מהו ניהול אנרגיה?

כדי לאזן את הבדלי הקיבולת והאנרגיה בין תאים בודדים בחבילת סוללות ולשפר את קצב ניצול האנרגיה של ערכת הסוללות, יש צורך במעגל שיוויון במהלך תהליך הטעינה והפריקה. בהתבסס על האופן שבו המעגל צורך אנרגיה במהלך תהליך ההשוואה, ניתן לחלק אותו לשתי קטגוריות עיקריות: סוג פיזור אנרגיה וסוג אנרגיה ללא-פיזור. סוג פיזור אנרגיה מפזר עודפי אנרגיה כחום, בעוד שסוג אנרגיה ללא-פיזור מעביר או ממיר עודפי אנרגיה לסוללות אחרות.

מעגלי איזון מסוג -פיזור אנרגיה משיגים איזון על ידי העברת זרם הטעינה דרך נגדים מקבילים בתאי סוללה בודדים, כפי שמוצג באיור 8-12. מבנה מעגל זה פשוט, ותהליך ההשוואה הושלם בדרך כלל במהלך הטעינה. עם זאת, הוא אינו יכול לחדש את הכוח של תאים בודדים בעלי קיבולת- נמוכה, וכתוצאה מכך לבזבוז אנרגיה ועומס מוגבר על מערכת הניהול התרמית. מכשירי חשמל מסוג פיזור אנרגיה מתחלקים בדרך כלל לשתי קטגוריות:

מכשירי חשמל מסוג פיזור אנרגיה- מתחלקים בדרך כלל לשתי קטגוריות: ראשית, מעגל טעינה קבוע של השוואת נגד shunt, שבו נגד shunt מחובר תמיד במקביל לכל תא סוללה. שיטה זו מאופיינת באמינות גבוהה ובערך נגד shunt גדול, המפחיתה הבדלים במתח התא הבודד עקב פריקה עצמית- באמצעות shunt קבוע. החיסרון שלו הוא שנגד ה-shunt כל הזמן צורך חשמל במהלך הטעינה והפריקה, וכתוצאה מכך אובדן אנרגיה משמעותי; הוא מתאים בדרך כלל ליישומים שבהם ניתן למלא אנרגיה מיידית.

שנית, מעגל טעינת השוואת נגד shunt מבוקר-, שבו הנגד shunt נשלט על ידי מתג. במהלך הטעינה, כאשר מתח הסוללה הבודד מגיע למתח הניתוק, מכשיר ההשוואה מונע טעינת יתר וממיר אנרגיה עודפת לחום. מעגל ההשוואה הזה פועל במהלך הטעינה ויכול להעביר את הזרם לתאים בודדים עם מתחים גבוהים יותר במהלך הטעינה. החיסרון שלו הוא שבגלל זמן ההשוואה המוגבל, כמות החום הגדולה שנוצרת במהלך ה-shunt צריכה להתפזר בזמן דרך מערכת הניהול התרמית, מה שמורגש במיוחד בחבילות סוללות בעלות קיבולות גדולות יותר.

Figure 8-12 Resistive Shunt Equalization Principle Diagram (ICE: Individual Cell Equalizer)

לדוגמה, בחבילת סוללות של 10Ah, הפרש מתח של 100mV יכול לגרום להפרש קיבולת של מעל 500mAh. אם זמן האיזון הוא שעתיים, זרם ה-shunt הוא 250mA, התנגדות ה-shunt היא כ-14Ω, והחום שנוצר הוא כ-2Wh.

מעגלים ללא-פיזור אנרגיה צורכים הרבה פחות אנרגיה ממעגלי פיזור אנרגיה, אך מבנה המעגלים שלהם מורכב יחסית. ניתן לחלק אותם לשני סוגים: השוואת המרת אנרגיה והשוואת העברת אנרגיה.

