Περίληψη
Στον τομέα των ηλεκτρικών οχημάτων, η απόδοση των συστημάτων διαχείρισης μπαταριών (BMS) και η αποτελεσματική διάρκεια ζωής των μπαταριών αποτελούν βασικά ζητήματα. Για να βελτιώσετε τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας, είναι απαραίτητο να εξισορροπείτε περιοδικά τις μπαταρίες. Παραδοσιακά, η εξισορρόπηση των μπαταριών βασίζεται κυρίως στην τεχνολογία παθητικής εξισορρόπησης, η οποία μετατρέπει την περίσσεια ενέργειας σε θερμική ενέργεια για την επίτευξη ισορροπίας μεταξύ των μπαταριών. Ωστόσο, αυτή η μέθοδος όχι μόνο προκαλεί προβλήματα διαχείρισης θερμότητας, αλλά μειώνει επίσης τη συνολική απόδοση της μπαταρίας.
Αυτό το άρθρο προτείνει μια καινοτόμο στρατηγική ενεργητικής εξισορρόπησης που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο φίλτρου Kalman για τη βελτιστοποίηση της απόδοσης του BMS, αντιμετωπίζοντας αποτελεσματικά τις ελλείψεις της τεχνολογίας παθητικής εξισορρόπησης. Ο βασικός στόχος είναι η κατασκευή ενός συστήματος που θα μπορεί να διαχειρίζεται ομοιόμορφα τη φόρτιση και την αποφόρτιση της μπαταρίας, επεκτείνοντας έτσι τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Το σύστημα έχει σχεδιάσει ένα ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης που χρησιμοποιεί τον αλγόριθμο φίλτρου Kalman για να εκτιμήσει με ακρίβεια την κατάσταση κάθε μπαταρίας και να υπολογίσει το βέλτιστο ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης βάσει αυτού, προκειμένου να επιτευχθεί αποτελεσματική εξισορρόπηση μεταξύ των μπαταριών.
Ερευνητικό υπόβαθρο, σχέδιο και αποτελέσματα
1. Ερευνητικό υπόβαθρο και κίνητρα
Το υπόβαθρο ανάπτυξης των ηλεκτρικών οχημάτων και η σημασία των συστημάτων διαχείρισης μπαταριών: Η παγκόσμια προσοχή στην περιβαλλοντική ρύπανση και τις αυξήσεις των τιμών των καυσίμων που προκαλούνται από τις εκπομπές καυσαερίων των αυτοκινήτων υπογραμμίζει την αναγκαιότητα ανάπτυξης ηλεκτρικών οχημάτων. Η καινοτομία των Συστημάτων Διαχείρισης Μπαταριών (BMS) έχει καταστήσει τα ηλεκτρικά οχήματα ισχυρό υποψήφιο για μελλοντική μεταφορά, αλλά το BMS έχει ακόμα πολλούς τομείς για βελτίωση για τη βελτίωση της απόδοσης και της αξιοπιστίας.
Βασικά στοιχεία και προκλήσεις του συστήματος διαχείρισης μπαταριών
Η σημασία της εκτίμησης SOC και SOH: Η ακριβής εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης (SOC) και της κατάστασης υγείας (SOH) μιας μπαταρίας είναι ζωτικής σημασίας για την αξιόπιστη και αποτελεσματική λειτουργία του BMS. Το SOC μετρά τη διαθέσιμη χωρητικότητα μιας μπαταρίας σε σχέση με την πλήρως φορτισμένη της κατάσταση, ενώ το SOH υποδεικνύει τον βαθμό γήρανσης της μπαταρίας, αντανακλώντας τη διαφορά στη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας μεταξύ της τρέχουσας κατάστασης πλήρως φόρτισης και της κατάστασης κατασκευής.
