Εξισορρόπηση συσσωρευτή (μπαταρίας)

Η εξισορρόπηση συσσωρευτή (μπαταρίας) (αγγλ: battery balancing) και η αναδιανομή συσσωρευτή (αγγλ: battery redistribution) αναφέρονται σε τεχνικές που βελτιώνουν τη διαθέσιμη χωρητικότητα μιας μπαταρίας αποτελούμενης από πολλά κελιά (συστοιχία κελιών), συνήθως εν σειρά και αυξάνουν τη διάρκεια της μπαταρίας μέχρι την αποφόρτιση. Ένας εξισορροπιστής (αγγλ.: balancer) συσσωρευτή ή ένας σταθεροποιητής (αγγλ. regulator) συσσωρευτή είναι μια ηλεκτρική συσκευή σε μια συστοιχία κελιών που πραγματοποιεί εξισορρόπηση. Οι εξισορροπιστές βρίσκονται συχνά σε συστοιχίες κελιών ιόντων λιθίου σε λάπτοπ, ηλεκτρικά οχήματα κ.λπ.

Αρχές 
Συνήθως, τα εκάστοτε κελιά σε μια μπαταρία έχουν μεταξύ τους διαφορετικές χωρητικότητες και μπορεί να βρίσκονται σε διαφορετικά επίπεδα κατάστασης φόρτισης (αγγλ. state of charge, SOC). Αυτό συμβαίνει εξαιτίας μεταβολών στην κατασκευή και τη συναρμολόγηση (π.χ. όταν κελιά από μια παραγωγή χρησιμοποιούνται μαζί με κελιά άλλης παραγωγής) και εξαιτίας διαφορετικού "ιστορικού" των κελιών σε μια συστοιχία (π.χ. φόρτιση, αποφόρτιση, έκθεση σε θερμότητα κ.λπ.). Γι' αυτούς τους λόγους, τα κελιά θα διαφέρουν σε ένα βαθμό μεταξύ τους. Κάθε ηλεκτρικό κύκλωμα εξισορροπηστή, λοιπόν, θα πρέπει να μειώνει την επίδραση αυτών των διαφορών για να μεγιστοποιήσει τη διάρκεια ζωής και λειτουργίας της εκάστοτε συστοιχίας. Χωρίς μια κατάλληλη και αποτελεσματική εξισορρόπηση, η αποφόρτιση κατά τη διάρκεια της λειτουργίας θα πρέπει να σταματήσει όταν ένα οποιοδήποτε κελί αποφορτίζεται (ακόμα κι αν τα άλλα δεν έχουν αποφορτιστεί), οπότε και περιορίζεται η ενέργεια που μπορεί να απομαστευθεί αλλά και να επιστραφεί στη συστοιχία. 

Χωρίς εξισορρόπηση, το ηλεκτροχημικό στοιχείο (κελί) με τη μικρότερη χωρητικότητα θα αποτελεί πρόβλημα και μάλιστα δυνητικά σοβαρό. Θα μπορεί εύκολα να υπερφορτιστεί ή να υπερ-αποφορτιστεί ενόσω κελιά υψηλότερων χωρητικοτήτων είναι μόνο μερικώς φορτισμένα. Ένα κύκλωμα εξισορρόπησης θα πρέπει να κάνει τέτοιους χειρισμούς ώστε τα κελιά υψηλότερης χωρητικότητας να φορτίζονται/αποφορτίζονται πλήρως, ενώ τα μικρότερης χωρητικότητας κελιά να φορτίζονται/αποφορτίζονται κι αυτά καταλλήλως. Σε μια ορθά εξισορροπημένη συστοιχία, τα κελιά μεγαλύτερης χωρητικότητας θα γεμίζουν και θα αδειάζουν χωρίς να υπερφορτίζονται και να υπερ-αποφορτίζονται αντίστοιχα τα άλλα πιο αδύναμα κελιά. Η εξισορρόπηση μπαταρίας επιτυγχάνεται μεταφέροντας ενέργεια από ή προς το εκάστοτε κελί, μέχρι η κατάσταση φόρτισης (SOC) του κελιού με τη μικρότερη χωρητικότητα να είναι ίσο με την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας 

