Активно балансирање батерије: Анализа главне покретачке снаге ефикасног система управљања батеријом

Абстрацт

У области електричних возила, перформансе система за управљање батеријама (БМС) и ефективни век батерија су кључни фактори. Да бисте побољшали век трајања батерије, потребно је периодично балансирати батерије. Традиционално, балансирање батерија се углавном ослања на пасивну технологију балансирања, која претвара вишак енергије у топлотну енергију како би се постигла равнотежа између батерија. Међутим, овај метод не само да узрокује проблеме са управљањем топлотом, већ и смањује укупну ефикасност батерије.

Овај чланак предлаже иновативну стратегију активног балансирања која користи алгоритам Калмановог филтера за оптимизацију ефикасности БМС-а, ефикасно решавајући недостатке технологије пасивног балансирања. Основни циљ је да се изгради систем који може уједначено управљати пуњењем и пражњењем батерије, чиме се продужава животни век батерије. Систем је дизајнирао коло активног балансирања које користи алгоритам Калмановог филтера да прецизно процени стање сваке батерије и на основу тога израчуна оптималну струју пуњења и пражњења, како би се постигло ефикасно балансирање између батерија.

Позадина истраживања, план и резултати

1. Позадина истраживања и мотивација

Позадина развоја електричних возила и значај система управљања батеријама: Глобална пажња на загађење животне средине и повећање цена горива узроковано емисијом издувних гасова аутомобила наглашава неопходност примене електричних возила. Иновација система за управљање батеријама (БМС) учинила је електрична возила моћним кандидатом за будући транспорт, али БМС још увек има много области за побољшање како би побољшао ефикасност и поузданост.

Кључни елементи и изазови система управљања батеријама

Важност процене СОЦ и СОХ: Прецизна процена стања напуњености (СОЦ) и здравственог стања (СОХ) батерије је кључна за поуздан и ефикасан рад БМС-а. СОЦ мери расположиви капацитет батерије у односу на њено потпуно напуњено стање, док СОХ указује на степен старења батерије, одражавајући разлику у капацитету складиштења енергије између тренутног потпуно напуњеног стања и стања производње.

Изазови и захтеви за балансирање у дизајну батеријског пакета: Дизајнирање безбедног и енергетски ефикасног пакета батерија је изузетно изазовно, јер захтева стотине волти једносмерног напона и стотине киловата снаге, које се састоје од великог броја батерија у серији и паралелно. Међутим, због грешака у производњи и старења, параметри батерије се не поклапају, што смањује ефективни капацитет батерије. Због тога су БМС и екстерна кола за балансирање потребни да би се у потпуности искористила енергија сваке батерије. Кола за балансирање батерија се деле на пасивно и активно балансирање. Пасивно балансирање претвара енергију батерије у топлотну кроз шант отпорнике како би се спречило прекомерно пуњење, док активно балансирање користи ДЦ/ДЦ претвараче или друге методе преноса енергије за директан пренос енергије између батерија. Имплементација активног кола за балансирање може побољшати сигурност, издржљивост, перформансе пуњења и пражњења и ефикасност коришћења енергије батерија.

2. Предложите план

Укупна архитектура и принцип рада: Предложена архитектура шеме (погледајте слику 1) укључује СОЦ процену (користећи проширени алгоритам Калмановог филтера), БМС контролер и коло активног еквилизације. Контролер детектује СОЦ сваке батерије и шаље сигнале активном балансном колу за пренос пуњења са батерија са високим СОЦ на батерије са ниским СОЦ, на крају балансирајући пуњење сваке батерије у батеријском пакету.

Метод процене СОЦ

Процес проширеног алгоритма Калмановог филтера: СОЦ процена усваја проширени алгоритам Калмановог филтера, који је процес који се понавља који узима у обзир шум и грешке у инструменту и процени. Прво, одредите различите атрибуте и њихове зависности од батерије и користите модел са паушираним параметрима да дизајнирате модел еквивалентног кола батерије.

