Teknik penyeimbangan sel Baterai dan cara menggunakannya

Tegangan nominal baterai lithium nominal hanya sekitar 4.2V, tetapi dalam aplikasi seperti kendaraan listrik, produk elektronik portabel, komputer notebook, dan catu daya bergerak, kita memerlukan tegangan yang jauh lebih tinggi daripada tegangan nominal. 

Inilah sebabnya mengapa desainer menghubungkan beberapa baterai secara seri untuk membentuk paket baterai dengan tegangan pengenal yang lebih tinggi. 

Dari artikel kami sebelumnya tentang baterai kendaraan listrik, kita tahu bahwa ketika baterai digabungkan secara seri, nilai tegangan akan meningkat. 

Misalnya, ketika empat baterai lithium 4.2V dihubungkan secara seri, tegangan output efektif dari baterai yang dihasilkan adalah 16.8V.

Tetapi Anda dapat membayangkan menghubungkan beberapa unit secara seri seperti menghubungkan beberapa kuda ke kereta. 

Hanya ketika semua kuda berlari dengan kecepatan yang sama, kereta dapat digerakkan dengan efisiensi maksimum. Di antara keempat kuda itu, jika salah satu berjalan lambat, tiga kuda lainnya juga harus melambat, sehingga mengurangi efisiensi.

Jika salah satu berlari lebih cepat, pada akhirnya akan menarik beban tiga kuda lainnya dan terluka. Demikian pula, ketika empat sel baterai dihubungkan secara seri, nilai tegangan keempat sel baterai harus sama untuk mendapatkan paket baterai yang paling efisien. 

Metode menjaga voltase semua baterai sama disebut penyeimbangan sel. Pada artikel ini, kita akan mempelajari lebih lanjut tentang penyeimbangan baterai dan secara singkat memperkenalkan cara menggunakannya di tingkat perangkat keras dan perangkat lunak.

Mengapa kita membutuhkan keseimbangan sel?

Penyeimbangan sel adalah teknik di mana tingkat tegangan setiap sel individu yang dihubungkan secara seri untuk membentuk paket baterai tetap sama untuk mencapai efisiensi maksimum dari paket baterai. 

Ketika baterai yang berbeda digabungkan untuk membentuk baterai, selalu pastikan bahwa harus memiliki nilai kimia dan tegangan yang sama. 

Tetapi setelah baterai dipasang dan diisi dan dikosongkan, nilai tegangan setiap baterai sering berubah karena berbagai alasan, yang akan kita bahas nanti. 

Perubahan level tegangan ini dapat menyebabkan ketidakseimbangan baterai, yang dapat menyebabkan salah satu masalah berikut:

Pemindahan Panas

Hal terburuk yang bisa terjadi adalah pelarian termal. Seperti yang kita semua tahu, baterai lithium sangat sensitif terhadap pengisian yang berlebihan dan pemakaian yang berlebihan.

Dalam paket baterai empat sel, jika satu baterai 3,5V dan yang lainnya 3,2V, pengisian daya akan mengisi semua baterai bersama-sama karena baterai terhubung secara seri, dan akan mengisi baterai 3,5V di atas tegangan yang disarankan karena baterai lainnya baterai masih perlu diisi.

Degradasi sel

Ketika baterai lithium diisi secara berlebihan atau bahkan sedikit lebih tinggi dari nilai yang disarankan, efisiensi dan masa pakai baterai akan berkurang. 

Misalnya, sedikit peningkatan tegangan pengisian dari 4.2V ke 4.25V akan mengurangi kapasitas baterai hingga 30%. Oleh karena itu, jika keseimbangan baterai tidak akurat, pengisian daya sedikit saja akan mempersingkat masa pakai baterai.

Kemasan tidak lengkap

Seiring bertambahnya usia baterai, beberapa baterai mungkin lebih lemah dari baterai lainnyaa. Sel-sel ini akan menjadi masalah besar karena mengisi dan mengeluarkan lebih cepat dari sel-sel sehat normal. 

Saat menggunakan baterai yang terhubung seri untuk mengisi baterai, meskipun salah satu baterai mencapai tegangan maksimum, proses pengisian harus dihentikan. 

