С полной отдачей

Тяговые аккумуляторные батареи (АКБ) обычно представляют собой сборки из сотен, а иногда и тысяч отдельных ионолитиевых элементов, соединённых последовательно и параллельно. Все отдельные элементы АКБ в идеале должны вносить одинаковый вклад в общую копилку. Однако на практике достичь этого не удаётся. Элементы одного химического типа, одного физического размера и одной формы (даже выпущенные одной партией!) отличаются друг от друга по общей ёмкости, внутреннему сопротивлению, скорости саморазряда и т. д. Кроме того, у них по-разному меняются основные параметры при естественном старении.

«Окно» для энергии

При последовательных зарядах-разрядах эти факторы приводят к появлению «окна», которое равно разности между напряжениями самого заряженного и самого разряженного элементов. Другими словами, напряжения, поначалу примерно одинаковые для всех элементов, постепенно расходятся. А поскольку зарядку батареи необходимо прекратить сразу, как только один из её элементов достигнет конечного зарядного напряжения (то же и при разряде), при расширении «окна» ёмкость всей батареи снижается. В итоге если не принять определённых мер, она может достичь нуля. Выйти из положения и продлить срок эксплуатации батареи без вмешательства извне помогает система балансировки (СБ), сводящая к минимуму размеры «окна».

Для контроля каждого элемента используется величина, называемая заряженностью, или состоянием заряда (state of charge, SoC), которая показывает отношение оставшегося в элементе заряда к его полной ёмкости. Для определения SoC используют измеренные значения напряжения на элементе, зарядного или разрядного тока и температуры.

В помощь производителям аккумуляторов электронная промышленность наладила выпуск прецизионных однокристальных и многокристальных систем управления АКБ (battery management systems, BMS). В них постоянный мониторинг состояния батареи (включая измерение SoC всех её элементов) сочетается с пассивной или активной балансировкой входящих в батарею элементов. При этом достигаются:
* возможность зарядить батарею до уровня, не зависящего от состояния самых слабых её элементов;
* уменьшение разброса в заряженности от элемента к элементу;
* минимизация эффектов, связанных со старением элементов и приводящих к снижению их ёмкости.

Системы балансировки можно разделить на несколько классов, которые взаимно пересекаются и дополняют друг друга. Они могут быть автономными и управляемыми, могут располагаться внутри АКБ или снаружи и т. д. Но наиболее интересно, на наш взгляд, рассмотреть СБ двух классов - пассивные и активные. И те и другие имеют свои преимущества и недостатки.

Пассивные системы

После выпуска с завода все элементы в АКБ имеют довольно близкие характеристики. По ходу эксплуатации они теряют ёмкость, причём по-разному из-за особенностей зарядно-разрядных циклов, разницы в температуре и других факторов. «Слабый» элемент будет разряжаться и заряжаться быстрее, чем «сильные» (читай: большей ёмкости), поэтому он превращается в фактор, ограничивающий время работы и запас энергии в АКБ. Пассивная СБ позволяет добиться надёжной работы батареи, ограничив все её элементы ёмкостью самого «слабого» из них. Как это достигается?

В зарядном цикле на элементы с высокой заряженностью подаётся уменьшенный ток, чтобы каждый элемент АКБ в результате достиг своего максимального SoC. С этой целью к каждому элементу подсоединяют шунтирующий резистор через электронный ключ, управляемый от BMS (рис. 1).

Пассивная балансировка как самая дешёвая помогает скорректировать различия токов саморазряда элементов, нарастающие в процессе их старения. Она действует только при заряде и не увеличивает время работы АКБ благодаря перераспределению нагрузок между элементами. Отметим, что вызываемые ею потери энергии на шунтирующих резисторах и рост температуры батарейного блока могут быть в некоторых случаях неприемлемы. Тем не менее пассивные СБ широко применяются, поскольку они просты и дёшевы.

Активные системы

Для тех, кто хочет получить максимально возможное время работы батареи и эффективную зарядку, лучшим решением будет активная балансировка элементов. В активных СБ энергия не расходуется впустую, а перераспределяется между разными элементами АКБ как при зарядке, так и при разрядке. При разрядке менее ёмкие элементы работают в щадящем режиме за счёт более ёмких, благодаря чему увеличивается время работы и отдаваемая в нагрузку энергия. Кроме того, по сравнению с пассивной балансировкой сокращаются время зарядки и тепловыделение.

В примере на рис. 2 полный заряд установлен на уровне 90% от максимальной ёмкости для продления срока эксплуатации элементов. Полная разрядка зафиксирована на уровне 30%, чтобы предотвратить их деградацию. Вверху изображено состояние полностью заряженной батареи, а в середине - разряженной без применения схем активной балансировки. Легко заметить, что «слабые» элементы ограничили время работы всей АКБ, при том что «сильные» так и не разрядились полностью. Пятипроцентный разброс в ёмкости элементов означает, что около 5% ёмкости АКБ не используется. В больших батареях это может привести к потере заметного количества энергии. Особенно критичны такие потери для автономных энергосистем, расположенных в труднодоступной местности, поскольку при этом растёт количество зарядно-разрядных циклов, отчего сокращается срок эксплуатации батареи и её чаще приходится заменять.

При активной балансировке заряд перераспределяется от более ёмких элементов к менее ёмким, благодаря чему все элементы АКБ разряжаются полностью.

По ходу зарядки АКБ без балансировки менее ёмкие элементы достигают полного заряда раньше остальных и потому не дают АКБ набрать максимально возможный заряд, то есть и в этом случае они оказываются ограничивающим фактором (рис. 3).

Возможны варианты

Схемы активной балансировки могут быть конденсаторными, дроссельными и трансформаторными. Здесь применяется множество разнообразных решений.

В последнее время появились такие экзотические варианты, как умные элементы со встроенными ведомыми контроллерами, которые управляют ключевыми транзисторами в полумостовой схеме (рис. 4). Ведомые контроллеры измеряют состояние заряда элемента и передают данные ведущему контроллеру, а также позволяют выводить элемент из состава цепочки или подключать его к ней, управляя ключами. При этом связь между ведущим контроллером и ведомыми организована по беспроводной сети, что даёт производителю электромобилей возможность гибко размещать аккумуляторные сборки в разных местах - на шасси или в кузове.