Анализом кола користећи Кирхофов закон о напону (КВЛ), изводи се једначина напона терминала:

Примењујући Кирхофов закон струје (КЦЛ) за извођење једначине РЦ грана, на основу односа између СОЦ батерије и струје кола:

Успоставите модел континуалног временског простора стања, затим га конвертујте у модел простора стања са дискретним временом (користећи формулу за дискретизацију затвореног облика за обраду корелационе матрице и вектора), и на крају примените алгоритам Калмановог филтера за процену СОЦ (укључујући једначине стања и мерне једначине, шум је независан Гаусов процес са нултом средином, прорачун укључује ажурирање времена и кораке ажурирања мерења).

Принцип буцк боост конвертора: Буцк боост претварач је ДЦ-ДЦ претварач, а излазни напон може бити нижи или већи од улазног напона. Када је прекидач укључен (МОСФЕТ затворен, диода искључена), индуктор складишти енергију; Када је прекидач искључен (МОСФЕТ је искључен, диода укључена), индуктор ослобађа енергију за оптерећење, а излазни напон се повећава. Његов радни режим је подељен у две ситуације.

Радни механизам активног балансног кола: У активном балансном колу, контролер детектује СОЦ неравнотежу између батерија, одређује правац преноса пуњења и шаље ПВМ сигнале за контролу прекидача. Ако контролер открије да горња батерија Н треба да пренесе енергију на доњу батерију Н-1, шаље сигнал прекидачу С2Н. Након што индуктор ускладишти енергију до максималне вредности, прекидач се затвара, напон индуктора се мења, а диода Д_Н-1 је преднапредна. Енергија се преко диоде преноси на батерију Н-1 и обрнуто.

3. Резултати симулације

Валидација алгоритма за процену СОЦ-а: У Матлабу, СОЦ процењен проширеним алгоритмом Калмановог филтера је у складу са стварном кривом СОЦ током времена, што указује да је алгоритам успешно коришћен за процену СОЦ батерије.

Процена ефикасности кола за активно балансирање: Користећи Матлаб симулациони модел активног кола за балансирање са појачаним претварачем, почетни СОЦ горње и доње батерије је постављен на 23% и 20%, респективно. Након симулације, коначни балансирани СОЦ горње и доње батерије износили су 21,39% и 21,4%, респективно, што је било близу почетне просечне СОЦ и успешно је постигнуто балансирање пуњења. Променом параметара као што су вредност индуктивности, циклус и радни циклус, откривено је да постоји компромис између времена балансирања и коначног балансног СОЦ-а. На пример, када се вредност индуктивности смањи, циклус се повећава или се радни циклус промени, време равнотеже и коначни СОЦ ће се променити у складу са тим. Конкретно, што је мања вредност индуктивности, већи је циклус и радни циклус се мења у одређеном опсегу, то је краће време равнотеже, али ће и коначни СОЦ бити у извесној мери погођен.

Резиме

Истраживање о технологији активног балансирања: Овај чланак се фокусира на технологију активног балансирања равнотеже нивоа напуњености једне батерије у пакетима батерија. Током завршетка пројекта пројектовано је коло активног балансирања и спроведена је симулација кола како би се добили очекивани резултати.

Избор метода за процену СОЦ-а: Проучавано је више метода оцењивања СОЦ са једном батеријом, а проширена метода Калмановог филтера је на крају усвојена због своје тачности у процени нелинеарних параметара.

Верификација истраживања: Све у свему, пројекат је успешно показао ефикасност активног балансирања у побољшању перформанси батерије и смањењу безбедносних ризика. Кроз симулацију, коло активног балансирања може постићи стање равнотеже близу просечног СОЦ-а за батерије са различитим почетним СОЦ-ом, што указује на то да може ефикасно да побољша перформансе батерије и смањи безбедносне опасности које могу бити узроковане неравнотежом батерије.

Важност разматрања специфичних захтева: Студија такође наглашава потребу да се пажљиво размотре специфични захтеви батеријских система и апликација приликом одређивања најпогоднијег активног система за балансирање. Различити системи батерија (као што су пакети батерија састављени од различитих типова батерија и захтеви за коришћење батерија у различитим сценаријима примене) могу имати различите захтеве за системе активног балансирања, као што је различит нагласак на брзину балансирања, тачност балансирања, губитак енергије, итд. Стога, најпогоднија шема активног балансирања треба да буде изабрана у складу са стварном ситуацијом да би се постигле оптималне перформансе и сигурност.