Dengan cara ini, jika dua baterai dalam satu kemasan baterai digunakan selama beberapa minggu, baterai akan terisi lebih cepat, sehingga baterai yang tersisa tidak akan terisi penuh, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Paket penggunaan energi tidak lengkap

Demikian pula, ketika baterai habis, baterai yang lebih lemah akan lebih cepat habis daripada baterai yang sehat, dan akan mencapai tegangan minimum lebih cepat daripada baterai lainnya. 

Seperti yang kita pelajari di artikel BMS, bahkan jika baterai mencapai tegangan minimum, paket data akan terputus dari beban. Ini menghasilkan kapasitas paket energi yang tidak terpakai seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Dengan mempertimbangkan semua kemungkinan kekurangan yang disebutkan di atas, kita dapat menyimpulkan bahwa untuk memanfaatkan sepenuhnya baterai dengan efisiensi tertinggi, penyeimbangan sel harus dilakukan. 

Masih ada beberapa aplikasi di mana biaya awalnya harus sangat rendah, dan penggantian baterai tidak menjadi masalah dalam jenis aplikasi penyeimbangan baterai ini dan dapat dihindari. 

Namun, di sebagian besar aplikasi, termasuk kendaraan listrik, penyeimbangan baterai wajib dilakukan untuk mendapatkan daya maksimum dari baterai.

Apa yang menyebabkan sel-sel yang tidak seimbang dalam kemasan baterai?

Sekarang kita tahu mengapa penting untuk menjaga keseimbangan semua sel dalam baterai. 

Tetapi untuk mengatasi masalah ini dengan benar, kita harus tahu mengapa baterai menjadi tidak seimbang. 

Seperti disebutkan sebelumnya, ketika baterai dibentuk dengan menghubungkan baterai secara seri, dapat dipastikan bahwa semua baterai berada pada level tegangan yang sama.

Jadi paket baterai baru selalu memiliki sel yang seimbang. Tetapi ketika paket mulai digunakan, baterai akan menjadi tidak seimbang karena alasan berikut.

Ketidakseimbangan SOC

Mengukur SOC baterai itu rumit; oleh karena itu, mengukur SOC satu sel dalam baterai sangat rumit. Teknologi penyeimbangan sel yang ideal harus sesuai dengan baterai dari SOC yang sama, bukan level tegangan (OCV) yang sama. Namun, karena hampir tidak mungkin untuk mencocokkan baterai hanya dalam hal voltase saat membangun paket, perubahan SOC akan menyebabkan OCV berubah seiring waktu.

Perubahan resistansi internal

Sulit untuk menemukan baterai dengan resistansi internal (IR) yang sama, dan seiring bertambahnya usia baterai, IR baterai juga akan berubah, jadi tidak semua baterai dalam kemasan baterai memiliki IR yang sama.

Seperti yang kita semua tahu, IR berkontribusi pada impedansi internal baterai, dan menentukan arus yang mengalir melalui baterai. Saat IR berubah, arus yang melalui baterai dan tegangannya juga berubah.

Kapasitas pengisian dan pengosongan baterai juga tergantung pada suhu di sekitarnya. Dalam kemasan baterai besar seperti kendaraan listrik atau susunan sel surya, baterai didistribusikan di area limbah, dan mungkin ada perbedaan suhu antara kemasan baterai, yang menyebabkan satu baterai diisi atau dikosongkan lebih cepat daripada yang lain, yang mengakibatkan ketidakseimbangan.

Singkatnya, jelas bahwa kita tidak dapat mencegah baterai menjadi tidak seimbang selama pengoperasian. Oleh karena itu, satu-satunya solusi adalah dengan menggunakan sistem eksternal yang akan memaksa sel untuk menyeimbangkan kembali setelah menjadi tidak seimbang. 

Sistem ini disebut sistem keseimbangan sel. Ada berbagai jenis teknik perangkat keras dan perangkat lunak untuk penyeimbangan sel baterai. Mari kita bahas jenis dan teknik yang banyak digunakan.

Jenis keseimbangan sel

Teknologi penyeimbangan sel secara kasar dapat dibagi menjadi empat kategori berikut, seperti yang tercantum di bawah ini. Kami akan membahas masing-masing kategori.

