Aktivno balansiranje baterije: Analiza temeljne pokretačke snage učinkovitog sustava upravljanja baterijom

Sažetak

U području električnih vozila, izvedba sustava za upravljanje baterijama (BMS) i efektivni životni vijek baterija ključna su razmatranja. Kako bi se produžio životni vijek baterije, potrebno je povremeno balansirati baterije. Tradicionalno, balansiranje baterija uglavnom se oslanja na tehnologiju pasivnog balansiranja, koja pretvara višak energije u toplinsku energiju kako bi se postigla ravnoteža između baterija. Međutim, ova metoda ne samo da uzrokuje probleme s upravljanjem toplinom, već također smanjuje ukupnu učinkovitost baterije.

Ovaj članak predlaže inovativnu strategiju aktivnog balansiranja koja koristi algoritam Kalmanova filtra za optimizaciju učinkovitosti BMS-a, učinkovito rješavajući nedostatke tehnologije pasivnog balansiranja. Osnovni cilj je izgraditi sustav koji može ravnomjerno upravljati punjenjem i pražnjenjem baterije, čime se produljuje životni vijek baterije. Sustav je dizajnirao krug aktivnog balansiranja koji koristi algoritam Kalmanovog filtra za točnu procjenu stanja svake baterije i na temelju toga izračunava optimalnu struju punjenja i pražnjenja, kako bi se postiglo učinkovito balansiranje između baterija.

Pozadina istraživanja, plan i rezultati

1. Istraživačka pozadina i motivacija

Pozadina razvoja električnih vozila i važnost sustava za upravljanje baterijama: globalna pažnja prema zagađenju okoliša i povećanju cijena goriva uzrokovanih emisijama ispušnih plinova automobila naglašava nužnost uvođenja električnih vozila. Inovacija sustava upravljanja baterijama (BMS) učinila je električna vozila moćnim kandidatima za budući transport, ali BMS još ima mnogo područja za poboljšanje kako bi se poboljšala učinkovitost i pouzdanost.

Ključni elementi i izazovi sustava upravljanja baterijama

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

Izazov i zahtjevi za balansiranje u dizajnu paketa baterija: Dizajniranje sigurnog i energetski učinkovitog paketa baterija je izuzetno izazovno, jer zahtijeva stotine volti istosmjernog napona i stotine kilovata snage, koji se sastoji od velikog broja baterija u seriji i paralelno. Međutim, zbog grešaka u proizvodnji i starenja, parametri baterije se ne podudaraju, što smanjuje efektivni kapacitet baterije. Stoga su potrebni BMS i vanjski balansni krugovi kako bi se u potpunosti iskoristila energija svake baterije. Krugovi za balansiranje baterije dijele se na pasivno i aktivno balansiranje. Pasivno balansiranje pretvara energiju baterije u toplinsku energiju pomoću otpornika za usmjeravanje kako bi se spriječilo prekomjerno punjenje, dok aktivno balansiranje koristi DC/DC pretvarače ili druge metode prijenosa energije za izravan prijenos energije između baterija. Implementacija aktivnog balansnog kruga može poboljšati sigurnost, izdržljivost, performanse punjenja i pražnjenja te učinkovitost korištenja energije baterijskih paketa.

2. Predložite plan

Sveukupna arhitektura i načelo rada: Predložena arhitektura sheme (vidi sliku 1) uključuje SOC procjenu (koristeći prošireni Kalmanov filtarski algoritam), BMS kontroler i aktivni krug izjednačenja. Kontroler osjeća SOC svake baterije i šalje signale aktivnom balansnom krugu za prijenos napunjenosti s baterija s visokim SOC-om na baterije s niskim SOC-om, u konačnici uravnotežujući napunjenost svake baterije u baterijskom paketu.

Metoda procjene SOC

Proces algoritma proširenog Kalmanova filtra: SOC procjena usvaja algoritam proširenog Kalmanova filtra, koji je ponavljajući proces koji uzima u obzir šum i pogreške u instrumentu i procjeni. Prvo, odredite različite atribute i njihove ovisnosti o bateriji i upotrijebite model skupnih parametara za dizajn modela ekvivalentnog kruga baterije.

