Aktivno uravnoteženje baterije: analiza osrednje gonilne sile učinkovitega sistema za upravljanje baterije

Povzetek

Na področju električnih vozil sta ključna dejavnika zmogljivost sistemov za upravljanje baterij (BMS) in učinkovita življenjska doba baterij. Za podaljšanje življenjske dobe baterijskega paketa je potrebno občasno uravnotežiti baterije. Tradicionalno se uravnoteženje baterij v glavnem opira na tehnologijo pasivnega uravnoteženja, ki pretvarja odvečno energijo v toplotno energijo za doseganje ravnovesja med baterijami. Vendar pa ta metoda ne povzroča le težav z upravljanjem toplote, ampak tudi zmanjša splošno učinkovitost baterije.

Ta članek predlaga inovativno strategijo aktivnega uravnoteženja, ki uporablja algoritem Kalmanovega filtra za optimizacijo učinkovitosti BMS in učinkovito odpravlja pomanjkljivosti tehnologije pasivnega uravnoteženja. Glavni cilj je zgraditi sistem, ki lahko enotno upravlja polnjenje in praznjenje baterije, s čimer podaljša življenjsko dobo baterije. Sistem je zasnoval aktivno balansirno vezje, ki uporablja algoritem Kalmanovega filtra za natančno oceno stanja vsake baterije in na podlagi tega izračuna optimalen polnilni in praznilni tok, da bi dosegli učinkovito uravnoteženje med baterijami.

Raziskovalno ozadje, načrt in rezultati

1. Raziskovalno ozadje in motivacija

Razvojno ozadje električnih vozil in pomen sistemov za upravljanje baterij: globalna pozornost do onesnaževanja okolja in zvišanja cen goriva, ki jih povzročajo izpušni plini avtomobilov, poudarja nujnost uvajanja električnih vozil. Inovacija sistemov za upravljanje baterij (BMS) je povzročila, da so električna vozila močni kandidati za transport v prihodnosti, vendar ima BMS še veliko področij za izboljšave za izboljšanje učinkovitosti in zanesljivosti.

Ključni elementi in izzivi sistema upravljanja baterij

Pomen ocene SOC in SOH: Natančna ocena stanja napolnjenosti (SOC) in zdravstvenega stanja (SOH) baterije je ključnega pomena za zanesljivo in učinkovito delovanje BMS. SOC meri razpoložljivo zmogljivost baterije glede na njeno popolnoma napolnjeno stanje, medtem ko SOH označuje stopnjo staranja baterije, ki odraža razliko v zmogljivosti shranjevanja energije med trenutnim popolnoma napolnjenim stanjem in stanjem proizvodnje.

Izziv in zahteve za uravnoteženje pri oblikovanju paketa baterij: Oblikovanje varnega in energetsko učinkovitega paketa baterij je izjemno zahtevno, saj zahteva stotine voltov enosmerne napetosti in stotine kilovatov moči, sestavljeno iz velikega števila zaporedno in vzporedno povezanih baterij. Zaradi proizvodnih napak in staranja pa se parametri baterije ne ujemajo, kar zmanjšuje efektivno kapaciteto baterije. Zato so BMS in zunanja izravnalna vezja potrebna za popolno izrabo energije vsake baterije. Baterijska balansirna vezja delimo na pasivno in aktivno balansiranje. Pasivno uravnoteženje pretvarja energijo akumulatorja v toplotno energijo prek ranžirnih uporov, da prepreči prekomerno polnjenje, medtem ko aktivno uravnoteženje uporablja pretvornike DC/DC ali druge metode prenosa moči za neposreden prenos energije med baterijami. Izvedba aktivnega balansirnega vezja lahko izboljša varnost, vzdržljivost, učinkovitost polnjenja in praznjenja ter učinkovitost izrabe energije baterijskih paketov.

2. Predlagajte načrt

Splošna arhitektura in načelo delovanja: predlagana arhitektura sheme (glej sliko 1) vključuje oceno SOC (z uporabo razširjenega algoritma Kalmanovega filtra), krmilnik BMS in aktivno izravnalno vezje. Krmilnik zazna SOC vsake baterije in pošlje signale aktivnemu balansirnemu vezju za prenos napolnjenosti iz baterij z visokim SOC na baterije z nizkim SOC, kar na koncu uravnoteži napolnjenost vsake baterije v paketu baterij.

Metoda ocenjevanja SOC

Postopek razširjenega algoritma Kalmanovega filtra: ocena SOC sprejme algoritem razširjenega Kalmanovega filtra, ki je ponavljajoč se postopek, ki upošteva šum in napake v instrumentu in oceni. Najprej določite različne atribute in njihove odvisnosti od baterije ter uporabite model z združenimi parametri za oblikovanje modela enakovrednega vezja baterije.

