પાવર બેટરી સિસ્ટમ ઇક્વલાઇઝેશન મેનેજમેન્ટ
બેટરી પેકમાં વ્યક્તિગત કોષો વચ્ચેની ક્ષમતા અને ઊર્જાના તફાવતોને સંતુલિત કરવા અને બેટરી પેકના ઊર્જા વપરાશ દરમાં સુધારો કરવા માટે, ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન સમાનતા સર્કિટની જરૂર છે. સમાનીકરણ પ્રક્રિયા દરમિયાન સર્કિટ કેવી રીતે ઊર્જાનો વપરાશ કરે છે તેના આધારે, તેને બે મુખ્ય શ્રેણીઓમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: ઉર્જા વિસર્જન પ્રકાર અને ઊર્જા બિન{1}}વિસર્જન પ્રકાર. એનર્જી ડિસીપેશન પ્રકાર વધારાની ઉર્જાને ઉષ્મા તરીકે વિસર્જન કરે છે, જ્યારે એનર્જી નોન-ટાઈપ વધારાની ઉર્જાને અન્ય બેટરીમાં ટ્રાન્સફર અથવા કન્વર્ટ કરે છે.
એનર્જી ડિસીપેશન-પ્રકાર સંતુલન વ્યવસ્થાપન
આકૃતિ 8-12 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, ઊર્જા વિસર્જન-પ્રકારની સમાનતા સર્કિટ વ્યક્તિગત બેટરી કોષોમાં સમાંતર પ્રતિરોધકો દ્વારા ચાર્જિંગ વર્તમાનને શન્ટ કરીને સમાનતા પ્રાપ્ત કરે છે. આ સર્કિટ માળખું સરળ છે, અને સમાનતા પ્રક્રિયા સામાન્ય રીતે ચાર્જિંગ દરમિયાન પૂર્ણ થાય છે. જો કે, તે ઓછી-ક્ષમતા ધરાવતા વ્યક્તિગત કોષોની શક્તિને ફરી ભરી શકતું નથી, જેના પરિણામે ઉર્જાનો બગાડ થાય છે અને થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ પર ભાર વધે છે. એનર્જી ડિસીપેશન-પ્રકારના વિદ્યુત ઉપકરણો સામાન્ય રીતે બે કેટેગરીમાં આવે છે:
ઊર્જા વિસર્જન-પ્રકારના વિદ્યુત ઉપકરણો સામાન્ય રીતે બે કેટેગરીમાં આવે છે: પ્રથમ, સતત શન્ટ રેઝિસ્ટર ઇક્વલાઇઝેશન ચાર્જિંગ સર્કિટ, જ્યાં શન્ટ રેઝિસ્ટર હંમેશા દરેક બેટરી સેલની સમાંતર રીતે જોડાયેલ હોય છે. આ પદ્ધતિ ઉચ્ચ વિશ્વસનીયતા અને વિશાળ શન્ટ રેઝિસ્ટર મૂલ્ય દ્વારા વર્ગીકૃત થયેલ છે, જે નિશ્ચિત શંટ દ્વારા સ્વ-સ્રાવને કારણે વ્યક્તિગત સેલ વોલ્ટેજમાં તફાવત ઘટાડે છે. તેનો ગેરલાભ એ છે કે શન્ટ રેઝિસ્ટર ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ બંને દરમિયાન સતત પાવર વાપરે છે, જેના પરિણામે નોંધપાત્ર ઊર્જાનું નુકસાન થાય છે; તે સામાન્ય રીતે એપ્લીકેશન માટે યોગ્ય છે જ્યાં ઉર્જા તરત ફરી ભરી શકાય છે.
