"Smart" laddsystem för litiumbatterier?

[arvidb]

Jag funderar på varför batterikontrollsystem ("BMS:er") till litiumbatterier måste vara så osmidiga.

Om man tittar på dem som finns att köpa för större batteripaket (av typen off-grid-försörjning av ett hus eller för elfordon) så handlar det ofta om shunt-laddare som utvecklar massor av värme och/eller enbart fungerar med ett specifikt antal celler, etc. Dessutom har de ofta fasta värden för under- och överspänning m.m. På vissa system måste man komma ihåg att köra en "balance charge" ibland, som laddar cellerna långsammare vilket tydligen ska göra cellerna bättre balanserade.

Varför inte ladda varje cell individuellt och optimalt istället?

Mitt "önskesystem" skulle se ut så här:

* Individuell CC/CV-laddning och övervakning av varje cell.
* Justerbara nivåer för laddström, toppspänning, ev. underspänning. Detta så att det fungerar för både LiCoO2 och LiFePO4, och så att man kan välja hur hårt man vill ladda (och ev ladda ur) dem.
* Ingen shuntning av ström (opraktiskt, dyrt p.g.a. effekttransistorer och/eller effektmotstånd, och slösaktigt!).
* Inte fixt antal celler i systemet (min- och maxspänningar för hela systemet är såklart okej).
* Kostnad under 100:-/cell.

Borde inte detta gå att ordna med en liten galvaniskt isolerad DC/DC-omvandlare för varje cell? Hur löser man i så fall på ett smart sätt styrningen av ström och spänning på sekundärsidan?

[Icecap]

Nu får du bestämma dig!
"* Kostnad under 100:-/cell.
Borde inte detta gå att ordna med en liten galvaniskt isolerad DC/DC-omvandlare för varje cell?"

Nej! Eller jo, såklart går det men då kan den bara ladda med mycket liten ström. Tänk på att för varje cell ska du ha en komplett laddningsstyrning också, ut över DC/DC-omvandlaren.

[Fagge]

Att cellerna sitter i serie, är ju just det som gör att det blir mycket billigare & smidigare att ladda alla celler samtidigt med en hög spänning & sen shunta bort eventuella olikheter mellan cellerna.

Det är ju viss skillnad mellan 1 och t.ex 14 kompletta nätdelar Innuti laddaren, som t.ex en el-cykel skulle kräva.

[arvidb]

Nu får du bestämma dig!
"* Kostnad under 100:-/cell.

Jag sa inte att det skulle bli lätt. Men låt mig förtydliga kostnaden till
* Komponentkostnad (inklusive omonterat mönsterkort och moms) under 100:- vid serier på 100 stycken.

Tänk på att för varje cell ska du ha en komplett laddningsstyrning också, ut över DC/DC-omvandlaren.

Hmm, det kanske går att kombinera detta? Så här t.ex.: (Nedanstående med reservation för att jag aldrig har byggt en switchregulator; jag kanske är helt ute och cyklar...)

På sekundärsidan:
* ATtiny eller liknande (Vcc 1.8-5.5 V, 2xADC, 1xPWM (?), serieinterface/2-wireinterface)
* Shuntmotstånd för strömmätning
* Op-amp för förstärkning av shuntspänningen (input & output rail-to-rail, 1.8-5.5 V - typ MCP6002)
* Induktor, kondensator, 2x diod

Primärsidan:
* Switchtransistor

Mellan:
* Trafo
* Optoisolerat serieinterface och switchstyrning (OK, detta kan bli dyrt...)

Och sedan behöver man kanske något sätt att tala om för mikrokontrollern att det finns spänning på primärsidan också (eller så låter man den testa en gång i minuten eller så). Man låter alltså styrningen på sekundärsidan sköta switchningen.


Fagge: men blir det verkligen billigare, när man räknar in effekttåliga komponenter och ytan de tar på kretskorten, eventuella kylflänsar, och att man dessutom kanske måste överladda vissa celler något för att få ut full energi?

I vilket fall så känns det inte helt bra med shuntladdare.

[mrfrenzy]

Det är klart att det går, det är bara frågan om att producera tillräckliga volymer.
Ta som exempel ett nätaggregat för laptop på 120W. Detta går att köpa för 50kr om man letar lite.
I ett sådant aggregat finns all elektronik som behövs, bara att det måste designas för rätt utspänning och med mjukvara för batteriladdning istället för konstantspänning och en annan form av seriekommunikation (ofta finns redan en kommunikation mellan dator och laddare).