Απαιτήσεις πρόκλησης και εξισορρόπησης στη σχεδίαση πακέτων μπαταριών: Ο σχεδιασμός μιας ασφαλούς και ενεργειακά αποδοτικής μπαταρίας είναι εξαιρετικά δύσκολη, καθώς απαιτεί εκατοντάδες volt συνεχούς ρεύματος και εκατοντάδες κιλοβάτ ισχύος, που αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μπαταριών σε σειρά και παράλληλα. Ωστόσο, λόγω κατασκευαστικών ελαττωμάτων και γήρανσης, οι παράμετροι της μπαταρίας δεν ταιριάζουν, γεγονός που μειώνει την αποτελεσματική χωρητικότητα της μπαταρίας. Επομένως, χρειάζονται BMS και κυκλώματα εξωτερικής εξισορρόπησης για την πλήρη αξιοποίηση της ενέργειας κάθε μπαταρίας. Τα κυκλώματα εξισορρόπησης μπαταριών χωρίζονται σε παθητική και ενεργητική εξισορρόπηση. Η παθητική εξισορρόπηση μετατρέπει την ενέργεια της μπαταρίας σε θερμική ενέργεια μέσω αντιστάσεων διακλάδωσης για την αποφυγή υπερφόρτισης, ενώ η ενεργή εξισορρόπηση χρησιμοποιεί μετατροπείς DC/DC ή άλλες μεθόδους μεταφοράς ισχύος για απευθείας μεταφορά ενέργειας μεταξύ των μπαταριών. Η εφαρμογή ενός ενεργού κυκλώματος εξισορρόπησης μπορεί να βελτιώσει την ασφάλεια, την ανθεκτικότητα, την απόδοση φόρτισης και εκφόρτισης και την αποδοτικότητα χρήσης ενέργειας των πακέτων μπαταριών.
2. Προτείνετε ένα σχέδιο
Συνολική αρχιτεκτονική και αρχή λειτουργίας: Η προτεινόμενη αρχιτεκτονική σχήματος (βλ. Εικόνα 1) περιλαμβάνει εκτίμηση SOC (χρησιμοποιώντας εκτεταμένο αλγόριθμο φίλτρου Kalman), ελεγκτή BMS και ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης. Ο ελεγκτής ανιχνεύει το SOC κάθε μπαταρίας και στέλνει σήματα στο ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης για να μεταφέρει τη φόρτιση από μπαταρίες υψηλής SOC σε μπαταρίες χαμηλής SOC, εξισορροπώντας τελικά τη φόρτιση κάθε μπαταρίας στο πακέτο μπαταριών.
Μέθοδος εκτίμησης SOC
Διαδικασία εκτεταμένου αλγόριθμου φίλτρου Kalman: Η εκτίμηση SOC υιοθετεί τον αλγόριθμο εκτεταμένου φίλτρου Kalman, ο οποίος είναι μια επαναλαμβανόμενη διαδικασία που εξετάζει το θόρυβο και τα σφάλματα στο όργανο και στην εκτίμηση. Αρχικά, προσδιορίστε τα διάφορα χαρακτηριστικά και τις εξαρτήσεις τους της μπαταρίας και χρησιμοποιήστε ένα μοντέλο παραμέτρων για να σχεδιάσετε το ισοδύναμο μοντέλο κυκλώματος της μπαταρίας.
Αναλύοντας το κύκλωμα χρησιμοποιώντας τον νόμο περί τάσης του Kirchhoff (KVL), προκύπτει η εξίσωση της τερματικής τάσης:
Εφαρμογή του τρέχοντος νόμου του Kirchhoff (KCL) για την εξαγωγή της εξίσωσης διακλάδωσης RC, με βάση τη σχέση μεταξύ SOC μπαταρίας και ρεύματος κυκλώματος:
Δημιουργήστε ένα μοντέλο χώρου συνεχούς κατάστασης χρόνου και, στη συνέχεια, μετατρέψτε το σε ένα μοντέλο χώρου κατάστασης διακριτού χρόνου (χρησιμοποιώντας έναν τύπο διακριτοποίησης κλειστής μορφής για την επεξεργασία του πίνακα συσχέτισης και των διανυσμάτων) και τέλος εφαρμόστε τον αλγόριθμο φίλτρου Kalman για εκτίμηση SOC (συμπεριλαμβανομένων εξισώσεων καταστάσεων και εξισώσεις μέτρησης, ο θόρυβος είναι μια ανεξάρτητη διαδικασία μηδενικού μέσου Gaussian, ο υπολογισμός περιλαμβάνει τα βήματα ενημέρωσης χρόνου και ενημέρωσης μέτρησης).
