Aktyvus akumuliatoriaus balansavimas: efektyvios baterijos valdymo sistemos pagrindinės varomosios jėgos analizė

Abstraktus

Elektrinių transporto priemonių srityje pagrindiniai aspektai yra akumuliatorių valdymo sistemų (BMS) veikimas ir efektyvus akumuliatorių naudojimo laikas. Norint pailginti akumuliatoriaus tarnavimo laiką, būtina periodiškai subalansuoti baterijas. Tradiciškai baterijų balansavimas daugiausia remiasi pasyviojo balansavimo technologija, kuri energijos perteklių paverčia šilumine energija, kad būtų pasiektas baterijų balansas. Tačiau šis metodas ne tik sukelia šilumos valdymo problemų, bet ir sumažina bendrą akumuliatoriaus efektyvumą.

Šiame straipsnyje siūloma naujoviška aktyvaus balansavimo strategija, kurioje naudojamas Kalmano filtro algoritmas, siekiant optimizuoti BMS efektyvumą, efektyviai šalinant pasyvaus balansavimo technologijos trūkumus. Pagrindinis tikslas yra sukurti sistemą, kuri galėtų vienodai valdyti akumuliatoriaus įkrovimą ir iškrovimą, taip prailginant akumuliatoriaus tarnavimo laiką. Sistema sukūrė aktyvią balansavimo grandinę, kuri naudoja Kalmano filtro algoritmą, kad tiksliai įvertintų kiekvienos baterijos būseną ir pagal ją apskaičiuotų optimalią įkrovimo ir iškrovimo srovę, kad būtų pasiektas efektyvus balansavimas tarp baterijų.

Tyrimo pagrindas, planas ir rezultatai

1. Tyrimo pagrindas ir motyvacija

Elektromobilių plėtros pagrindas ir baterijų valdymo sistemų svarba: Pasaulinis dėmesys aplinkos taršai ir degalų kainų augimui, kurį sukelia automobilių išmetamųjų dujų emisija, išryškina elektrinių transporto priemonių diegimo būtinybę. Dėl baterijų valdymo sistemų (BMS) naujovės elektromobiliai tapo galingu būsimu transportavimo kandidatu, tačiau BMS vis dar turi daug tobulinimo sričių, kad padidintų efektyvumą ir patikimumą.

Pagrindiniai akumuliatoriaus valdymo sistemos elementai ir iššūkiai

SOC ir SOH įvertinimo svarba: norint patikimai ir efektyviai veikti BMS, labai svarbu tiksliai įvertinti akumuliatoriaus įkrovos būseną (SOC) ir sveikatos būklę (SOH). SOC matuoja turimą akumuliatoriaus talpą, palyginti su jos visiškai įkrauta būsena, o SOH rodo akumuliatoriaus senėjimo laipsnį, atspindintį energijos kaupimo talpos skirtumą tarp dabartinės visiškai įkrautos būsenos ir gamybos būsenos.

Iššūkis ir balansavimo reikalavimai baterijų bloko projektavimui: sukurti saugų ir energiją taupantį akumuliatorių bloką yra labai sudėtinga, nes tam reikia šimtų voltų nuolatinės srovės ir šimtų kilovatų galios, kurią sudaro daugybė nuosekliai ir lygiagrečiai sujungtų baterijų. Tačiau dėl gamybos defektų ir senėjimo akumuliatoriaus parametrai nesutampa, todėl sumažėja efektyvi baterijų bloko talpa. Todėl norint visiškai išnaudoti kiekvienos baterijos energiją, reikalingos BMS ir išorinės balansavimo grandinės. Baterijų balansavimo grandinės skirstomos į pasyvųjį ir aktyvųjį balansavimą. Pasyvus balansavimas paverčia akumuliatoriaus energiją į šiluminę energiją per šuntinius rezistorius, kad būtų išvengta perkrovimo, o aktyvus balansavimas naudoja DC/DC keitiklius arba kitus galios perdavimo būdus, kad energija būtų tiesiogiai perduodama tarp akumuliatorių. Aktyviosios balansavimo grandinės įdiegimas gali pagerinti baterijų blokų saugumą, ilgaamžiškumą, įkrovimo ir iškrovimo efektyvumą bei energijos naudojimo efektyvumą.

2. Pasiūlykite planą

Bendra architektūra ir veikimo principas: Siūloma schemos architektūra (žr. 1 pav.) apima SOC įvertinimą (naudojant išplėstinį Kalmano filtro algoritmą), BMS valdiklį ir aktyviąją išlyginimo grandinę. Valdiklis nustato kiekvienos baterijos SOC ir siunčia signalus į aktyvią balansavimo grandinę, kad būtų perkeltas įkrovimas iš didelio SOC akumuliatoriaus į žemą SOC akumuliatorių, galiausiai subalansuodamas kiekvienos baterijos baterijos įkrovą.

SOC įvertinimo metodas

Išplėstinis Kalmano filtro algoritmo procesas: SOC įvertinimas priima išplėstinį Kalmano filtro algoritmą, kuris yra pasikartojantis procesas, kuriame atsižvelgiama į prietaiso triukšmą ir klaidas bei įvertinimą. Pirma, nustatykite įvairius akumuliatoriaus požymius ir jų priklausomybes ir naudokite sujungtų parametrų modelį, kad sukurtumėte lygiavertį akumuliatoriaus grandinės modelį.

