7}}0% SoC पर होता है, तो यह किसी भी अतिरिक्त चार्जिंग को प्रतिबंधित करता है। इसलिए, बैटरी पैक 100% SoC पर है; अन्य बैटरियों के लिए अभी भी अधिक जगह है, लेकिन उन्हें आगे चार्ज नहीं किया जा सकता क्योंकि ऐसा करने से दूसरी बैटरी ओवरचार्ज हो जाएगी जब बैटरी पैक 50% SoC पर होता है, तो प्रत्येक सेल की SoC रेंज लगभग 30% से 70% होती है। जब बैटरी # 4 0% SoC पर होती है, तो यह किसी भी अन्य डिस्चार्ज को सीमित कर देती है। इसलिए, बैटरी पैक का SoC 0% है; अन्य बैटरियों में अभी भी कुछ और चार्ज बचा हुआ है, लेकिन उन्हें डिस्चार्ज नहीं किया जा सकता क्योंकि ऐसा करने से बैटरी # 4 खत्म हो जाएगी। ध्यान दें कि दो अलग-अलग सेल ग्रिड बैटरी पैक की क्षमता को सीमित करते हैं, शीर्ष पर # 2 और # 4 के साथ तल पर।

किसी निश्चित समय पर, बैटरी पैक की असंतुलन की स्थिति (SoI) बैटरी पैक में सबसे अधिक चार्ज सेल SoC और सबसे कम चार्ज सेल SoC के बीच का अंतर है। उदाहरण के लिए, यदि सबसे अधिक चार्ज की गई बैटरी का SoC 75% है और सबसे कम चार्ज की गई बैटरी का SoC 70% है, तो स्ट्रिंग का SoI 5% है। अलग-अलग सेल के लिए समान SoC वाले बैटरी पैक के लिए, SoI 0% है।

बैटरी पैक की संतुलन स्थिति (SoB) 100% माइनस SoI है। यदि बैटरी पैक का SoI 5% है, तो इसका SoB 95% है। उपरोक्त चर्चा में, प्रत्येक व्यक्तिगत सेल की SoC रेंज का प्रतिनिधित्व करने के लिए बक्सों का उपयोग किया गया था। यदि यह प्रतिनिधित्व बहुत अच्छा नहीं है, तो बैटरी पैक एसओसी के साथ बैटरी वोल्टेज और एसओसी स्तर का निम्नलिखित ग्राफ इस अवधारणा को अधिक स्पष्ट रूप से व्यक्त कर सकता है।

समान क्षमता और संतुलन की आदर्श स्थितियों के तहत, श्रृंखला से जुड़े बैटरी पैक में सभी कोशिकाओं की क्षमता समान होती है, और किसी भी समय, SoC समान होता है (चित्र {{0}})। जब बैटरी पैक को चार्ज या डिस्चार्ज किया जाता है, तो सभी सेल वोल्टेज एक समान रहते हैं। प्रत्येक सेल का SoC बैटरी पैक के समान होता है (उदाहरण के लिए, जब बैटरी पैक का SoC 50% होता है, तो प्रत्येक सेल का SoC भी 50%) होता है। आप महसूस कर सकते हैं कि उपरोक्त वक्र केवल SoC की OCV और NMC लिथियम-आयन बैटरियों के लिए है। तीनों बैटरी सेल इस वक्र का अनुसरण करते हैं। निचला वक्र बैटरी सेल के SoC और बैटरी पैक के SoC को दर्शाता है, इस मामले में, यह 1:{7}}a के अनुपात पर 0% से 100% तक एक सीधी रेखा है। 50% एसओसी पर श्रृंखला में जुड़े तीन बैटरी कोशिकाओं का योजनाबद्ध आरेख दो आंकड़ों के बीच में ऊर्ध्वाधर रेखा से मेल खाता है। जब बैटरी पैक भर जाता है, तो सभी सेल 100% SoC पर होते हैं; एकल बैटरी सेल के लिए कोई चार्जिंग सीमा नहीं है - वे सभी एक ही समय में चार्ज होते हैं। इसी प्रकार, जब बैटरी पैक खाली होता है, तो सभी कोशिकाओं का SoC 0% होता है; कोई भी बैटरी डिस्चार्ज को सीमित नहीं कर सकती - वे सभी एक ही समय में डिस्चार्ज को सीमित करती हैं। बैटरी पैक की क्षमता प्रत्येक बैटरी सेल की क्षमता के समान है (इस उदाहरण में 10 घंटे)। कहने का तात्पर्य यह है कि प्रत्येक सेल की पूरी क्षमता उपलब्ध है। इसलिए, बैटरी पैक की संतुलन स्थिति 100% है (बैटरी पैक के पूर्ण संतुलन का संकेत), और असंतुलन की स्थिति 0% है (कोई असंतुलन नहीं होने का संकेत)।

