การจัดการพลังงานคืออะไร?

เพื่อสร้างสมดุลระหว่างความจุและความแตกต่างของพลังงานระหว่างแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ และปรับปรุงอัตราการใช้พลังงานของชุดแบตเตอรี่ จำเป็นต้องมีวงจรปรับสมดุลในระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุ ขึ้นอยู่กับวิธีที่วงจรใช้พลังงานในระหว่างกระบวนการปรับสมดุล สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภทหลัก: ประเภทการกระจายพลังงาน และประเภทไม่กระจายพลังงาน- ประเภทการกระจายพลังงานจะกระจายพลังงานส่วนเกินเป็นความร้อน ในขณะที่พลังงานที่ไม่กระจาย-จะถ่ายโอนหรือแปลงพลังงานส่วนเกินไปยังแบตเตอรี่อื่นๆ

วงจรอีควอไลเซอร์ประเภทการกระจายพลังงาน-บรรลุการปรับสมดุลโดยการแบ่งกระแสการชาร์จผ่านตัวต้านทานแบบขนานในเซลล์แบตเตอรี่แต่ละตัว ดังแสดงในรูปที่ 8-12 โครงสร้างวงจรนี้เรียบง่าย และโดยทั่วไปกระบวนการปรับสมดุลจะเสร็จสิ้นระหว่างการชาร์จ อย่างไรก็ตาม ไม่สามารถเติมพลังให้กับเซลล์แต่ละเซลล์ที่มีความจุต่ำ-ได้ ซึ่งส่งผลให้เกิดการสิ้นเปลืองพลังงานและเพิ่มภาระให้กับระบบการจัดการระบายความร้อน เครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทกระจายพลังงานโดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภท:

เครื่องใช้ไฟฟ้าประเภทการกระจายพลังงาน-โดยทั่วไปแบ่งออกเป็นสองประเภท: ประการแรก วงจรการชาร์จการปรับสมดุลของตัวต้านทานแบบแบ่งคงที่ โดยที่ตัวต้านทานแบบแบ่งจะเชื่อมต่อแบบขนานกับเซลล์แบตเตอรี่แต่ละเซลล์เสมอ วิธีการนี้มีคุณลักษณะเฉพาะคือความน่าเชื่อถือสูงและค่าตัวต้านทานสับเปลี่ยนขนาดใหญ่ ซึ่งช่วยลดความแตกต่างในแรงดันไฟฟ้าของเซลล์แต่ละเซลล์เนื่องจากการคายประจุเอง-ผ่านวงจรสับเปลี่ยนคงที่ ข้อเสียคือตัวต้านทานแบบแบ่งจะใช้พลังงานอย่างต่อเนื่องทั้งในระหว่างการชาร์จและการคายประจุ ส่งผลให้สูญเสียพลังงานอย่างมาก โดยทั่วไปเหมาะสำหรับการใช้งานที่สามารถเติมพลังงานได้ทันที

ประการที่สอง วงจรการชาร์จการปรับสมดุลตัวต้านทานปัดน้ำฝนที่ควบคุมโดยสวิตช์- โดยที่ตัวต้านทานปัดตัวต้านทานจะถูกควบคุมโดยสวิตช์ ในระหว่างการชาร์จ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่แต่ละตัวถึงแรงดันไฟฟ้าตัด อุปกรณ์ปรับสมดุลจะป้องกันการชาร์จไฟเกินและแปลงพลังงานส่วนเกินให้เป็นความร้อน วงจรปรับสมดุลนี้ทำงานในระหว่างการชาร์จและสามารถแบ่งกระแสไฟฟ้าไปยังเซลล์แต่ละเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าระหว่างการชาร์จได้ ข้อเสียคือเนื่องจากเวลาในการปรับสมดุลที่จำกัด ความร้อนจำนวนมากที่เกิดขึ้นระหว่างการสับเปลี่ยนจึงต้องกระจายออกไปอย่างทันท่วงทีผ่านระบบการจัดการระบายความร้อน ซึ่งจะสังเกตได้ชัดเจนเป็นพิเศษในชุดแบตเตอรี่ที่มีความจุมากกว่า