Η αρχή του μετατροπέα ενίσχυσης buck: Ένας μετατροπέας ενίσχυσης buck είναι ένας μετατροπέας DC-DC και η τάση εξόδου μπορεί να είναι χαμηλότερη ή μεγαλύτερη από την τάση εισόδου. Όταν ο διακόπτης είναι ενεργοποιημένος (MOSFET κλειστό, δίοδος απενεργοποιημένη), το πηνίο αποθηκεύει ενέργεια. Όταν ο διακόπτης είναι απενεργοποιημένος (το MOSFET είναι απενεργοποιημένο, η δίοδος είναι ενεργοποιημένη), το πηνίο απελευθερώνει ενέργεια στο φορτίο και η τάση εξόδου αυξάνεται. Ο τρόπος λειτουργίας του χωρίζεται σε δύο καταστάσεις.
Μηχανισμός λειτουργίας του ενεργού κυκλώματος εξισορρόπησης: Στο ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης, ο ελεγκτής αντιλαμβάνεται την ανισορροπία SOC μεταξύ των μπαταριών, καθορίζει την κατεύθυνση μεταφοράς φόρτισης και στέλνει σήματα PWM για τον έλεγχο του διακόπτη. Εάν ο ελεγκτής εντοπίσει ότι η επάνω μπαταρία N χρειάζεται να μεταφέρει ενέργεια στην κάτω μπαταρία N-1, στέλνει ένα σήμα στον διακόπτη S2N. Αφού το πηνίο αποθηκεύσει ενέργεια στη μέγιστη τιμή, ο διακόπτης κλείνει, η τάση του πηνίου αντιστρέφεται και η δίοδος D_N-1 πολώνεται προς τα εμπρός. Η ενέργεια μεταφέρεται στην μπαταρία N-1 μέσω της διόδου και αντίστροφα.
3. Αποτελέσματα προσομοίωσης
Επικύρωση αλγορίθμου εκτίμησης SOC: Στο Matlab, το SOC που εκτιμάται από τον εκτεταμένο αλγόριθμο φίλτρου Kalman είναι συνεπές με την πραγματική καμπύλη SOC με την πάροδο του χρόνου, υποδεικνύοντας ότι ο αλγόριθμος έχει χρησιμοποιηθεί με επιτυχία για την εκτίμηση του SOC της μπαταρίας.
Αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας του κυκλώματος ενεργού εξισορρόπησης: Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο προσομοίωσης Matlab ενός ενεργού κυκλώματος εξισορρόπησης με μετατροπέα ενίσχυσης buck, το αρχικό SOC των άνω και κάτω μπαταριών ορίστηκε σε 23% και 20%, αντίστοιχα. Μετά την προσομοίωση, το τελικό ισορροπημένο SOC των άνω και κάτω μπαταριών ήταν 21,39% και 21,4%, αντίστοιχα, που ήταν κοντά στον αρχικό μέσο όρο SOC και πέτυχαν επιτυχώς εξισορρόπηση φόρτισης. Με την αλλαγή παραμέτρων όπως η τιμή της επαγωγής, ο κύκλος και ο κύκλος λειτουργίας, διαπιστώθηκε ότι υπάρχει μια αντιστάθμιση μεταξύ του χρόνου εξισορρόπησης και του τελικού SOC εξισορρόπησης. Για παράδειγμα, όταν η τιμή της επαγωγής μειώνεται, ο κύκλος αυξάνεται ή ο κύκλος λειτουργίας αλλάζει, ο χρόνος ισορροπίας και το τελικό SOC θα αλλάξουν ανάλογα. Συγκεκριμένα, όσο μικρότερη είναι η τιμή της επαγωγής, όσο μεγαλύτερος είναι ο κύκλος και ο κύκλος λειτουργίας αλλάζει μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος, τόσο μικρότερος είναι ο χρόνος ισορροπίας, αλλά και το τελικό SOC θα επηρεαστεί σε κάποιο βαθμό.