איזון המרת אנרגיה משתמש באותות מיתוג כדי לחדש את האנרגיה של תאים בודדים ממכלול הסוללות הכולל או להמיר את האנרגיה של תאים בודדים בחזרה למארז הסוללות הכולל. ההמרה מאנרגיה של תא בודד לאנרגיה כוללת מתרחשת בדרך כלל במהלך תהליך הטעינה של ערכת הסוללה, כפי שמוצג באיור 8-13. מעגל זה מזהה את המתח של כל תא בודד; כאשר המתח של תא בודד מגיע לערך מסוים, מודול האיזון מתחיל לעבוד. הוא מפנה את זרם הטעינה בתא הבודד כדי להפחית את מתח הטעינה, והזרם המופנה מומר על ידי המודול ומוזן בחזרה לאפיק הטעינה, ומשיג איזון. שיטות איזון המרת אנרגיה מסוימות יכולות להשתמש גם במשרני גלגלים חופשיים כדי להשלים את המרת האנרגיה מתאי בודדים לחבילת הסוללות.

המעגל להמרת האנרגיה של ערכת הסוללות כולה לתאים בודדים מוצג באיור 8-14. שיטה זו נקראת גם איזון משלים. במהלך תהליך הטעינה, מודול הטעינה הראשי טוען תחילה את ערכת הסוללות, בעוד שמעגל זיהוי המתח עוקב אחר כל תא בודד. כאשר המתח של תא בודד גבוה מדי, מעגל הטעינה הראשי נכבה, ואז מודול הטעינה המשלים של איזון מתחיל לטעון את ערכת הסוללות. באמצעות עיצוב אופטימלי, מתח הטעינה במודול האיזון מופעל על כל תא בודד באמצעות ממיר DC/DC עצמאי ושנאי סליל קואקסיאלי, תוך הוספת פיתול משני זהה. זה מבטיח שתאים עם מתח גבוה יותר מקבלים פחות אנרגיה ממעגל טעינת העזר, בעוד שתאים עם מתח נמוך יותר מקבלים יותר אנרגיה, ובכך משיגים איזון. הבעיה בשיטה זו היא שקשה לשלוט על העקביות של הפיתול המשני. אפילו עם סיבובים זהים, בהתחשב בשראות דליפת שנאי והשראות הדדית בין פיתולים משניים, ייתכן שתאים בודדים לא יקבלו את אותו מתח טעינה. יתר על כן, הסליל הקואקסיאלי חווה גם פיזור אנרגיה מסוים, ושיטת האיזון הזו מטפלת רק בחוסר איזון בטעינה, ולא מצליחה לטפל בחוסר איזון במצב הפריקה.

Figure 8-13 Individual Cell Voltage to Total Voltage Conversion Method

Figure8-14SupplementaryBalanceSchematicDiagram

איזון העברת אנרגיה משתמש ברכיבי אחסון אנרגיה כגון משרנים או קבלים כדי להעביר מטען מתאי- בודדים בעלי קיבולת גבוהה לתאים בעלי קיבולת- נמוכה יותר בתוך ערכת סוללות, כפי שמוצג באיור 8-15. מעגל זה מעביר אנרגיה בין תאים סמוכים על ידי החלפת קבלים, העברת מטען מתאי מתח גבוה- למתח נמוך- כדי להשיג איזון. לחלופין, ניתן להשיג העברת אנרגיה דו-כיוונית בין תאים סמוכים באמצעות אחסון אנרגיה אינדוקטיבי. למעגל זה יש אובדן אנרגיה נמוך מאוד, אך דורש העברות מרובות במהלך האיזון, וכתוצאה מכך זמן איזון ארוך והופך אותו ללא מתאים עבור ערכות סוללות מרובות-. שיטת איזון קבלים משופרת-יכולה להגביר את מהירות האיזון על ידי בחירת המתח{11}}הגבוה ביותר והמתח הנמוך ביותר עבור העברת אנרגיה. עם זאת, קביעת אנרגיה ויישום מעגל המיתוג באיזון העברת אנרגיה הם קשים יחסית.