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

ตัวอย่างเช่น ในชุดแบตเตอรี่ขนาด 10Ah ความต่างศักย์ไฟฟ้า 100mV อาจส่งผลให้ความจุต่างกันมากกว่า 500mAh หากเวลาปรับสมดุลคือ 2 ชั่วโมง กระแสสับเปลี่ยนจะอยู่ที่ 250mA ความต้านทานของกระแสสับเปลี่ยนจะอยู่ที่ประมาณ 14Ω และความร้อนที่เกิดขึ้นจะอยู่ที่ประมาณ 2Wh

วงจรกระจายพลังงานที่ไม่ใช่-ใช้พลังงานน้อยกว่าวงจรกระจายพลังงานมาก แต่โครงสร้างของวงจรค่อนข้างซับซ้อน สามารถแบ่งได้เป็นสองประเภท: การปรับสมดุลการแปลงพลังงาน และการปรับสมดุลการถ่ายโอนพลังงาน

การปรับสมดุลการแปลงพลังงานใช้สัญญาณสลับเพื่อเติมพลังงานของแต่ละเซลล์จากชุดแบตเตอรี่โดยรวม หรือแปลงพลังงานของแต่ละเซลล์กลับไปเป็นแบตเตอรี่โดยรวม การแปลงจากพลังงานเซลล์แต่ละเซลล์ไปเป็นพลังงานโดยรวมมักเกิดขึ้นในระหว่างกระบวนการชาร์จก้อนแบตเตอรี่ ดังแสดงในรูปที่ 8-13 วงจรนี้จะตรวจจับแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ถึงค่าที่กำหนด โมดูลปรับสมดุลจะเริ่มทำงาน โดยจะโอนกระแสไฟชาร์จในแต่ละเซลล์เพื่อลดแรงดันไฟชาร์จ และกระแสไฟที่เปลี่ยนทิศทางจะถูกแปลงโดยโมดูลและป้อนกลับไปยังบัสชาร์จ ทำให้เกิดความสมดุล วิธีการปรับสมดุลการแปลงพลังงานบางวิธียังใช้ตัวเหนี่ยวนำแบบหมุนอิสระเพื่อทำการแปลงพลังงานจากเซลล์แต่ละเซลล์ไปเป็นแบตเตอรี่

วงจรสำหรับการแปลงพลังงานของแบตเตอรี่ทั้งหมดเป็นเซลล์แต่ละเซลล์จะแสดงในรูปที่ 8-14 วิธีการนี้เรียกอีกอย่างว่าการปรับสมดุลเสริม ในระหว่างกระบวนการชาร์จ โมดูลการชาร์จหลักจะชาร์จชุดแบตเตอรี่ก่อน ในขณะที่วงจรตรวจจับแรงดันไฟฟ้าจะตรวจสอบเซลล์แต่ละเซลล์ เมื่อแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์สูงเกินไป วงจรการชาร์จหลักจะปิด จากนั้นโมดูลการชาร์จแบบสมดุลเสริมจะเริ่มชาร์จก้อนแบตเตอรี่ ด้วยการออกแบบที่ได้รับการปรับให้เหมาะสม แรงดันไฟฟ้าในการชาร์จในโมดูลปรับสมดุลจะถูกจ่ายไปยังเซลล์แต่ละเซลล์ผ่านตัวแปลง DC/DC อิสระและหม้อแปลงคอยล์โคแอกเชียล เพื่อเพิ่มขดลวดทุติยภูมิที่เหมือนกัน เพื่อให้แน่ใจว่าเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงกว่าจะได้รับพลังงานน้อยลงจากวงจรชาร์จเสริม ในขณะที่เซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าต่ำกว่าจะได้รับพลังงานมากขึ้น จึงทำให้เกิดความสมดุล ปัญหาของวิธีนี้คือการควบคุมความสม่ำเสมอของการพันขดลวดทุติยภูมิเป็นเรื่องยาก แม้ว่าจะมีการหมุนเท่ากัน เมื่อพิจารณาถึงความเหนี่ยวนำการรั่วไหลของหม้อแปลงและการเหนี่ยวนำร่วมกันระหว่างขดลวดทุติยภูมิ แต่ละเซลล์อาจไม่ได้รับแรงดันไฟฟ้าในการชาร์จเท่ากัน นอกจากนี้ คอยล์โคแอกเซียลยังประสบกับการสูญเสียพลังงานบางส่วน และวิธีการปรับสมดุลนี้จะแก้ไขเฉพาะความไม่สมดุลในการชาร์จเท่านั้น ไม่สามารถแก้ไขความไม่สมดุลในสถานะการคายประจุได้

