Активне балансування батареї: аналіз основної рушійної сили ефективної системи керування батареєю

Анотація

У галузі електромобілів продуктивність систем керування акумуляторами (BMS) і ефективний термін служби акумуляторів є ключовими міркуваннями. Щоб збільшити термін служби акумуляторної батареї, необхідно періодично балансувати батареї. Традиційно балансування батареї в основному спирається на технологію пасивного балансування, яка перетворює надлишкову енергію в теплову для досягнення балансу між батареями. Однак цей метод не лише спричиняє проблеми з керуванням нагріванням, але й знижує загальну ефективність акумуляторної батареї.

У цій статті пропонується інноваційна стратегія активного балансування, яка використовує алгоритм фільтра Калмана для оптимізації ефективності BMS, ефективно усуваючи недоліки технології пасивного балансування. Основна мета — побудувати систему, яка може однаково керувати заряджанням і розряджанням батареї, тим самим подовжуючи термін служби батареї. Система розробила схему активного балансування, яка використовує алгоритм фільтра Калмана для точної оцінки стану кожної батареї та розрахунку оптимального зарядного та розрядного струму на основі цього, щоб досягти ефективного балансування між батареями.

Передумови дослідження, план і результати

1. Передумови дослідження та мотивація

Передумови розвитку електромобілів і важливість систем керування батареями: глобальна увага до забруднення навколишнього середовища та підвищення цін на паливо, спричинене викидами вихлопних газів автомобілів, підкреслює необхідність розгортання електромобілів. Інновації в системах керування батареями (BMS) зробили електромобілі потужним кандидатом на транспортні засоби майбутнього, але BMS все ще має багато напрямків для вдосконалення для підвищення ефективності та надійності.

Ключові елементи та проблеми системи керування акумулятором

Важливість оцінки SOC і SOH: Точна оцінка стану заряду (SOC) і працездатності (SOH) батареї має вирішальне значення для надійної та ефективної роботи BMS. SOC вимірює доступну ємність батареї відносно її повністю зарядженого стану, тоді як SOH вказує на ступінь старіння батареї, відображаючи різницю в ємності зберігання енергії між поточним повністю зарядженим станом і станом виробництва.

Завдання та вимоги до балансування при проектуванні акумуляторної батареї: розробка безпечної та енергоефективної батареї є надзвичайно складною, оскільки вимагає сотні вольт напруги постійного струму та сотні кіловат потужності, що складається з великої кількості послідовно та паралельно з’єднаних батарей. Однак через виробничі дефекти та старіння параметри батареї не збігаються, що зменшує ефективну ємність батареї. Тому для повного використання енергії кожної батареї необхідні BMS і зовнішні схеми балансування. Схеми балансування акумуляторів поділяються на пасивне та активне балансування. Пасивне балансування перетворює енергію батареї в теплову енергію за допомогою шунтуючих резисторів, щоб запобігти перезарядженню, тоді як активне балансування використовує перетворювачі DC/DC або інші методи передачі енергії для прямої передачі енергії між батареями. Впровадження схеми активного балансування може підвищити безпеку, довговічність, продуктивність заряджання та розряджання та ефективність використання енергії акумуляторних блоків.

2. Запропонуйте план

Загальна архітектура та принцип роботи: запропонована архітектура схеми (див. малюнок 1) включає оцінку SOC (з використанням розширеного алгоритму фільтра Калмана), контролер BMS та активну схему вирівнювання. Контролер визначає SOC кожної батареї та надсилає сигнали до схеми активного балансування для передачі заряду від акумуляторів з високим SOC до батарей із низьким SOC, остаточно балансуючи заряд кожної батареї в акумуляторній батареї.

Метод оцінки SOC

Процес розширеного алгоритму фільтра Калмана: оцінка SOC використовує алгоритм розширеного фільтра Калмана, який є повторюваним процесом, який враховує шум і помилки в інструменті та оцінці. По-перше, визначте різні атрибути батареї та їх залежності та використовуйте модель зосереджених параметрів для розробки моделі еквівалентної схеми батареї.

