Aktivno balansiranje baterije: Analiza glavne pokretačke snage efikasnog sistema upravljanja baterijom

Abstract

U oblasti električnih vozila, performanse sistema za upravljanje baterijama (BMS) i efektivni vijek trajanja baterija su ključni faktori. Da biste poboljšali vijek trajanja baterije, potrebno je periodično balansirati baterije. Tradicionalno, balansiranje baterija se uglavnom oslanja na pasivnu tehnologiju balansiranja, koja pretvara višak energije u toplinsku energiju kako bi se postigla ravnoteža između baterija. Međutim, ova metoda ne samo da uzrokuje probleme u upravljanju toplinom, već i smanjuje ukupnu efikasnost baterije.

Ovaj članak predlaže inovativnu strategiju aktivnog balansiranja koja koristi algoritam Kalmanovog filtera za optimizaciju efikasnosti BMS-a, efikasno rješavajući nedostatke pasivne tehnologije balansiranja. Osnovni cilj je izgraditi sistem koji može ujednačeno upravljati punjenjem i pražnjenjem baterije, čime se produžava životni vijek baterije. Sistem je dizajnirao kolo aktivnog balansiranja koje koristi algoritam Kalmanovog filtera za preciznu procjenu stanja svake baterije i izračunavanje optimalne struje punjenja i pražnjenja na osnovu toga, kako bi se postiglo efikasno balansiranje između baterija.

Pozadina istraživanja, plan i rezultati

1. Pozadina istraživanja i motivacija

Pozadina razvoja električnih vozila i važnost sistema upravljanja baterijama: Globalna pažnja na zagađenje životne sredine i povećanje cena goriva uzrokovano emisijom izduvnih gasova automobila naglašava neophodnost primene električnih vozila. Inovacija sistema upravljanja baterijama (BMS) učinila je električna vozila moćnim kandidatom za budući transport, ali BMS još uvijek ima mnogo područja za poboljšanje kako bi se poboljšala efikasnost i pouzdanost.

Ključni elementi i izazovi sistema upravljanja baterijama

Važnost SOC i SOH procjene: Precizna procjena stanja napunjenosti (SOC) i zdravstvenog stanja (SOH) baterije je ključna za pouzdan i efikasan rad BMS-a. SOC mjeri raspoloživi kapacitet baterije u odnosu na njeno potpuno napunjeno stanje, dok SOH ukazuje na stepen starenja baterije, odražavajući razliku u kapacitetu skladištenja energije između trenutnog potpuno napunjenog stanja i stanja proizvodnje.

Izazov i zahtjevi za balansiranje u dizajnu baterijskog paketa: Dizajniranje sigurnog i energetski efikasnog paketa baterija je izuzetno izazovno, jer zahtijeva stotine volti istosmjernog napona i stotine kilovata snage, koje se sastoji od velikog broja baterija u seriji i paralelno. Međutim, zbog grešaka u proizvodnji i starenja, parametri baterije se ne poklapaju, što smanjuje efektivni kapacitet baterije. Stoga su BMS i eksterna kola za balansiranje potrebni da bi se u potpunosti iskoristila energija svake baterije. Kola za balansiranje baterija dijele se na pasivno i aktivno balansiranje. Pasivno balansiranje pretvara energiju baterije u toplotnu kroz šant otpornike kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje, dok aktivno balansiranje koristi DC/DC pretvarače ili druge metode prijenosa energije za direktan prijenos energije između baterija. Implementacija aktivnog kola za balansiranje može poboljšati sigurnost, izdržljivost, performanse punjenja i pražnjenja i efikasnost korištenja energije baterija.

2. Predložite plan

Ukupna arhitektura i princip rada: Predložena arhitektura šeme (vidi sliku 1) uključuje SOC procjenu (koristeći prošireni algoritam Kalmanovog filtera), BMS kontroler i aktivno kolo za ekvilizaciju. Kontroler detektuje SOC svake baterije i šalje signale aktivnom krugu za balansiranje da prenese punjenje sa baterija sa visokim SOC na baterije sa niskim SOC, na kraju balansirajući punjenje svake baterije u baterijskom paketu.

SOC metoda procjene

Proces proširenog algoritma Kalmanovog filtera: SOC procjena usvaja prošireni algoritam Kalmanovog filtera, koji je proces koji se ponavlja koji uzima u obzir šum i greške u instrumentu i procjeni. Prvo, odredite različite atribute i njihove ovisnosti baterije, i koristite model s pauširanim parametrima da dizajnirate model ekvivalentnog kola baterije.