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

Figure8-14SupplementaryBalanceSchematicDiagram

การปรับสมดุลการถ่ายโอนพลังงานใช้องค์ประกอบกักเก็บพลังงาน เช่น ตัวเหนี่ยวนำหรือตัวเก็บประจุเพื่อถ่ายโอนประจุจากเซลล์แต่ละเซลล์ที่มีความจุสูง-ไปยังเซลล์ที่มีความจุต่ำกว่า- ภายในก้อนแบตเตอรี่ ดังแสดงในรูปที่ 8-15 วงจรนี้ถ่ายโอนพลังงานระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันโดยการสลับตัวเก็บประจุ ย้ายประจุจากเซลล์แรงดันสูง-ไปยังเซลล์แรงดันต่ำ-เพื่อให้เกิดความสมดุล อีกทางหนึ่ง การถ่ายโอนพลังงานแบบสองทิศทางระหว่างเซลล์ที่อยู่ติดกันสามารถทำได้โดยใช้การจัดเก็บพลังงานแบบอุปนัย วงจรนี้มีการสูญเสียพลังงานต่ำมาก แต่ต้องมีการถ่ายโอนหลายครั้งระหว่างการทรงตัว ส่งผลให้ใช้เวลาในการทรงตัวนาน และทำให้ไม่เหมาะสมกับชุดแบตเตอรี่หลาย-เซลล์ วิธีการเปลี่ยนสมดุลของตัวเก็บประจุที่ได้รับการปรับปรุงใหม่สามารถเพิ่มความเร็วของการปรับสมดุลได้โดยการเลือกเซลล์แต่ละเซลล์ที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงสุดและต่ำสุดสำหรับการถ่ายโอนพลังงาน อย่างไรก็ตาม การกำหนดพลังงานและการนำวงจรสวิตชิ่งไปใช้ในการปรับสมดุลการถ่ายโอนพลังงานนั้นค่อนข้างยาก

Figure 8-15 Switched Capacitor Balancing Schematic Diagram

นอกจากวิธีการปรับสมดุลข้างต้นแล้ว การชาร์จแบบหยดยังสามารถใช้เพื่อให้เกิดความสมดุลของแบตเตอรี่ระหว่างการชาร์จได้อีกด้วย นี่เป็นวิธีที่ง่ายที่สุดและไม่ต้องใช้วงจรเสริมภายนอก โดยจะต้องชาร์จชุดแบตเตอรี่ที่เชื่อมต่ออยู่-อย่างต่อเนื่องโดยใช้กระแสไฟฟ้าเพียงเล็กน้อย เนื่องจากกระแสไฟชาร์จมีน้อยมาก การชาร์จไฟเกินจึงมีผลกระทบเพียงเล็กน้อยต่อแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มแล้ว เนื่องจากแบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มไม่สามารถแปลงพลังงานไฟฟ้าเป็นพลังงานเคมีได้ พลังงานส่วนเกินจึงถูกแปลงเป็นความร้อน อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ที่ชาร์จไม่เต็มสามารถรับพลังงานไฟฟ้าต่อไปได้จนกว่าจะชาร์จเต็ม ด้วยวิธีนี้ หลังจากผ่านไปค่อนข้างนาน แบตเตอรี่ทั้งหมดจะชาร์จจนเต็ม จึงบรรลุการปรับความจุให้เท่ากัน อย่างไรก็ตาม วิธีนี้ต้องใช้เวลาในการชาร์จการปรับอีควอไลเซอร์นานมากและใช้พลังงานปริมาณมากจึงจะทำให้เกิดการปรับอีควอไลเซอร์ได้ นอกจากนี้วิธีนี้ไม่ได้ผลในการจัดการการปรับสมดุลการคายประจุ