Analizom kruga korištenjem Kirchhoffovog zakona napona (KVL), izvedena je jednadžba napona na terminalu:

Primjena Kirchhoffovog trenutnog zakona (KCL) za izvođenje jednadžbe RC grane, na temelju odnosa između SOC baterije i struje kruga:

Uspostavite model prostora stanja kontinuiranog vremena, zatim ga pretvorite u model prostora stanja diskretnog vremena (koristeći formulu diskretizacije zatvorenog oblika za obradu korelacijske matrice i vektora), i na kraju primijenite algoritam Kalmanova filtra za procjenu SOC (uključujući jednadžbe stanja i mjerne jednadžbe, šum je neovisni Gaussov proces nulte srednje vrijednosti, izračun uključuje ažuriranje vremena i korake ažuriranja mjerenja).

Princip buck boost pretvarača: Buck boost pretvarač je DC-DC pretvarač, a izlazni napon može biti niži ili viši od ulaznog napona. Kad je sklopka uključena (MOSFET zatvoren, dioda isključena), induktor pohranjuje energiju; Kada je sklopka isključena (MOSFET je isključen, dioda je uključena), induktor otpušta energiju potrošaču, a izlazni napon raste. Njegov način rada podijeljen je u dvije situacije.

Radni mehanizam kruga aktivnog balansiranja: U krugu aktivnog balansiranja, kontroler osjeća neravnotežu SOC između baterija, određuje smjer prijenosa naboja i šalje PWM signale za upravljanje prekidačem. 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, sklopka je zatvorena, napon induktora je obrnut, a dioda D_N-1 je prednapredna. Preko diode energija se prenosi na bateriju N-1 i obrnuto.

3. Rezultati simulacije

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

Procjena učinkovitosti aktivnog balansnog kruga: Korištenjem Matlab simulacijskog modela aktivnog balansnog kruga s buck pretvaračem, početni SOC gornje i donje baterije postavljen je na 23% odnosno 20%. Nakon simulacije, konačni uravnoteženi SOC gornje i donje baterije bio je 21,39% odnosno 21,4%, što je bilo blizu početnog prosječnog SOC-a i uspješno postignuto balansiranje napunjenosti. Promjenom parametara kao što su vrijednost induktiviteta, ciklus i radni ciklus, utvrđeno je da postoji kompromis između vremena balansiranja i konačnog balansiranja SOC. Na primjer, kada se vrijednost induktiviteta smanji, ciklus se poveća ili se radni ciklus promijeni, vrijeme ravnoteže i konačni SOC promijenit će se u skladu s tim. Konkretno, što je manja vrijednost induktiviteta, što je veći ciklus, a radni ciklus se mijenja unutar određenog raspona, to je kraće vrijeme ravnoteže, ali će to u određenoj mjeri utjecati i na konačni SOC.

Sažetak

Istraživanje tehnologije aktivnog balansiranja: Ovaj se članak usredotočuje na tehnologiju aktivnog balansiranja ravnoteže razine napunjenosti jedne baterije u paketima baterija. Tijekom završetka projekta projektiran je krug aktivnog balansiranja i provedena je simulacija kruga kako bi se dobili očekivani rezultati.

Odabir metoda za procjenu SOC-a: Proučavane su metode za procjenu SOC-a za više pojedinačnih baterija, a proširena metoda Kalmanova filtra je na kraju prihvaćena zbog svoje točnosti u procjeni nelinearnih parametara.

Provjera istraživanja: Sve u svemu, projekt je uspješno pokazao učinkovitost aktivnog balansiranja u poboljšanju performansi baterije i smanjenju sigurnosnih rizika. Putem simulacije, krug aktivnog balansiranja može postići stanje ravnoteže blisko prosječnom SOC za baterije s različitim početnim SOC, 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 sustava i aplikacija pri određivanju najprikladnijeg aktivnog sustava balansiranja. Različiti sustavi baterija (kao što su paketi baterija sastavljeni od različitih vrsta baterija i zahtjevi za korištenje baterija u različitim scenarijima primjene) mogu imati različite zahtjeve za sustave aktivnog balansiranja, kao što su različiti naglasci na brzinu balansiranja, točnost balansiranja, gubitak energije itd. Stoga, potrebno je odabrati najprikladniju shemu aktivnog balansiranja prema stvarnoj situaciji kako bi se postigla optimalna učinkovitost i sigurnost.