Analizuojant grandinę pagal Kirchhoffo įtampos dėsnį (KVL), gaunama gnybtų įtampos lygtis:

Taikant dabartinį Kirchhoff dėsnį (KCL), kad būtų gauta RC šakos lygtis, pagrįsta baterijos SOC ir grandinės srovės ryšiu:

Sukurkite nepertraukiamo laiko būsenos erdvės modelį, tada konvertuokite jį į diskrečiojo laiko būsenos erdvės modelį (naudodami uždaros formos diskretizacijos formulę koreliacijos matricai ir vektoriams apdoroti) ir galiausiai pritaikykite Kalmano filtro algoritmą SOC įvertinimui (įskaitant būsenų lygtis ir matavimo lygtys, triukšmas yra nepriklausomas nulinio vidurkio Gauso procesas, skaičiavimas apima laiko atnaujinimą ir matavimo atnaujinimą).

Buck boost keitiklio principas: Buck boost konverteris yra DC-DC keitiklis, o išėjimo įtampa gali būti mažesnė arba didesnė už įėjimo įtampą. Įjungus jungiklį (MOSFET uždarytas, diodas išjungtas), induktorius kaupia energiją; Išjungus jungiklį (išjungtas MOSFET, įjungtas diodas), induktorius išleidžia energiją į apkrovą, o išėjimo įtampa didėja. Jo darbo režimas yra padalintas į dvi situacijas.

Aktyviosios balansavimo grandinės veikimo mechanizmas: Aktyviojoje balansavimo grandinėje valdiklis nustato SOC disbalansą tarp baterijų, nustato įkrovos perdavimo kryptį ir siunčia PWM signalus jungikliui valdyti. Jei valdiklis nustato, kad viršutinė baterija N turi perduoti energiją apatinei baterijai N-1, jis siunčia signalą į jungiklį S2N. Induktoriui sukaupus energiją iki didžiausios vertės, jungiklis uždaromas, induktoriaus įtampa pakeičiama ir diodas D_N-1 yra pakreiptas į priekį. Energija į akumuliatorių N-1 perduodama per diodą ir atvirkščiai.

3. Modeliavimo rezultatai

SOC įvertinimo algoritmo patvirtinimas: „Matlab“ išplėstiniu Kalmano filtro algoritmu įvertintas SOC atitinka tikrąją SOC laiko kreivę, o tai rodo, kad algoritmas buvo sėkmingai panaudotas akumuliatoriaus SOC įvertinti.

Aktyvaus balansavimo grandinės efektyvumo įvertinimas: naudojant Matlab modeliavimo aktyviosios balansavimo grandinės modelį su buck boost keitikliu, pradinis viršutinės ir apatinės baterijų SOC buvo nustatytas atitinkamai 23% ir 20%. Po modeliavimo galutinis subalansuotas viršutinės ir apatinės baterijų SOC buvo atitinkamai 21,39% ir 21,4%, kurie buvo artimi pradiniam vidutiniam SOC ir sėkmingai pasiekė įkrovos balansavimą. Pakeitus tokius parametrus kaip induktyvumo vertė, ciklas ir darbo ciklas, buvo nustatyta, kad yra kompromisas tarp balansavimo laiko ir galutinio balansavimo SOC. Pavyzdžiui, kai induktyvumo vertė mažėja, ciklas didėja arba darbo ciklas pasikeičia, atitinkamai pasikeis balanso laikas ir galutinis SOC. Tiksliau, kuo mažesnė induktyvumo vertė, tuo didesnis ciklas, o darbo ciklas keičiasi tam tikrame diapazone, tuo trumpesnis balanso laikas, tačiau tam tikru mastu bus paveikta ir galutinė SOC.

Santrauka

Aktyvaus balansavimo technologijos tyrimas: šiame straipsnyje pagrindinis dėmesys skiriamas vieno akumuliatoriaus įkrovos lygio balanso akumuliatorių paketuose aktyvaus balansavimo technologijai. Įgyvendinant projektą buvo suprojektuota aktyvi balansavimo grandinė ir atliktas grandinės modeliavimas, siekiant gauti laukiamus rezultatus.

SOC įvertinimo metodų parinkimas: buvo tiriami keli vienos baterijos SOC įvertinimo metodai, ir galiausiai buvo pritaikytas išplėstinis Kalmano filtro metodas dėl jo tikslumo vertinant netiesinius parametrus.

Tyrimo patikrinimas: Apskritai projektas sėkmingai įrodė aktyvaus balansavimo veiksmingumą gerinant akumuliatoriaus veikimą ir sumažinant saugos riziką. Imituojant aktyvioji balansavimo grandinė gali pasiekti balanso būseną, artimą vidutinei SOC akumuliatoriams su skirtingu pradiniu SOC, o tai rodo, kad ji gali veiksmingai pagerinti akumuliatoriaus veikimą ir sumažinti saugos pavojų, kurį gali sukelti akumuliatoriaus disbalansas.

Konkrečių reikalavimų svarstymo svarba: tyrime taip pat pabrėžiama, kad nustatant tinkamiausią aktyvaus balansavimo sistemą reikia atidžiai apsvarstyti specifinius akumuliatorių sistemų ir taikomųjų programų reikalavimus. Skirtingoms akumuliatorių sistemoms (pavyzdžiui, baterijų paketams, sudarytiems iš skirtingų tipų baterijų ir akumuliatoriaus naudojimo reikalavimų pagal skirtingus taikymo scenarijus) gali būti taikomi skirtingi aktyviųjų balansavimo sistemų reikalavimai, pvz., skirtingas balansavimo greičio, balansavimo tikslumo, energijos nuostolių ir kt. reikia parinkti tinkamiausią aktyvaus balansavimo schemą pagal faktinę situaciją, kad būtų pasiektas optimalus veikimas ir saugumas.