• Penyeimbangan sel pasif
• Penyeimbangan sel aktif
• Saldo unit tanpa rugi
• Pesawat ulang-alik redoks

1. Penyeimbangan sel pasif

Metode penyeimbangan sel pasif adalah metode yang paling sederhana. Ini dapat digunakan di mana biaya dan ukuran merupakan faktor pembatas utama. Berikut ini adalah dua jenis penyeimbangan baterai pasif.

Biaya shunting

Dalam metode ini, beban dummy (seperti resistor) digunakan untuk melepaskan tegangan lebih dan menyeimbangkannya dengan baterai lain. 

Resistor ini disebut resistor bypass atau resistor pemeras. Setiap baterai yang terhubung secara seri dalam paket memiliki resistor bypass sendiri, yang dihubungkan melalui sakelar, seperti yang ditunjukkan di bawah ini.

Contoh rangkaian di atas menunjukkan empat sel yang masing-masing terhubung ke dua resistor shunt melalui sakelar seperti MOSFET. 

Kontroler mengukur tegangan keempat sel dan mengaktifkan MOSFET untuk sel yang tegangannya lebih tinggi dari sel lainnya. 

MOSFET menyala, beberapa sel mulai melewati resistansi. Karena kita mengetahui nilai resistansi, kita dapat memprediksi berapa banyak muatan yang dihamburkan oleh sel. 

Kapasitor yang dihubungkan secara paralel dengan sel digunakan untuk menyaring puncak tegangan selama pensaklaran 

Metode ini sangat tidak efisien karena energi listrik dihamburkan sebagai panas di dalam resistor dan rangkaian juga memperhitungkan rugi-rugi pensaklaran. 

Kerugian lain adalah bahwa semua arus luahan mengalir melalui MOSFET yang sebagian besar dibangun ke dalam IC pengontrol dan oleh karena itu arus luahan harus dibatasi pada nilai rendah yang meningkatkan suhu. untuk meningkatkan arus debit, seperti yang ditunjukkan di bawah ini:

MOSFET saluran-P internal akan dipicu oleh pengontrol yang menyebabkan sel melepaskan (bias I) melalui resistor R1 dan R2. 

Nilai R2 dipilih agar jatuh tegangan pada terminal-terminalnya akibat aliran arus luahan (bias I) cukup untuk mengaktifkan MOSFET saluran-N kedua. 

Tegangan ini disebut tegangan sumber gerbang ( Vgs) dan arus yang dibutuhkan untuk bias MOSFET disebut arus bias (Ibias). 

Setelah N-channel MOSFET dihidupkan, arus mengalir melalui resistor penyeimbang Rbal. Nilai resistor ini bisa rendah sehingga lebih banyak arus yang mengalir melaluinya dan oleh karena itu konsumsi baterai lebih cepat. 

Arus ini disebut arus drain. Dalam rangkaian ini, arus luahan total adalah jumlah dari arus drain dan arus bias. 

Saluran P dinonaktifkan oleh pengontrol, arus bias adalah nol dan oleh karena itu juga tegangan Vgs menjadi nol. Ini menonaktifkan N-channel MOSFET sehingga baterai menjadi ideal kembali. 

IC penyeimbang sel pasif

Meskipun teknik penyeimbangan pasif tidak efisien, teknik ini lebih umum digunakan karena kesederhanaan dan biayanya yang rendah. 

Alih-alih merancang perangkat keras, beberapa sirkuit terpadu yang tersedia seperti LTC6804 dan BQ77PL900 dari produsen terkenal seperti Linear dan Texas juga dapat menjadi Instrumen Sirkuit terpadu ini dapat mengalir untuk memantau banyak sel dan menghemat waktu dan biaya pengembangan. 

Batasan beban 

Metode pembatasan beban adalah metode yang paling tidak efisien. Di sini, hanya keselamatan dan masa pakai baterai yang diperhitungkan, mengabaikan efisiensi. Dalam metode ini, tegangan sel individu terus dipantau. 

Selama proses pengisian, bahkan jika satu sel mencapai tegangan pengisian maksimum, pengisian dihentikan dan sel lainnya menjadi dua. 

Demikian juga selama pengosongan, bahkan jika sel mencapai pemutusan tegangan minimum, paket baterai terputus dari beban sampai baterai diisi ulang. 