यदि क्षमता समान है, लेकिन शुरुआत में SoC अलग है (जैसा कि चित्र {{0}} में दिखाया गया है), तो एक बैटरी चार्जिंग को सीमित करती है (इस उदाहरण में बैटरी 1) और दूसरी बैटरी डिस्चार्जिंग को सीमित करती है ( इस उदाहरण में बैटरी 3)। इसलिए बैटरी पैक की क्षमता कम हो गई है. उपरोक्त वक्र तीन प्रकार की लिथियम-आयन बैटरियों के लिए वोल्टेज और चार्ज के बीच संबंध को दर्शाता है। ध्यान दें कि वक्र का आकार समान है। वे केवल बाईं ओर जाते हैं (इकाई # 1 में अधिक SoC है) या दाईं ओर (इकाई # 3 में कम SoC है)। निचला वक्र तीन कोशिकाओं का "SoC और बैटरी पैक SoC" है (इस मामले में 1:1 नहीं)। कृपया ध्यान दें कि ढलान समान है क्योंकि तीन कोशिकाओं की क्षमता समान है। वे बस बाएं या दाएं चलते हैं जब स्ट्रिंग 0% एसओसी (प्लॉट के बाएं छोर) पर होती है, तो सेल # 3 खाली होता है और डिस्चार्ज अक्षम होता है। अन्य दो बैटरियों में अभी भी उच्च वोल्टेज (बैटरी 2 के लिए 3.38V और बैटरी 1 के लिए 3.6V) और चार्ज (बैटरी 2 के लिए 20% SoC और बैटरी 1 के लिए 40% SoC) है। हालाँकि, यह चार्जिंग उपलब्ध नहीं है क्योंकि यह सेल # 3 को डिस्चार्ज नहीं कर सकता है। जब बैटरी पैक का SoC 50% (ग्राफ के बीच में लंबवत रेखा) होता है, तो सेल 1 का SoC 70% होता है, सेल 2 का SoC 50% है, और सेल 3 का SoC 30% है।

जब बैटरी पैक 100% SoC (चित्र के दाहिने छोर पर) पर होता है, तो सेल # 1 भर जाता है और चार्जिंग अक्षम हो जाती है; अन्य दो बैटरियों का वोल्टेज कम है (बैटरी 2 के लिए 3.87V और बैटरी 3 के लिए 3.75V), और वे अभी भी अधिक चार्जिंग स्वीकार कर सकते हैं (बैटरी 2 के लिए 80% SoC और बैटरी 3 के लिए 60% SoC)। हालाँकि, यह स्थान उपलब्ध नहीं है क्योंकि इसे तब तक चार्ज नहीं किया जा सकता जब तक कि नंबर 1 बैटरी ओवरचार्ज न हो जाए। प्रत्येक बैटरी एक सीमित SoC सीमा के भीतर संचालित होती है: • बैटरी # 1 की SoC चार्जिंग सीमा, 40% से 100% तक होती है; यूनिट 2 की एसओसी रेंज 20% से 80% तक है; बैटरी 3 के लिए SoC, सीमित डिस्चार्ज, 0% से 60% तक। सभी बैटरियों की एसओसी रेंज के भीतर डेल्टा पूरी रेंज में 60% है। कहने का तात्पर्य यह है कि, यूनिट क्षमता का केवल 60% स्ट्रिंग्स के लिए उपलब्ध है, और 40% असंतुलन के कारण अनुपलब्ध है - बैटरी पैक की संतुलन स्थिति 60% है, और इसकी असंतुलन स्थिति 40% है। प्रत्येक बैटरी सेल की क्षमता 10 घंटे है, लेकिन बैटरी पैक की क्षमता केवल 6 घंटे (10 घंटे का 60%) है।