બીજું, એક સ્વિચ-નિયંત્રિત શંટ રેઝિસ્ટર ઇક્વલાઇઝેશન ચાર્જિંગ સર્કિટ, જ્યાં શંટ રેઝિસ્ટરને સ્વીચ દ્વારા નિયંત્રિત કરવામાં આવે છે. ચાર્જિંગ દરમિયાન, જ્યારે વ્યક્તિગત બેટરી વોલ્ટેજ કટઓફ વોલ્ટેજ સુધી પહોંચે છે, ત્યારે સમાનતા ઉપકરણ ઓવરચાર્જિંગને અટકાવે છે અને વધારાની ઊર્જાને ગરમીમાં રૂપાંતરિત કરે છે. આ ઇક્વલાઇઝેશન સર્કિટ ચાર્જિંગ દરમિયાન કાર્ય કરે છે અને ચાર્જિંગ દરમિયાન ઉચ્ચ વોલ્ટેજ ધરાવતા વ્યક્તિગત કોષોમાં વર્તમાનને શન્ટ કરી શકે છે. તેનો ગેરલાભ એ છે કે મર્યાદિત સમાનતા સમયને કારણે, શન્ટ દરમિયાન ઉત્પન્ન થતી ગરમીની મોટી માત્રાને થર્મલ મેનેજમેન્ટ સિસ્ટમ દ્વારા સમયસર રીતે વિખેરી નાખવાની જરૂર છે, જે ખાસ કરીને મોટી ક્ષમતાવાળા બેટરી પેકમાં નોંધનીય છે.
ઉદાહરણ તરીકે, 10Ah બેટરી પેકમાં, 100mV નો વોલ્ટેજ તફાવત 500mAh થી વધુ ક્ષમતાના તફાવતમાં પરિણમી શકે છે. જો સમાનતાનો સમય 2 કલાકનો છે, તો શંટ પ્રવાહ 250mA છે, શંટ પ્રતિકાર આશરે 14Ω છે, અને ઉત્પન્ન થયેલ ગરમી લગભગ 2Wh છે.
નોન-એનર્જી ડિસીપેશન ટાઇપ ઇક્વલાઇઝેશન મેનેજમેન્ટ
બિન-ઊર્જા વિસર્જન સર્કિટ એનર્જી ડિસિપેશન સર્કિટ કરતાં ઘણી ઓછી ઊર્જા વાપરે છે, પરંતુ તેમની સર્કિટનું માળખું પ્રમાણમાં જટિલ છે. તેમને બે પ્રકારમાં વિભાજિત કરી શકાય છે: ઊર્જા રૂપાંતર સમાનતા અને ઊર્જા સ્થાનાંતરણ સમાનતા.
એનર્જી કન્વર્ઝન બેલેન્સિંગ
ઉર્જા રૂપાંતરણ સંતુલન એકંદર બેટરી પેકમાંથી વ્યક્તિગત કોષોની ઊર્જાને ફરી ભરવા અથવા વ્યક્તિગત કોષોની ઊર્જાને એકંદર બેટરી પેકમાં રૂપાંતરિત કરવા માટે સ્વિચિંગ સિગ્નલનો ઉપયોગ કરે છે. આકૃતિ 8-13 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, વ્યક્તિગત સેલ ઊર્જામાંથી એકંદર ઊર્જામાં રૂપાંતર સામાન્ય રીતે બેટરી પેક ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન થાય છે. આ સર્કિટ દરેક વ્યક્તિગત કોષનું વોલ્ટેજ શોધે છે; જ્યારે વ્યક્તિગત કોષનું વોલ્ટેજ ચોક્કસ મૂલ્ય સુધી પહોંચે છે, ત્યારે સંતુલન મોડ્યુલ કામ કરવાનું શરૂ કરે છે. તે ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ ઘટાડવા માટે વ્યક્તિગત કોષમાં ચાર્જિંગ કરંટને ડાયવર્ટ કરે છે, અને ડાયવર્ટ કરાયેલ વર્તમાન મોડ્યુલ દ્વારા રૂપાંતરિત થાય છે અને સંતુલન હાંસલ કરીને ચાર્જિંગ બસમાં પાછું ખવડાવવામાં આવે છે. કેટલીક ઉર્જા રૂપાંતરણ સંતુલન પદ્ધતિઓ વ્યક્તિગત કોષોમાંથી બેટરી પેકમાં ઊર્જા રૂપાંતરણને પૂર્ણ કરવા માટે ફ્રીવ્હીલિંગ ઇન્ડક્ટરનો પણ ઉપયોગ કરી શકે છે.