Figure 8-15 Switched Capacitor Balancing Schematic Diagram

מלבד שיטות האיזון לעיל, ניתן להשתמש בטעינת טפטוף גם כדי להשיג איזון סוללה במהלך יישומי טעינה. זוהי השיטה הפשוטה ביותר ואינה דורשת מעגלים עזר חיצוניים. זה כרוך בטעינה מתמשכת של ערכת הסוללה המחוברת-בסדרה עם זרם קטן. מכיוון שזרם הטעינה קטן מאוד, לטעינת יתר יש השפעה מועטה על סוללה טעונה במלואה. מכיוון שסוללה טעונה במלואה אינה יכולה להמיר יותר אנרגיה חשמלית לאנרגיה כימית, האנרגיה העודפת תומר לחום. אולם, סוללות שאינן טעונות במלואן יכולות להמשיך לקבל אנרגיה חשמלית עד שהן מגיעות לטעינה מלאה. באופן זה, לאחר תקופה ארוכה יחסית, כל הסוללות יגיעו לטעינה מלאה ובכך יגיעו להשוואת קיבולת. עם זאת, שיטה זו דורשת זמן טעינת השוואת זמן ארוך מאוד וצורכת כמות ניכרת של אנרגיה כדי להגיע להשוואה. יתר על כן, שיטה זו אינה יעילה בניהול השוואת פריקה.

פתרונות איזון הסוללה הקיימים קובעים בעיקר את קיבולת הסוללה על סמך המתח של ערכת הסוללה-שיטת איזון מבוססת מתח-. כדי להשיג איזון ערכת סוללות, דיוק גבוה ודיוק בזיהוי מתח הם חיוניים. זרם הדליפה במעגל זיהוי המתח משפיע ישירות על העקביות של ערכת הסוללות. לכן, תכנון מעגל זיהוי מתח פשוט ויעיל הוא אתגר מרכזי לאיזון מעגלים. יתר על כן, מתח אינו המדד היחיד לקיבולת הסוללה. גם התנגדות פנימית והתנגדות מגע בשיטת החיבור גורמים לשינויי מתח. לכן, הסתמכות על מתח לצורך איזון בלבד עלולה להוביל לאיזון יתר ולבזבוז אנרגיה. במקרים קיצוניים, זה אפילו עלול לגרום לחוסר איזון בחבילת הסוללות, למרות איזון הקיבולת הראשוני.

מעגלי פיזור אנרגיה הם פשוטים במבנה, אך נגדי האיזון צורכים אנרגיה במהלך shunting הנוכחי ומייצרים חום, מה שגורם לבעיות בניהול תרמי. מכיוון שהם בעצם מגבילים מתחי מסוף גבוהים או נמוכים מדי בתאים בודדים באמצעות פיזור אנרגיה, הם מתאימים רק לאיזון סטטי. עליית הטמפרטורה-הגבוהה שלהם מפחיתה את אמינות המערכת, מה שהופך אותן ללא מתאימות לאיזון דינמי. שיטה זו מתאימה רק למארזי סוללות-קטנים או בעלי קיבולת נמוכה.

מעגלי העברת אנרגיה הם שיטה לפיצוי קיבולת סוללה, כאשר סוללה בעלת קיבולת- גבוהה יותר תורמת מעט אנרגיה כדי לפצות על סוללה בעלת קיבולת- נמוכה יותר. אמנם אפשרית, אך שיטה זו מורכבת, מגושמת ויקרה בשל הצורך בניטור מתח של תאים בודדים במעגל בפועל. יתר על כן, העברת האנרגיה מושגת באמצעות מדיום אחסון אנרגיה, אשר מציג בעיות צריכת אנרגיה ובקרה. שיטת איזון זו משמשת בדרך כלל בחבילות סוללות בינוניות עד גדולות.

מעגלי המרת אנרגיה, לעומת זאת, משתמשים בספק כוח מיתוג כדי להשיג המרת אנרגיה. בהשוואה למעגלי העברת אנרגיה, הם פחות מורכבים ופחות יקרים משמעותית. עם זאת, עבור סלילים קואקסיאליים, האורכים והצורות המשתנים של החוטים המחברים את הפיתולים לכל תא מביאים ליחסי טרנספורמציה שונים, המובילים לאיזון לא עקבי של כל תא וכתוצאה מכך לשגיאות איזון. בנוסף, הסליל הקואקסיאלי עצמו צורך אנרגיה עקב דליפה אלקטרומגנטית ובעיות אחרות.

Energy Management