โซลูชันการปรับสมดุลแบตเตอรี่ที่มีอยู่จะกำหนดความจุของแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากแรงดันไฟ-แรงดัน-ของแบตเตอรี่ เพื่อให้ชุดแบตเตอรี่มีความสมดุล ความแม่นยำและความเที่ยงตรงสูงในการตรวจจับแรงดันไฟฟ้าถือเป็นสิ่งสำคัญ กระแสไฟรั่วในวงจรตรวจจับแรงดันไฟฟ้าส่งผลโดยตรงต่อความสม่ำเสมอของแบตเตอรี่ ดังนั้น การออกแบบวงจรตรวจจับแรงดันไฟฟ้าที่เรียบง่ายและมีประสิทธิภาพจึงเป็นความท้าทายที่สำคัญสำหรับการปรับสมดุลวงจร นอกจากนี้ แรงดันไฟฟ้าไม่ได้เป็นเพียงการวัดความจุของแบตเตอรี่เท่านั้น ความต้านทานภายในและความต้านทานหน้าสัมผัสในวิธีการเชื่อมต่อยังทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าอีกด้วย ดังนั้น การใช้แรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียวในการทรงตัวสามารถนำไปสู่-การทรงตัวที่มากเกินไปและการสูญเสียพลังงาน ในกรณีร้ายแรง อาจทำให้เกิดความไม่สมดุลในชุดแบตเตอรี่ แม้ว่าความจุเริ่มต้นจะสมดุลก็ตาม

วงจรการกระจายพลังงานมีโครงสร้างที่เรียบง่าย แต่ตัวต้านทานที่สมดุลจะใช้พลังงานในระหว่างการสับเปลี่ยนกระแสไฟฟ้าและสร้างความร้อน ทำให้เกิดปัญหาในการจัดการระบายความร้อน เนื่องจากโดยพื้นฐานแล้วจะจำกัดแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วต่อสูงหรือต่ำเกินไปในแต่ละเซลล์โดยการกระจายพลังงาน จึงเหมาะสำหรับการปรับสมดุลแบบคงที่เท่านั้น การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิที่สูง-จะลดความน่าเชื่อถือของระบบ ทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับการปรับสมดุลแบบไดนามิก วิธีนี้เหมาะสำหรับแบตเตอรี่ขนาดเล็กหรือต่ำ-เท่านั้น

วงจรการถ่ายโอนพลังงานเป็นวิธีการหนึ่งในการชดเชยความจุของแบตเตอรี่ โดยที่แบตเตอรี่ที่มีความจุสูงกว่า-จะจ่ายพลังงานบางส่วนเพื่อชดเชย-ความจุของแบตเตอรี่ที่ต่ำกว่า แม้ว่าจะเป็นไปได้ แต่วิธีนี้มีความซับซ้อน เทอะทะ และมีค่าใช้จ่ายสูง เนื่องจากจำเป็นต้องตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าของแต่ละเซลล์ในวงจรจริง นอกจากนี้ การถ่ายโอนพลังงานยังทำได้สำเร็จผ่านสื่อกักเก็บพลังงาน ซึ่งแนะนำปัญหาการใช้พลังงานและการควบคุม โดยทั่วไปวิธีการปรับสมดุลนี้จะใช้กับชุดแบตเตอรี่ขนาดกลางถึงขนาดใหญ่

ในทางกลับกัน วงจรแปลงพลังงานใช้แหล่งจ่ายไฟแบบสวิตชิ่งเพื่อให้เกิดการแปลงพลังงาน เมื่อเปรียบเทียบกับวงจรถ่ายโอนพลังงานแล้ว วงจรเหล่านี้มีความซับซ้อนน้อยกว่าและมีราคาถูกกว่ามาก อย่างไรก็ตาม สำหรับขดลวดโคแอกเชียล ความยาวและรูปร่างของสายไฟที่เชื่อมต่อขดลวดกับเซลล์แต่ละเซลล์จะส่งผลให้เกิดอัตราส่วนการเปลี่ยนแปลงที่แตกต่างกัน ส่งผลให้แต่ละเซลล์มีความสมดุลไม่สอดคล้องกันและส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดในการสมดุล นอกจากนี้ ขดลวดโคแอกเชียลเองก็ใช้พลังงานเนื่องจากการรั่วไหลของแม่เหล็กไฟฟ้าและปัญหาอื่นๆ

Energy Management