Analizom kola koristeći Kirchhoffov zakon o naponu (KVL), izvodi se jednačina terminalnog napona:

Primjenom Kirchhoffovog zakona struje (KCL) za izvođenje jednadžbe RC grana, na osnovu odnosa između SOC baterije i struje kola:

Uspostavite kontinuirani model prostora vremenskog stanja, zatim ga pretvorite u model prostora stanja diskretnog vremena (koristeći formulu za diskretizaciju zatvorenog oblika za obradu korelacijske matrice i vektora), i na kraju primijenite algoritam Kalmanovog filtera za SOC procjenu (uključujući jednadžbe stanja i merne jednačine, šum je nezavisni Gausov proces sa nultom sredinom, proračun uključuje ažuriranje vremena i korake ažuriranja merenja).

Princip buck boost pretvarača: buck boost pretvarač je DC-DC pretvarač, a izlazni napon može biti niži ili veći od ulaznog napona. Kada je prekidač uključen (MOSFET zatvoren, dioda isključena), induktor skladišti energiju; Kada je prekidač isključen (MOSFET je isključen, dioda uključena), induktor oslobađa energiju u opterećenje, a izlazni napon se povećava. Njegov način rada je podijeljen u dvije situacije.

Radni mehanizam aktivnog balansnog kola: U aktivnom balansnom kolu, kontroler detektuje SOC neravnotežu između baterija, određuje smer prenosa punjenja i šalje PWM signale za kontrolu prekidača. Ako kontroler otkrije da gornja baterija N treba prenijeti energiju na donju bateriju N-1, šalje signal prekidaču S2N. Nakon što induktor pohrani energiju do maksimalne vrijednosti, prekidač se zatvara, napon induktora se obrće, a dioda D_N-1 je prednaponska. Energija se preko diode prenosi na bateriju N-1 i obrnuto.

3. Rezultati simulacije

Validacija algoritma za procjenu SOC-a: U Matlabu, SOC procijenjen proširenim algoritmom Kalmanovog filtera je u skladu sa stvarnom krivom SOC tokom vremena, što ukazuje da je algoritam uspješno korišten za procjenu SOC baterije.

Procjena efektivnosti aktivnog balansnog kola: Koristeći Matlab simulacijski model aktivnog balansnog kola sa pojačanim pretvaračem, početni SOC gornje i donje baterije je postavljen na 23% i 20%, respektivno. Nakon simulacije, konačni balansirani SOC gornje i donje baterije iznosio je 21,39% i 21,4%, respektivno, što je bilo blizu početnog prosjeka SOC i uspješno je postignuto balansiranje napunjenosti. Promjenom parametara kao što su vrijednost induktivnosti, ciklus i radni ciklus, utvrđeno je da postoji kompromis između vremena balansiranja i konačnog balansnog SOC-a. Na primjer, kada se vrijednost induktivnosti smanji, ciklus se poveća ili se radni ciklus promijeni, vrijeme ravnoteže i konačni SOC će se promijeniti u skladu s tim. Konkretno, što je manja vrijednost induktivnosti, veći je ciklus i radni ciklus se mijenja unutar određenog raspona, to je kraće vrijeme ravnoteže, ali će i konačni SOC biti u određenoj mjeri pogođen.

Rezime

Istraživanje o tehnologiji aktivnog balansiranja: Ovaj članak se fokusira na tehnologiju aktivnog balansiranja ravnoteže nivoa napunjenosti jedne baterije u paketima baterija. U toku završetka projekta projektovano je kolo aktivnog balansiranja i sprovedena je simulacija kola kako bi se dobili očekivani rezultati.

Odabir metoda procjene SOC-a: Proučavano je više metoda procjene SOC-a s jednom baterijom, a na kraju je usvojena metoda proširenog Kalmanovog filtera zbog svoje tačnosti u procjeni nelinearnih parametara.

Provjera istraživanja: Sveukupno, projekat je uspješno pokazao efikasnost aktivnog balansiranja u poboljšanju performansi baterije i smanjenju sigurnosnih rizika. Kroz simulaciju, kolo aktivnog balansiranja može postići stanje ravnoteže blisko prosječnom SOC-u za baterije s različitim početnim SOC-om, što ukazuje da može učinkovito poboljšati performanse baterije i smanjiti sigurnosne opasnosti koje mogu biti uzrokovane neravnotežom baterije.

Važnost razmatranja specifičnih zahtjeva: Studija također naglašava potrebu pažljivog razmatranja specifičnih zahtjeva baterijskih sistema i aplikacija prilikom određivanja najpogodnijeg aktivnog sistema za balansiranje. Različiti sistemi baterija (kao što su paketi baterija sastavljeni od različitih tipova baterija i zahtjevi za korištenje baterija u različitim scenarijima primjene) mogu imati različite zahtjeve za aktivne sisteme balansiranja, kao što je različit naglasak na brzini balansiranja, preciznosti balansiranja, gubitku energije itd. Stoga, najprikladniju šemu aktivnog balansiranja treba odabrati u skladu sa stvarnom situacijom kako bi se postigle optimalne performanse i sigurnost.