સમગ્ર બેટરી પેકની ઊર્જાને વ્યક્તિગત કોષોમાં રૂપાંતરિત કરવા માટેનું સર્કિટ આકૃતિ 8-14 માં બતાવવામાં આવ્યું છે. આ પદ્ધતિને પૂરક સંતુલન પણ કહેવામાં આવે છે. ચાર્જિંગ પ્રક્રિયા દરમિયાન, મુખ્ય ચાર્જિંગ મોડ્યુલ પ્રથમ બેટરી પેકને ચાર્જ કરે છે, જ્યારે વોલ્ટેજ શોધ સર્કિટ દરેક વ્યક્તિગત કોષનું નિરીક્ષણ કરે છે. જ્યારે કોઈપણ વ્યક્તિગત સેલનું વોલ્ટેજ ખૂબ વધારે હોય છે, ત્યારે મુખ્ય ચાર્જિંગ સર્કિટ બંધ થઈ જાય છે, અને પછી પૂરક બેલેન્સિંગ ચાર્જિંગ મોડ્યુલ બેટરી પેકને ચાર્જ કરવાનું શરૂ કરે છે. ઑપ્ટિમાઇઝ્ડ ડિઝાઇન દ્વારા, બેલેન્સિંગ મોડ્યુલમાં ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ દરેક વ્યક્તિગત સેલ પર સ્વતંત્ર DC/DC કન્વર્ટર અને કોએક્સિયલ કોઇલ ટ્રાન્સફોર્મર દ્વારા લાગુ કરવામાં આવે છે, જેમાં સમાન ગૌણ વિન્ડિંગ ઉમેરવામાં આવે છે. આ સુનિશ્ચિત કરે છે કે ઉચ્ચ વોલ્ટેજવાળા કોષો સહાયક ચાર્જિંગ સર્કિટમાંથી ઓછી ઊર્જા મેળવે છે, જ્યારે નીચલા વોલ્ટેજવાળા કોષો વધુ ઊર્જા મેળવે છે, આમ સંતુલન હાંસલ કરે છે. આ પદ્ધતિની સમસ્યા એ છે કે ગૌણ વિન્ડિંગની સુસંગતતાને નિયંત્રિત કરવી મુશ્કેલ છે. સમાન વળાંક સાથે પણ, ટ્રાન્સફોર્મર લિકેજ ઇન્ડક્ટન્સ અને સેકન્ડરી વિન્ડિંગ્સ વચ્ચે મ્યુચ્યુઅલ ઇન્ડક્ટન્સને ધ્યાનમાં રાખીને, વ્યક્તિગત કોષો સમાન ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ પ્રાપ્ત કરી શકશે નહીં. તદુપરાંત, કોક્સિયલ કોઇલ પણ કેટલીક ઉર્જા વિસર્જનનો અનુભવ કરે છે, અને આ સંતુલન પદ્ધતિ માત્ર ચાર્જિંગ અસંતુલનને સંબોધિત કરે છે, જે ડિસ્ચાર્જ અવસ્થામાં અસંતુલનને સંબોધવામાં નિષ્ફળ જાય છે.
એનર્જી ટ્રાન્સફર બેલેન્સિંગ
એનર્જી ટ્રાન્સફર બેલેન્સિંગ, આકૃતિ 8-15 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, બેટરી પેકની અંદર ઉચ્ચ-ક્ષમતા ધરાવતા વ્યક્તિગત કોષોમાંથી ઓછી-ક્ષમતા ધરાવતા કોષોમાં ચાર્જ ટ્રાન્સફર કરવા માટે ઇન્ડક્ટર અથવા કેપેસિટર જેવા ઊર્જા સંગ્રહ તત્વોનો ઉપયોગ કરે છે. આ સર્કિટ સંતુલન હાંસલ કરવા માટે ઉચ્ચ-વોલ્ટેજથી નીચા-વોલ્ટેજ કોષોમાં ચાર્જને ખસેડીને, કેપેસિટર્સને સ્વિચ કરીને નજીકના કોષો વચ્ચે ઊર્જાનું પરિવહન કરે છે. વૈકલ્પિક રીતે, ઇન્ડક્ટિવ એનર્જી સ્ટોરેજનો ઉપયોગ કરીને અડીને આવેલા કોષો વચ્ચે દ્વિદિશ ઊર્જા સ્થાનાંતરણ પ્રાપ્ત કરી શકાય છે. આ સર્કિટમાં ખૂબ જ ઓછી ઉર્જાનું નુકસાન થાય છે, પરંતુ સંતુલન દરમિયાન બહુવિધ ટ્રાન્સફરની જરૂર પડે છે, પરિણામે લાંબો સમય સંતુલિત થાય છે અને તે મલ્ટી-સેલ બેટરી પેક માટે અયોગ્ય બને છે. એક સુધારેલ કેપેસિટર-સ્વિચિંગ બેલેન્સિંગ પદ્ધતિ ઉર્જા ટ્રાન્સફર માટે ઉચ્ચતમ-વોલ્ટેજ અને સૌથી ઓછા-વોલ્ટેજના વ્યક્તિગત કોષોને પસંદ કરીને સંતુલન ઝડપ વધારી શકે છે. જો કે, એનર્જી ટ્રાન્સફર બેલેન્સિંગમાં ઊર્જા નિર્ધારણ અને સ્વિચિંગ સર્કિટનું અમલીકરણ પ્રમાણમાં મુશ્કેલ છે.