| L (επαγωγή) στο H | Χρόνος που απαιτείται για την ισορροπία σε δευτερόλεπτα | Τελικό SOC (%) |
| 1 | 423 | 21.45 |
| 0.5 | 228 | 21.4 |
| 0.1 | 80 | 21.02 |
| 0.01 | 39 | 20.16 |
| 0.001 | 34 | 21.5 |
| Περίοδος (ες) | Χρόνος που απαιτείται για την ισορροπία σε δευτερόλεπτα | Τελικό SOC (%) |
| 1 | 329 | 21.44 |
| 1.5 | 228 | 21.4 |
| 2 | 187 | 21.36 |
| 2.5 | 143 | 21.34 |
| κύκλος εργασίας (%) | Χρόνος που απαιτείται για την ισορροπία σε δευτερόλεπτα | Τελικό SOC(%) |
| 30 | 594 | 21.45 |
| 40 | 340 | 21.43 |
| 50 | 228 | 21.4 |
| 60 | 72 | 21.2 |
| 70 | 51 | 20.93 |
Περίληψη
Έρευνα σχετικά με την τεχνολογία ενεργού εξισορρόπησης: Αυτό το άρθρο εστιάζει στην τεχνολογία ενεργής εξισορρόπησης της ισορροπίας επιπέδου φόρτισης μιας μπαταρίας σε πακέτα μπαταριών. Κατά την ολοκλήρωση του έργου σχεδιάστηκε ένα ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης και πραγματοποιήθηκε προσομοίωση κυκλώματος για να ληφθούν τα αναμενόμενα αποτελέσματα.
Επιλογή μεθόδων εκτίμησης SOC: Μελετήθηκαν μέθοδοι εκτίμησης SOC πολλαπλών μονάδων μπαταρίας και τελικά υιοθετήθηκε η μέθοδος εκτεταμένου φίλτρου Kalman λόγω της ακρίβειας της στην εκτίμηση μη γραμμικών παραμέτρων.
Επαλήθευση έρευνας: Συνολικά, το έργο έχει αποδείξει με επιτυχία την αποτελεσματικότητα της ενεργητικής εξισορρόπησης στη βελτίωση της απόδοσης της μπαταρίας και στη μείωση των κινδύνων για την ασφάλεια. Μέσω της προσομοίωσης, το ενεργό κύκλωμα εξισορρόπησης μπορεί να επιτύχει μια κατάσταση ισορροπίας κοντά στο μέσο SOC για μπαταρίες με διαφορετικό αρχικό SOC, υποδεικνύοντας ότι μπορεί να βελτιώσει αποτελεσματικά την απόδοση της μπαταρίας και να μειώσει τους κινδύνους ασφαλείας που μπορεί να προκληθούν από την ανισορροπία της μπαταρίας.
Η σημασία της εξέτασης συγκεκριμένων απαιτήσεων: Η μελέτη υπογραμμίζει επίσης την ανάγκη να εξετάζονται προσεκτικά οι ειδικές απαιτήσεις των συστημάτων και εφαρμογών μπαταριών κατά τον προσδιορισμό του καταλληλότερου συστήματος ενεργού εξισορρόπησης. Διαφορετικά συστήματα μπαταριών (όπως πακέτα μπαταριών που αποτελούνται από διαφορετικούς τύπους μπαταριών και απαιτήσεις χρήσης μπαταριών σε διαφορετικά σενάρια εφαρμογών) ενδέχεται να έχουν διαφορετικές απαιτήσεις για ενεργά συστήματα εξισορρόπησης, όπως διαφορετική έμφαση στην ταχύτητα εξισορρόπησης, την ακρίβεια εξισορρόπησης, την απώλεια ενέργειας κ.λπ. Το καταλληλότερο σύστημα ενεργού εξισορρόπησης πρέπει να επιλεγεί σύμφωνα με την πραγματική κατάσταση για να επιτευχθεί η βέλτιστη απόδοση και ασφάλεια.