H αναδιανομή συσσωρευτή (αγγλ: battery redistribution) διαχωρίζεται κάποιες φορές από την εξισορρόπηση συσσωρευτή, με το δεύτερο όρο να εννοεί ότι σταματάμε το ταίριασμα των καταστάσεων φόρτισης (SOC) των κελιών μέχρι ενός σημείου (συνήθως το 100% SOC), οπότε η χωρητικότητα της μπαταρίας περιορίζεται μόνο από τη χωρητικότητα του πιο αδύναμου κελιού. Η τελευταία έννοια κατηγοροποιείται επίσης και ως παθητική εξισορρόπηση (passive balancing). 

Ένας πλήρες σύστημα διαχείρισης μπαταρίας (Battery Management System, BMS) μπορεί να περιλαμβάνει ενεργητική εξισορρόπηση καθώς επίσης και παρακολούθηση της θερμοκρασίας, της φόρτισης και άλλες χαρακτηριστικά για τη μεγιστοποίηση της ζωής μιας συστοιχίας συσσωρευτών.

Οι επαναφορτιζόμενες μπαταρίες ιόντων λιθίου είναι μάλλον από τις πιο ευαίσθητες σε υπερφόρτιση, υπερθέρμανση, ακατάλληλα επίπεδα φόρτισης κατά τη διάρκεια της αποθήκευσης και σε άλλες μορφές κακομεταχείρισης, από τα είδη μπαταριών που χρησιμοποιούνται συνήθως. Ο λόγος είναι ότι οι διάφορων τύπων μπαταρίες λιθίου είναι επιρρεπείς σε χημικές βλάβες (π.χ. μοριακή διάσπαση κ.λπ.) μόνο με πολύ μικρές υπερτάσεις (δηλ. μερικών μιλιβόλτ) κατά τη διάρκεια της φόρτισης ή περισσότερο ρεύμα φόρτισης από αυτό που μπορεί να ανεχθεί η εσωτερική χημεία της μπαταρίας στο εκάστοτε σημείο του κύκλου φόρτισης / αποφόρτισης. Η θερμότητα επιταχύνει αυτές τις ανεπιθύμητες, αλλά μέχρι στιγμής αναπόφευκτες, χημικές αντιδράσεις και η υπερθέρμανση κατά τη φόρτιση υπερενισχύει αυτά τα φαινόμενα. 

Η εξισορρόπηση μπορεί να είναι ενεργητική ή παθητική .  Ο όρος ρυθμιστής συσσωρευτή αναφέρεται συνήθως μόνο σε συσκευές που διενεργούν παθητική εξισορρόπηση. 

Στην παθητική εξισορρόπηση, μέρος της ενέργεια από το πιο φορτισμένο στοιχείο αντλείται και διαχέεται ως θερμότητα, συνήθως μέσω αντιστάσεων . 

Στην ενεργητική εξισορρόπηση, η ενέργεια αντλείται από το πιο φορτισμένο κελί και μεταφέρεται στα λιγότερο φορτισμένα κελιά, συνήθως μέσω μετατροπέων με βάση πυκνωτή, επαγωγέα ή εν γένει DC-DC μετατροπέων. 

Η εξισορρόπηση μπαταρίας μπορεί να γίνει χρησιμοποιώντας μετατροπείς DC-DC με καθεμιά από τις παρακάτω 3 τοπολογίες:

 Κελί προς μπαταρία
 Μπαταρία προς κελί
 Αμφίδρομης μεταφορά ενέργειας

Τυπικά, η ισχύς που διαχειρίζεται κάθε DC-DC μετατροπέας είναι λίγες τάξεις μικρότερη από την ισχύ που διαχειρίζεται η συστοιχία ως σύνολο.

Παραπομπές

Μετατροπή ενέργειας