Meskipun metode ini tidak efisien, metode ini mengurangi biaya dan persyaratan ukuran cetak.Oleh karena itu digunakan dalam aplikasi di mana baterai dapat sering diisi.

2. Active Cell Balancing 

Pada passive cell balancing tidak digunakan kelebihan beban, sehingga dianggap tidak efisien, sedangkan pada active balancing, kelebihan beban dari satu sel dipindahkan ke sel lain dengan beban kecil untuk menyamakannya. 

Hal ini dicapai dengan menggunakan elemen penyimpan muatan seperti kapasitor dan induktor. Ada banyak metode penyeimbangan sel aktif yang paling sering kita bahas. 

Transfer muatan (kapasitor terbang) 

Metode ini menggunakan kapasitor untuk mentransfer muatan dari sel tegangan tinggi Sel tegangan rendah Kapasitor dihubungkan melalui sakelar SPDT 

awalnya menghubungkan kapasitor ke sel tegangan tinggi dan setelah kapasitor diisi daya, sakelar menghubungkannya ke sel tegangan rendah di mana muatan kapasitor bersirkulasi di dalam sel. 

Karena muatan bergantian antar sel, metode ini disebut transportasi muatan. Gambar di bawah ini akan membantu Anda lebih memahami.

Kapasitor ini disebut kapasitor terbang karena arus listriknya terbang di antara sel tegangan rendah dan tegangan tinggi yang membawa pengisi daya. 

Kelemahan dari metode ini adalah bahwa muatan hanya dapat ditransfer antara sel yang berdekatan. Ini juga membutuhkan waktu lebih lama bagi kapasitor untuk diisi dan kemudian dibuang untuk mentransfer muatan. 

Hal ini juga sangat tidak efisien karena akan terjadi rugi-rugi energi selama pengisian dan pengosongan kapasitor dan rugi-rugi pensaklaran juga harus diperhitungkan. 

Gambar di bawah menunjukkan bagaimana kapasitor terbang akan dihubungkan dalam baterai 

Konverter induktif (metode Buck Boost) 

Metode lain untuk menyeimbangkan sel aktif adalah dengan menggunakan induktor dan rangkaian switching. 

Dalam metode ini, rangkaian switching terdiri dari konverter buck boost. Tegangan tinggi dipompa melalui induktor dan kemudian dibuang ke sel tegangan Menggunakan Konverter Buck Boost 

Gambar berikut menunjukkan konverter induktif dengan hanya dua sel dan konverter Buck Boost tunggal.Pada rangkaian di atas, beban dapat dipindahkan dari sel 1 ke sel 2 dengan mengganti MOSFET sw1 dan sw2 sebagai berikut. 

Sebelum menutup sakelar SW1, beban akan mengalir dari sel 1 ke induktor dengan arus beban. Induktor terisi penuh, sakelar SW1 terbuka dan sakelar sw2 tertutup. 

Sekarang induktor yang terisi penuh akan membalikkan polaritasnya dan mulai melepaskan. 

Kali ini muatan induktor mengalir ke sel 2 dengan arus pelepasan I. Setelah induktor terisi penuh habis, sakelar sw2 terbuka dan sakelar sw1 tertutup untuk mengulangi prosesnya. Bentuk gelombang di bawah ini akan membantu Anda mendapatkan gambaran yang jelas.

Selama waktu t0, sakelar sw1 ditutup (on) yang meningkatkan arus beban I dan tegangan pada terminal induktor (VL). melepaskan muatan yang terakumulasi pada langkah sebelumnya. 

Ketika sebuah induktor melepaskannya, ia mengubah polaritas akibatnya tegangan VL ditampilkan secara negatif. Semua arus itu masuk ke sel dua untuk mengisinya. 

Interval mini diperbolehkan berdasarkan momen t2 sampai t3, kemudian di t3 semua siklus diulangi lagi. 

Metode ini juga memiliki kelemahan utama yaitu beban hanya dapat dipindahkan dari sel yang lebih tinggi ke sel yang lebih rendah. 

Rugi-rugi switching dan penurunan tegangan dioda juga harus diperhitungkan, namun lebih cepat dan lebih efisien daripada metode kapasitor. 