Sen kan man ju välja på att mata varje laddarenhet med tex 230VAC, glättad och klar 350VDC eller en lägre spänning.

Edit: Det finns ju redan:
IMAX B6 klon
Denna laddare kostar $33 inklusive frakt och inklusive nätadapter. Ta bort nätadapter ($15), display ($5), balanseringskretsar och kontakter ($2) Lägg till en optokopplare med kontakter ($2)
Summa: $13 ~= 89kr. Köper man sen nått tiotal får man givetvis rabatt på frakten.

[jesse]

Det är inte bara en fråga om pris. En elbil kanske innehåller 100 celler - då ska man ha utrymme för 100 isolerade laddare 3.3 volt / 30 ampere. Det blir inte lätt.
Att ladda alla celler i serie är väldigt smidigt då du bara behöver en enda switch - fortfarande 30A - och den ger garanterat exakt samma ström till alla celler. Att det shuntas bort lite effekt är inte så slösaktigt - det är marginellt i förhållande till totala energin. Vill man ändå återanvända den energin så finns det metoder att t.ex. ladda upp en kondensator eller induktans med energi som sedan förflyttas till en annan cell som behöver mer energi. Detta kräver dock också flera transistorer per cell och tenderar att bli dyrt. Ett shuntmotstånd som regleras med en MOSFET kostar kanske 2 kronor per cell, så jag ser inte hur det kan vara dyrt. En smart BMS väljer att shunta med ganska låg ström under en längre tid. Jag har sett BMS:er som shuntar 5 ampere! Tänk dig 100 celler i serie och en cell har lite för lite laddning. Då ska 99 celler shuntas med 5A och 3.5 volt. Det blir > 1700 watt effekt som ska kylas bort. Helt onödigt. Shuntströmmen behöver inte vara högre än 300 mA för en 100 Ah cell.

[Fagge]

mrfrenzy: Nätdelen i IMAX exemplet får du ju inte räkna bort.

Ett annat alternativ är en kombination.
Där man först laddar alla celler i serie via en högeffekts laddare, ända tills en cell nått sin max spänning.
Därefter kopplar man bort huvudladdaren & ansluter en mindre en-cells laddare som fyller upp resterande celler en i taget. Switchningen mellan cellerna får man ju då göra via ett relä per cell.

Laddningen behöver faktiskt inte ta längre tid än via en traditionell shunt ballanserare, eftersom laddströmmen kan hållas uppe till mycket högre nivåer än vad man i normala fall shuntar bort.

[mrfrenzy]

Fagge: TS efterfrågade "en liten galvaniskt isolerad DC/DC-omvandlare för varje cell"

Alltså har han redan en nätdel, och det är ju förnuftigt för det vore klumpigt och slösaktigt att ha en nätdel per cell.

[Icecap]

Att göra en laddare som kan ladda ett "valfritt" antal celler är inget större problem, problemet kommer först när man har riktat in sig på fel design från början.

Som Fagge skriver är det en mycket bra lösning att ha en enda strömalstrare som man sedan balancerar mellan. Jag har redan en grundidé till ett sätt som bör kunde fungera mellan 1-10 celler och sannolikt fler.

[LHelge]

Till att börja med finns det färdiga kretsar för aktiv balansering av stackade litiumceller, jag har sett bl a Linear demonstrera sådana, tyvärr är de också konstruerade för ett visst antal celler.

Hur som helst fick jag en idé till ett sådant BMS-system som efterfrågas.

Tanken är att man har en master och ett antal slavmoduler (en per cell)

Master:

• Styr slavmodulerna, bestämmer hur mycket de får ladda, vilken som ska ladda osv.
• Samlar ihop mätningar från celler för att vidarebefordra till resten av systemet (t ex centralnod i elbilen)
• Estimerar SoC
• Accepterar en laddare som laddar hela cellstacken med hög ström
• Genererar AC till slavnoderna lagom spänning med ett par kHz beroende på effektbehov hos slavnoder

Slavnod:

• Transformator, likriktare och glättning från AC-bussen till ca 4,5 V. Med hög frekvens på AC-bussen kan transformatorn göras väldigt liten/billig.
• Liten uC som kan mäta cellspäninng och CC/CV ladda med en liten buck-converter
• Ytterligare lite trafo med filter för att överlagra kommunikation på AC bussen alternativt optoisolerad seriell kommunikation

För att göra det roligare att räkna på så antar vi lite siffror, dessa borde självklart gå att anpassa beroende på tillämpning, jag tänker mig en elbil:
Cellspänning: 2,8-3,6 V
Antal celler: 100 st
Laddare: 18 kW, Max 360 V, 50 A
BMS AC-buss: 250 W, 42 VAC, Max 6 A, 25 kHz (inget piiiiiip vid laddning)
Slavnod laddning: 3,6 W, Max 3,6 V,1 A

Masternod kan generera AC från HVDC oavsett om strömmen kommer från laddaren eller från batteriet, så det går givetvis balansera även då laddaren inte är ansluten.

Vid laddning bestämmer Mastern vilka slavnoder som får ladda eller inte så inte för hög effekt tas från AC-bussen, men om batteriet är dåligt balanserat borde åtminstone de 50 celler med lägst spänning kunna laddas med 1A samtidigt som laddaren krämar in mycket ström på HV-bussen. När första cellen har nått 3,6 V så minskar laddaren DC-strömmen lagom för att försörja AC-bussen och låter slavnoderna toppa upp cellerna till max SoC.

Det här fungerar precis tvärt om mot en vanlig BMS med passiv balansering så det borde bli mycket mindre förluster samtidigt som balanseringen är åtminstone 20 ggr snabbare än en passiv BMS med motsvarande värmeförluster.

Som slutkläm så måste jag ändå påpeka att vartefter celltillverkarna blir bättre och bättre så kommer skillnaden mellan enskilda celler bli mindre och mindre, om 10 år kanske det räcker att balansera några minuter med 5 mA någon gång i månaden, och då är det omöjligt att slå en BMS med passiv balansering i pris.

[LHelge]

Kanske ännu bättre att överlagra kommunikationen på HV-bussen.

[arvidb]

*snip* En smart BMS väljer att shunta med ganska låg ström under en längre tid. Jag har sett BMS:er som shuntar 5 ampere! Tänk dig 100 celler i serie och en cell har lite för lite laddning. Då ska 99 celler shuntas med 5A och 3.5 volt. Det blir > 1700 watt effekt som ska kylas bort. Helt onödigt. Shuntströmmen behöver inte vara högre än 300 mA för en 100 Ah cell.

Hur ser laddalgoritmen ut i ett sådant system? Laddaren laddar med max laddström tills någon av cellerna når maxspänning, laddaren går då över till att ladda med 300 mA tills samtliga celler nått maxspänning (samtidigt som de celler som nått maxspänning shuntar strömmen)?

[jesse]

Nej. Redan när man märker att någon eller några celler börjar dra ifrån med , låt säga 10 mV över de andra, eller om någon enstaka cell ligger 10 mV efter de andra, så börjar man shunta de "höga" cellerna. Detta pågår under hela laddningen. När högsta cellen når en nivå i närheten av max, börjar man succesivt sänka laddströmmen så att spänningen i dem cellen håller sig på sin nivå. Under tiden tar de andra cellerna i kapp. Om det är stor initial obalans kan det hända att man behöver fortsätta ladda med 300-500 mA ett tag efter. Shuntning av celler kan även fortgå en viss tid efter avslutad laddning om man vet att man inte hann balansera upp alla.

[arvidb]

Ok, ja det var ju lite smartare förstås! Man behöver alltså ha noggrann spänningsmätning (9 bitars absolut upplösning för att kunna se skillnader på 10 mV upp till 5 V), och galvaniskt skiljd kommunikation för varje cell.

Det gäller i så fall att hitta en analog referens på i princip 0,1 % (LT1004ID-1.2 verkar okej, 620:-/100 st på digikey), och använda ADC med 10 bitars upplösning?

Intressant, tack för inblicken!

Edit: Jag tänkte fel med referensen: den har noggrannhet på +/-4 mV, men eftersom referensspänningen är 1,235 V så blir ju totala felet över hela mätområdet >10 mV. LM4030BMF-2.5 blir då den billigaste med 879:-/100 st.

[jesse]

Kolla in LTC6802-1