जब बैटरी पैक में कोशिकाओं की क्षमता अलग-अलग होती है (जो वास्तव में मामला है), तो बैटरी पैक को केवल एक सेल के SoC स्तर पर संतुलित किया जा सकता है। अन्य स्थानों पर, बैटरियों में SoC के विभिन्न स्तर होते हैं। जब बैटरी पैक को इस बिंदु से चार्ज या डिस्चार्ज किया जाता है, तो बैटरी का SoC अलग हो जाता है। फिर, जब बैटरी पैक अपने मूल SoC स्तर पर वापस आता है, तो सभी कोशिकाओं के SoC फिर से इकट्ठे हो जाते हैं। चित्र 3-13 में, ऊपरी वक्र तीन बैटरी कोशिकाओं के वोल्टेज और चार्ज के बीच संबंध को दर्शाता है। कृपया ध्यान दें कि इन वक्रों का सामान्य आकार समान है। केवल उनकी चौड़ाई बदलेगी. यदि क्षमता अधिक है (सेल 1), तो वक्र व्यापक होगा; यदि क्षमता कम है, तो वक्र संकीर्ण है (सेल #3)। निचला वक्र तीन बैटरी कोशिकाओं के SoC और बैटरी पैक के SoC को दर्शाता है। कृपया ध्यान दें कि ढलान अलग-अलग हैं क्योंकि इन तीन कोशिकाओं की क्षमताएं अलग-अलग हैं: बैटरी पैक के अंदर या बाहर प्रवाहित होने वाली धारा को देखते हुए, कम क्षमता वाली बैटरी का एसओसी उच्च क्षमता वाली बैटरी की तुलना में तेजी से बदलता है।

इस उदाहरण में:

जब बैटरी पैक 0% SoC (ग्राफ़ के बाएँ छोर) पर होता है, तो सेल # 3 खाली होता है और उसे डिस्चार्ज नहीं किया जा सकता है; अन्य दो कोशिकाओं में अभी भी चार्ज है (सेल 1 40% SoC पर है, सेल # 2 20% SoC पर है), सेल 1 3.5V पर है, सेल 2 3.38V पर है, और सेल # 1 और के बीच SoC में अंतर है #3 40% है, जिसका अर्थ है कि बैटरी पैक की असंतुलित स्थिति 40% है।

जब बैटरी पैक 50% SoC (ग्राफ़ के बीच में लंबवत रेखा) पर होता है, तो तीन बैटरियों का SoC 50% होता है, इसलिए वोल्टेज 3.65V पर समान होता है।

SoB 100% है, SoI 0% है।

जब बैटरी पैक 100% SoC (आरेख के दाहिने छोर) पर होता है, तो सेल # 3 भरा होता है और चार्ज नहीं किया जा सकता है; अन्य दो सेल अभी भी अधिक चार्ज स्वीकार कर सकते हैं (सेल 1 60% SoC पर और सेल 2 80% SoC पर), सेल 1 3.82V पर और सेल 2 3.9V पर। बैटरी # 1 और # 3 के बीच SoC में अंतर 40% है, जिसका अर्थ है कि बैटरी पैक की असंतुलन स्थिति 40% है।

बैटरी पैक को संतुलित करने के लिए, बीएमएस यह निर्धारित करने के लिए बैटरी वोल्टेज की जाँच करता है कि कौन सी बैटरियाँ असंतुलित हैं। हालाँकि, इस तथ्य के कारण कि OCV और SoC के वक्र एक सीधी रेखा नहीं हैं, दोनों बैटरियों के बीच वोल्टेज अंतर उनके चार्ज अंतर के सीधे आनुपातिक नहीं है। किसी दिए गए असंतुलन के लिए, श्रृंखला में जुड़ी दो बैटरियों के बीच वोल्टेज अंतर कई कारकों पर निर्भर करता है: असंतुलन की डिग्री: असंतुलन की डिग्री जितनी अधिक होगी, वोल्टेज अंतर उतना ही अधिक होगा; बैटरी पैक का SoC: OCV और SoC वक्रों के आकार के कारण, वोल्टेज अंतर निम्न और उच्च SoC स्तरों पर अधिक स्पष्ट होता है; बैटरी रसायन शास्त्र: एलएफपी बैटरियों के लिए, एसओसी में, एसओआई की परवाह किए बिना, बैटरी वोल्टेज लगभग समान है; वोल्टेज अंतर केवल तभी महत्वपूर्ण हो जाता है जब SoC निम्न और उच्च स्तर पर होता है। ये ग्राफ़ दो बैटरियों और स्ट्रिंग SoC के बीच वोल्टेज अंतर को दर्शाते हैं, उनके बीच SoC असंतुलन की अलग-अलग मात्रा होती है। उदाहरण के लिए, 10% वक्र का उपयोग तब किया जाता है जब एक इकाई का एसओसी दूसरी इकाई की तुलना में 10% अधिक होता है। एनएमसी इकाइयों के लिए, 5% से कम एसओसी को छोड़कर, 1% के असंतुलन का पता लगाना मुश्किल है (चित्र 3.18 (ए)); लगभग 35% SoC को छोड़कर, 10% असंतुलन का आसानी से पता लगाया जा सकता है। एलएफपी इकाइयों के लिए, 1% असंतुलन का पता लगाना आसान है जब एसओसी 10% से नीचे और 95% से ऊपर है (चित्रा 3.18 (बी))। अन्य स्थानों पर, यह लगभग अगोचर है; जब SoC 50% होता है, तो केवल 30% गंभीर असंतुलन का पता लगाया जा सकता है। इसलिए, हालांकि एलएफपी बैटरी बिजली अनुप्रयोगों के लिए बहुत उपयुक्त हैं, एलएफपी बैटरी के साथ बफर बैटरी वास्तव में मध्यवर्ती संतुलन हासिल करना असंभव है। ऐसे क्षेत्र में बैटरी पैक को संतुलित करने का प्रयास करना जहां डेल्टा वोल्टेज बहुत कम है, न केवल अर्थहीन है, बल्कि उल्टा असर पड़ने की भी संभावना है, क्योंकि अन्य कारक असंतुलन से अधिक बैटरी टर्मिनल वोल्टेज में अंतर को प्रभावित कर सकते हैं।

