Development of an active battery cell balancing circuit

Abstract

Abstract To further the research regarding battery balancing technology, this project evaluated various battery cell balancing topologies with the aim of identifying an alternative to passive battery cell balancing. Using a modified Pugh matrix, the multiple switched inductor topology was selected for further analysis, due to its high performance in the criteria: Balancing time, efficiency, and low complexity. A circuit implementing the selected topology was designed using MathWorks Simulink, LTspice and KiCad. Simulink was used to simulate on a system level, where ideal components were used to test the operation of the circuit and control system. The LTspice simulation was used for component selection. Building on the simulations, KiCad was then used to design a physical balancing circuit to be evaluated. The tests yielded that the active battery cell balancing circuit was capable of moving charge bidirectionally between two cells. Moreover, the balancing efficiency, at a reference current of 0.68 A, was determined to be 46.9% in simulations and 41.0% in testing.

Sammanfattning För att främja forskningen kring batteribalansningsteknik utvärderade detta projekt olika topologier för battericellsbalansering, i syfte att identifiera ett alternativ till passivbattericellsbalansering. Med hjälp av en modifierad Pugh-matris valdes topologin med flera omkopplade induktorer för vidare analys, tack vare dess höga prestanda inom kriterierna: balanseringstid, verkningsgrad och låg komplexitet. En krets som implementerar den valda topologin designades med hjälp av MathWorks Simulink, LTspice och KiCad. Simulink användes för simulering på systemnivå, där ideala komponenter användes för att testa kretsens och reglersystemets funktion. LTspice-simuleringen användes för komponentval. Utifrån simuleringarna designades därefter en fysisk balanseringskrets i KiCad för utvärdering. Tester visade att den aktiva battericellsbalanseringskretsen kunde förflytta laddning i båda riktningarna mellan två celler. Dessutom fastställdes balanseringseffektiviteten, vid en referensström på 0,68 A, till 46,9 % i simuleringar och 41,0 % i praktiska tester.