Аналізуючи схему за допомогою закону напруги Кірхгофа (KVL), виведено рівняння напруги на клемах:

Застосування закону струму Кірхгофа (KCL) для отримання рівняння відгалуження RC на основі співвідношення між SOC акумулятора та струмом кола:

Створіть модель простору станів безперервного часу, потім перетворіть її на модель простору станів з дискретним часом (використовуючи формулу дискретизації закритої форми для обробки кореляційної матриці та векторів), і, нарешті, застосуйте алгоритм фільтра Калмана для оцінки SOC (включаючи рівняння стану та рівняння вимірювання, шум є незалежним нульовим середнім гаусовим процесом, обчислення включає оновлення часу та кроки оновлення вимірювань).

Принцип понижувального підвищувального перетворювача: понижуючий підвищувальний перетворювач є перетворювачем постійного струму, і вихідна напруга може бути нижчою або вищою за вхідну. Коли перемикач увімкнено (MOSFET закритий, діод вимкнений), індуктор накопичує енергію; Коли перемикач вимкнено (MOSFET вимкнено, діод увімкнено), індуктор віддає енергію навантаженню, і вихідна напруга зростає. Його режим роботи ділиться на дві ситуації.

Робочий механізм схеми активного балансування: у схемі активного балансування контролер відчуває дисбаланс SOC між батареями, визначає напрямок передачі заряду та надсилає сигнали ШІМ для керування перемикачем. Якщо контролер виявляє, що верхня батарея N повинна передати енергію нижній батареї N-1, він надсилає сигнал комутатору S2N. Після того, як індуктор накопичує енергію до максимального значення, перемикач замикається, напруга індуктора змінюється на протилежну, а діод D_N-1 зміщується в прямому напрямку. Через діод енергія передається акумулятору N-1 і навпаки.

3. Результати моделювання

Перевірка алгоритму оцінки SOC: у Matlab SOC, оцінений розширеним алгоритмом фільтра Калмана, узгоджується з фактичною кривою SOC у часі, що вказує на те, що алгоритм успішно використовувався для оцінки SOC акумулятора.

Оцінка ефективності схеми активного балансування: використовуючи імітаційну модель Matlab схеми активного балансування з понижуючим підвищуючим перетворювачем, початковий SOC верхньої та нижньої батарей було встановлено на 23% та 20% відповідно. Після моделювання остаточний збалансований SOC верхньої та нижньої батарей становив 21,39% і 21,4% відповідно, що було близьким до початкового середнього SOC і успішно досягнуто балансування заряду. Змінюючи такі параметри, як значення індуктивності, цикл і робочий цикл, було виявлено, що існує компроміс між часом балансування та остаточним балансуванням SOC. Наприклад, коли значення індуктивності зменшується, цикл збільшується або змінюється робочий цикл, час балансу та кінцевий SOC зміняться відповідно. Зокрема, чим менше значення індуктивності, тим більший цикл, а робочий цикл змінюється в межах певного діапазону, тим коротший час балансування, але кінцевий SOC також певною мірою вплине.

Резюме

Дослідження технології активного балансування: ця стаття присвячена технології активного балансування балансу рівня заряду одного акумулятора в акумуляторних блоках. Під час завершення проекту було розроблено схему активного балансування та проведено моделювання схеми для отримання очікуваних результатів.

Вибір методів оцінки SOC: Було вивчено кілька методів оцінки SOC для однієї батареї, і зрештою було прийнято розширений метод фільтра Калмана завдяки його точності в оцінці нелінійних параметрів.

Перевірка дослідження: загалом проект успішно продемонстрував ефективність активного балансування в покращенні продуктивності батареї та зниженні ризиків безпеки. Завдяки моделюванню схема активного балансування може досягти стану балансу, близького до середнього SOC для батарей з різним початковим SOC, що вказує на те, що вона може ефективно покращити продуктивність батареї та зменшити загрози безпеці, які можуть бути спричинені дисбалансом батареї.

Важливість врахування конкретних вимог: дослідження також підкреслює необхідність ретельного розгляду конкретних вимог до акумуляторних систем і застосувань при визначенні найбільш підходящої системи активного балансування. Різні акумуляторні системи (такі як акумуляторні блоки, що складаються з різних типів батарей і вимог до використання акумуляторів у різних сценаріях застосування) можуть мати різні вимоги до систем активного балансування, наприклад, різний акцент на швидкості балансування, точності балансування, втраті енергії тощо. найбільш прийнятну схему активного балансування потрібно вибрати відповідно до фактичної ситуації для досягнення оптимальної продуктивності та безпеки.