ઉપરોક્ત સંતુલન પદ્ધતિઓ ઉપરાંત, ચાર્જિંગ એપ્લિકેશન દરમિયાન બેટરી સંતુલન પ્રાપ્ત કરવા માટે ટ્રિકલ ચાર્જિંગનો પણ ઉપયોગ કરી શકાય છે. આ સૌથી સરળ પદ્ધતિ છે અને તેને કોઈ બાહ્ય સહાયક સર્કિટરીની જરૂર નથી. તેમાં નાના પ્રવાહ સાથે કનેક્ટેડ બેટરી પેક-શ્રેણીને સતત ચાર્જ કરવાનો સમાવેશ થાય છે. ચાર્જિંગ કરંટ ખૂબ જ નાનો હોવાને કારણે, ઓવરચાર્જિંગની સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી બેટરી પર ઓછી અસર પડે છે. સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી બેટરી વધુ વિદ્યુત ઉર્જાને રાસાયણિક ઉર્જામાં રૂપાંતરિત કરી શકતી નથી, તેથી વધારાની ઊર્જા ગરમીમાં રૂપાંતરિત થશે. બૅટરી જે પૂર્ણપણે ચાર્જ થતી નથી, તેમ છતાં, જ્યાં સુધી તેઓ પૂર્ણ ચાર્જ ન થાય ત્યાં સુધી વિદ્યુત ઊર્જા પ્રાપ્ત કરવાનું ચાલુ રાખી શકે છે. આ રીતે, પ્રમાણમાં લાંબા સમય પછી, બધી બેટરી સંપૂર્ણ ચાર્જ થઈ જશે, આમ ક્ષમતા સમાનતા પ્રાપ્ત થશે. જો કે, આ પધ્ધતિ માટે ખૂબ જ લાંબો ઇક્વલાઇઝેશન ચાર્જિંગ સમય જરૂરી છે અને સમાનતા હાંસલ કરવા માટે નોંધપાત્ર પ્રમાણમાં ઉર્જા વાપરે છે. તદુપરાંત, આ પદ્ધતિ ડિસ્ચાર્જ સમાનતાના સંચાલનમાં બિનઅસરકારક છે.
એપ્લિકેશનમાં સમસ્યાઓ
હાલના બેટરી બેલેન્સિંગ સોલ્યુશન્સ મુખ્યત્વે બેટરી પેકના વોલ્ટેજ-વોલ્ટેજ-આધારિત બેલેન્સિંગ પદ્ધતિના આધારે બેટરીની ક્ષમતા નક્કી કરે છે. બેટરી પેક સંતુલન હાંસલ કરવા માટે, વોલ્ટેજ શોધમાં ઉચ્ચ સચોટતા અને ચોકસાઇ નિર્ણાયક છે. વોલ્ટેજ ડિટેક્શન સર્કિટમાં લિકેજ કરંટ સીધી બેટરી પેકની સુસંગતતાને અસર કરે છે. તેથી, સર્કિટને સંતુલિત કરવા માટે એક સરળ અને કાર્યક્ષમ વોલ્ટેજ શોધ સર્કિટ ડિઝાઇન કરવી એ એક મુખ્ય પડકાર છે. વધુમાં, વોલ્ટેજ એ બેટરીની ક્ષમતાનું એકમાત્ર માપ નથી. કનેક્શન પદ્ધતિમાં આંતરિક પ્રતિકાર અને સંપર્ક પ્રતિકાર પણ વોલ્ટેજ ભિન્નતાનું કારણ બને છે. તેથી, સંતુલન માટે માત્ર વોલ્ટેજ પર આધાર રાખવાથી વધુ-સંતુલન થઈ શકે છે અને ઉર્જાનો વ્યય થઈ શકે છે. આત્યંતિક કેસોમાં, પ્રારંભિક ક્ષમતા સંતુલન હોવા છતાં, તે બેટરી પેકમાં અસંતુલનનું કારણ બની શકે છે.