सेल्फ डिस्चार्ज करंट में अंतर बैटरी असंतुलन का प्रत्यक्ष कारण है। उच्च सेल्फ डिस्चार्ज वाली बैटरियों का एसओसी कम सेल्फ डिस्चार्ज वाली बैटरियों की तुलना में तेजी से घटता है। जैसे-जैसे समय बीतता है, प्रत्येक बैटरी सेल का SoC स्तर अलग-अलग हो जाता है और असंतुलन की स्थिति बढ़ जाती है। हालाँकि सभी बैटरियाँ न्यूनतम दर पर स्वतः डिस्चार्ज हो जाती हैं, कुछ बैटरियाँ दूसरों की तुलना में तेज़ होती हैं, विशेष रूप से विभिन्न तापमानों पर (चित्र {{0}} (ए))। सबसे खराब स्थिति तब होती है जब कुछ बैटरियां कमरे के तापमान पर होती हैं जबकि अन्य गर्म स्थिति में होती हैं (उदाहरण के लिए, क्योंकि वे चार्जर के बगल में स्थापित होती हैं)। सबसे ठंडी बैटरी का सेल्फ डिस्चार्ज करंट 0.000023C है, जबकि सबसे गर्म बैटरी का सेल्फ डिस्चार्ज करंट 0.00017C है,

0.00015 डिग्री सेल्सियस का अंतर. इस अंतर के कारण हर महीने स्ट्रिंग 11% अधिक असंतुलित हो जाएगी। बैटरियों के बीच सेल्फ डिस्चार्ज करंट में भिन्नता की भरपाई करने के लिए, बीएमएस सबसे कम सेल्फ डिस्चार्ज करंट वाली बैटरी से संतुलित करंट प्राप्त करता है। यह बैलेंस करंट इस बैटरी और उच्चतम सेल्फ डिस्चार्ज वाली बैटरी के बीच सेल्फ डिस्चार्ज करंट के अंतर के बिल्कुल बराबर है। चित्र में दिखाए गए उदाहरण में, कृपया ध्यान दें कि कैसे बीएमएस यह सुनिश्चित करता है कि प्रत्येक सेल कम सेल्फ डिस्चार्ज करंट वाली कोशिकाओं को अतिरिक्त डिस्चार्ज करंट प्रदान करके समान 150 μ ए करंट के साथ डिस्चार्ज हो। वैकल्पिक रूप से, बीएमएस अंतर की भरपाई के लिए बैटरी को उच्चतम सेल्फ डिस्चार्ज करंट से चार्ज कर सकता है।

संतुलन एल्गोरिथ्म वोल्टेज संतुलन पर आधारित है: केवल जब बैटरी संतुलन सेटिंग मूल्य पर होती है, तो इसे बैटरी वोल्टेज रीडिंग के आधार पर संतुलित किया जाता है; SoC (भविष्यवाणी) के आधार पर: अनुमानित बैटरी SoC स्तरों के आधार पर, किसी भी समय संतुलित किया जा सकता है