Z analizo vezja z uporabo Kirchhoffovega napetostnega zakona (KVL) izpeljemo napetostno enačbo priključkov:

Uporaba Kirchhoffovega trenutnega zakona (KCL) za izpeljavo enačbe veje RC, ki temelji na razmerju med SOC baterije in tokom tokokroga:

Vzpostavite zvezni časovni model prostora stanja, nato ga pretvorite v model prostora stanja z diskretnim časom (z uporabo diskretizacijske formule zaprte oblike za obdelavo korelacijske matrike in vektorjev) in končno uporabite algoritem Kalmanovega filtra za oceno SOC (vključno z enačbami stanja in merilne enačbe, šum je neodvisen Gaussov proces z ničelno srednjo vrednostjo, izračun vključuje posodobitev časa in korake posodobitve meritev).

Načelo ojačevalnega pretvornika: ojačevalni pretvornik je pretvornik DC-DC in izhodna napetost je lahko nižja ali višja od vhodne napetosti. Ko je stikalo vklopljeno (MOSFET zaprt, dioda izklopljena), induktor shranjuje energijo; Ko je stikalo izklopljeno (MOSFET je izklopljen, dioda je vklopljena), induktor sprosti energijo bremenu in izhodna napetost se poveča. Njegov način delovanja je razdeljen na dve situaciji.

Delovni mehanizem aktivnega balansirnega vezja: V aktivnem balansirnem vezju krmilnik zazna neravnovesje SOC med baterijama, določi smer prenosa naboja in pošlje signale PWM za krmiljenje stikala. Če krmilnik zazna, da mora zgornja baterija N prenesti energijo na spodnjo baterijo N-1, pošlje signal stikalu S2N. Ko induktor shrani energijo na največjo vrednost, se stikalo sklene, napetost induktorja se obrne in dioda D_N-1 je usmerjena naprej. Preko diode se energija prenaša na baterijo N-1 in obratno.

3. Rezultati simulacije

Validacija algoritma za oceno SOC: V Matlabu je SOC, ocenjen z razširjenim algoritmom Kalmanovega filtra, skladen z dejansko krivuljo SOC skozi čas, kar kaže, da je bil algoritem uspešno uporabljen za oceno SOC baterije.

Ocena učinkovitosti aktivnega balansirnega vezja: Z uporabo Matlabovega simulacijskega modela aktivnega balansirnega vezja z zniževalnim pretvornikom je bil začetni SOC zgornje in spodnje baterije nastavljen na 23 % oziroma 20 %. Po simulaciji je bil končni uravnoteženi SOC zgornje in spodnje baterije 21,39 % oziroma 21,4 %, kar je bilo blizu začetnemu povprečnemu SOC in je bilo uspešno doseženo uravnoteženje napolnjenosti. S spreminjanjem parametrov, kot so vrednost induktivnosti, cikel in delovni cikel, je bilo ugotovljeno, da obstaja kompromis med časom uravnoteženja in končnim izravnavanjem SOC. Na primer, ko se vrednost induktivnosti zmanjša, cikel poveča ali se delovni cikel spremeni, se bosta čas uravnoteženja in končni SOC ustrezno spremenila. Natančneje, manjša kot je vrednost induktivnosti, večji kot je cikel in se delovni cikel spreminja v določenem območju, krajši je čas uravnoteženja, vendar bo to do neke mere vplivalo tudi na končni SOC.

Povzetek

Raziskave o tehnologiji aktivnega uravnoteženja: Ta članek se osredotoča na tehnologijo aktivnega uravnoteženja uravnoteženja ravni napolnjenosti baterije v paketih baterij. Med zaključkom projekta je bilo zasnovano aktivno balansirno vezje in izvedena je bila simulacija vezja, da bi dobili pričakovane rezultate.

Izbira metod za ocenjevanje SOC: Preučevali so metode za ocenjevanje SOC za več posameznih baterij in na koncu je bila sprejeta metoda razširjenega Kalmanovega filtra zaradi njene natančnosti pri ocenjevanju nelinearnih parametrov.

Preverjanje raziskave: Na splošno je projekt uspešno dokazal učinkovitost aktivnega uravnoteženja pri izboljšanju delovanja baterije in zmanjševanju varnostnih tveganj. S simulacijo lahko aktivno balansirno vezje doseže stanje ravnovesja, ki je blizu povprečnemu SOC za baterije z različnim začetnim SOC, kar kaže, da lahko učinkovito izboljša delovanje baterije in zmanjša varnostna tveganja, ki jih lahko povzroči neravnovesje baterije.

Pomen upoštevanja posebnih zahtev: študija poudarja tudi potrebo po skrbnem upoštevanju posebnih zahtev baterijskih sistemov in aplikacij pri določanju najprimernejšega sistema aktivnega uravnoteženja. Različni baterijski sistemi (kot so baterijski paketi, sestavljeni iz različnih tipov baterij in zahteve glede uporabe baterij v različnih scenarijih uporabe) imajo lahko različne zahteve za sisteme aktivnega uravnoteženja, kot so različni poudarki na hitrosti uravnoteženja, natančnosti uravnoteženja, izgubi energije itd. Zato glede na dejansko stanje je treba izbrati najprimernejšo shemo aktivnega uravnoteženja, da dosežemo optimalno delovanje in varnost.