એનર્જી ડિસીપેશન સર્કિટ્સ બંધારણમાં સરળ હોય છે, પરંતુ બેલેન્સિંગ રેઝિસ્ટર વર્તમાન શન્ટિંગ દરમિયાન ઊર્જાનો વપરાશ કરે છે અને ગરમી ઉત્પન્ન કરે છે, જેના કારણે થર્મલ મેનેજમેન્ટ સમસ્યાઓ ઊભી થાય છે. કારણ કે તેઓ અનિવાર્યપણે ઊર્જાના વિસર્જન દ્વારા વ્યક્તિગત કોષોમાં અતિશય ઉચ્ચ અથવા નીચા ટર્મિનલ વોલ્ટેજને મર્યાદિત કરે છે, તે માત્ર સ્થિર સંતુલન માટે યોગ્ય છે. તેમનું ઉચ્ચ-તાપમાન વધારો સિસ્ટમની વિશ્વસનીયતા ઘટાડે છે, જે તેમને ગતિશીલ સંતુલન માટે અયોગ્ય બનાવે છે. આ પદ્ધતિ માત્ર નાની અથવા ઓછી-ક્ષમતા ધરાવતા બેટરી પેક માટે જ યોગ્ય છે.
એનર્જી ટ્રાન્સફર સર્કિટ એ બેટરી ક્ષમતા વળતરની એક પદ્ધતિ છે, જ્યાં ઊંચી-ક્ષમતા ધરાવતી બેટરી ઓછી-ક્ષમતાવાળી બેટરીને વળતર આપવા માટે થોડી ઊર્જાનું યોગદાન આપે છે. જ્યારે શક્ય હોય ત્યારે, વાસ્તવિક સર્કિટમાં વ્યક્તિગત કોષોના વોલ્ટેજ મોનિટરિંગની જરૂરિયાતને કારણે આ પદ્ધતિ જટિલ, વિશાળ અને ખર્ચાળ છે. વધુમાં, ઊર્જા સ્થાનાંતરણ ઊર્જા સંગ્રહ માધ્યમ દ્વારા પ્રાપ્ત થાય છે, જે ઊર્જા વપરાશ અને નિયંત્રણ સમસ્યાઓનો પરિચય આપે છે. આ સંતુલન પદ્ધતિનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે મધ્યમથી મોટા બેટરી પેકમાં થાય છે.
બીજી તરફ એનર્જી કન્વર્ઝન સર્કિટ, એનર્જી કન્વર્ઝન હાંસલ કરવા માટે સ્વિચિંગ પાવર સપ્લાયનો ઉપયોગ કરે છે. એનર્જી ટ્રાન્સફર સર્કિટ્સની તુલનામાં, તે નોંધપાત્ર રીતે ઓછા જટિલ અને ઓછા ખર્ચાળ છે. જો કે, કોએક્સિયલ કોઇલ માટે, વિન્ડિંગ્સને દરેક કોષ સાથે જોડતા વાયરની વિવિધ લંબાઈ અને આકાર અલગ-અલગ ટ્રાન્સફોર્મેશન રેશિયોમાં પરિણમે છે, જે દરેક કોષનું અસંગત સંતુલન તરફ દોરી જાય છે અને પરિણામે સંતુલન ભૂલો થાય છે. વધુમાં, ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક લિકેજ અને અન્ય સમસ્યાઓને કારણે કોક્સિયલ કોઇલ પોતે જ ઊર્જા વાપરે છે.