Konverter induktif (berbasis flyback) 

Seperti yang telah kita lihat, metode buck boost konverter hanya dapat mentransfer muatan dari sel atas ke sel bawah.

Masalah ini dapat dihindari dengan menggunakan konverter dan transformator flyback. 

Pada konverter tipe flyback, sisi primer belitan terhubung ke baterai dan sisi sekunder terhubung ke masing-masing sel tergantung pada baterai seperti yang ditunjukkan di bawah ini. 

ketahuilah bahwa baterai beroperasi pada arus searah dan transformator tidak akan berpengaruh sampai tegangan diubah. Kemudian untuk memulai proses pengisian, saklar pada sisi koil utama Sp dihidupkan. 

Ini memperbaharui arus searah dalam bentuk arus searah yang berdenyut dan sisi utama transformator diaktifkan. 

Sekarang di sisi sekunder setiap sel memiliki sakelar dan koilnya sendiri Dengan mengubah MOSFET Pada sel tegangan rendah kita dapat membuat koil langsung yang bertindak sebagai sekunder untuk transformator. 

Dengan cara ini, beban dari kumparan primer dipindahkan ke kumparan sekunder. 

Hal ini membuat aliran tegangan baterai begitu holistik. 

Keuntungan terbesar dari metode ini adalah setiap sel lengket pada kemasan dapat dengan mudah diisi ulang berdasarkan tegangan kemasan dan bukan sel langsung yang dilepaskan.

Namun, karena ini adalah transformator, ia memakan banyak ruang dan kompleksitas sirkuitnya tinggi.

3. Penyeimbangan Tanpa rugi

Penyeimbangan tanpa rugi adalah metode yang baru dikembangkan yang mengurangi kerugian dengan mengurangi komponen perangkat keras dan meningkatkan menempatkan lebih banyak kontrol perangkat lunak pada tempatnya. 

Sistem ini lebih sederhana dan lebih mudah dirancang. 

Metode ini menggunakan rangkaian switching matriks yang dapat menambah atau menghapus sel per paket selama pengisian dan pengosongan. Rangkaian switching matriks sederhana ditunjukkan di bawah ini. untuk delapan sel.

Selama proses pengisian, sel tegangan tinggi akan dikeluarkan dari paket menggunakan pengaturan sakelar. 

Pada gambar di atas, sel 5 dikeluarkan dari kemasan menggunakan sakelar. Pikirkan lingkaran merah sebagai saklar terbuka dan lingkaran biru sebagai saklar tertutup. 

Peningkatan yang lebih kecil selama proses pengisian untuk menyeimbangkannya selama pengisian. 

Tetapi tegangan pengisian perlu disesuaikan. Teknik yang sama juga dapat diikuti saat pemakaian. 

4. Redox Shuttle 

Metode terakhir bukan untuk perancang perangkat keras tetapi untuk insinyur kimia. Dalam baterai asam timbal kita tidak memiliki masalah untuk menyeimbangkan sel karena ketika baterai asam timbal diisi secara berlebihan, hal itu menyebabkan gas yang mencegahnya dari pengisian yang berlebihan. 

Ide di balik pesawat ulang-alik redoks adalah untuk mencoba mencapai efek yang sama pada baterai lithium dengan mengubah kimia elektrolit baterai lithium.

Dalam metode ini, SOC sel diseimbangkan. Seperti yang sudah kita ketahui, mengukur SOC sel adalah tugas yang kompleks karena kita harus memperhitungkan nilai tegangan dan arus sel selama periode waktu tertentu. untuk menghitung nilai SOC. 

Algoritma ini rumit dan digunakan di tempat-tempat di mana efisiensi dan keamanannya tinggi. diperlukan seperti dalam industri kedirgantaraan dan kedirgantaraan. 

Ini menyimpulkan artikel di sini. Semoga Anda sekarang memiliki gambaran singkat tentang apa itu penyeimbangan sel, bagaimana penerapannya di tingkat perangkat keras dan perangkat lunak. Jika Anda memiliki ide atau teknik, silakan bagikan di bagian komentar atau gunakan forum untuk dukungan teknis.

Aji Fitriyan Hidayat

Skill Comes From Within Yourself, Not Other Or Family, So Be Enthusiastic For Yourself.

Bagikan Artikel ini