متعادل‌سازی باتری فعال: تجزیه و تحلیل نیروی محرکه سیستم مدیریت باتری کارآمد

چکیده

در زمینه خودروهای الکتریکی، عملکرد سیستم های مدیریت باتری (BMS) و عمر موثر باتری ها ملاحظات کلیدی هستند. برای بهبود طول عمر بسته باتری، لازم است که به طور دوره ای باتری ها را متعادل کنید. به طور سنتی، بالانس باتری عمدتاً بر فناوری تعادل غیرفعال متکی است که انرژی اضافی را به انرژی حرارتی برای رسیدن به تعادل بین باتری ها تبدیل می کند. با این حال، این روش نه تنها باعث مشکلات مدیریت گرما می شود، بلکه کارایی کلی بسته باتری را نیز کاهش می دهد.

این مقاله یک استراتژی متعادل‌سازی فعال نوآورانه را پیشنهاد می‌کند که از الگوریتم فیلتر کالمن برای بهینه‌سازی کارایی BMS استفاده می‌کند و به طور موثر کاستی‌های فناوری تعادل غیرفعال را برطرف می‌کند. هدف اصلی ساخت سیستمی است که بتواند شارژ و دشارژ باتری را به طور یکنواخت مدیریت کند و در نتیجه طول عمر باتری را افزایش دهد. این سیستم یک مدار متعادل کننده فعال طراحی کرده است که از الگوریتم فیلتر کالمن برای تخمین دقیق وضعیت هر باتری و محاسبه جریان بهینه شارژ و دشارژ بر اساس آن استفاده می کند تا تعادل کارآمد بین باتری ها حاصل شود.

پیشینه تحقیق، طرح و نتایج

1. پیشینه و انگیزه تحقیق

پیشینه توسعه وسایل نقلیه الکتریکی و اهمیت سیستم های مدیریت باتری: توجه جهانی به آلودگی زیست محیطی و افزایش قیمت سوخت ناشی از انتشار اگزوز خودروها، ضرورت استقرار وسایل نقلیه الکتریکی را برجسته می کند. نوآوری سیستم های مدیریت باتری (BMS) وسایل نقلیه الکتریکی را به کاندیدای قدرتمندی برای حمل و نقل آینده تبدیل کرده است، اما BMS هنوز زمینه های زیادی برای بهبود برای افزایش کارایی و قابلیت اطمینان دارد.

عناصر کلیدی و چالش های سیستم مدیریت باتری

اهمیت تخمین SOC و SOH: برآورد دقیق وضعیت شارژ (SOC) و وضعیت سلامت (SOH) یک باتری برای عملکرد قابل اعتماد و کارآمد BMS بسیار مهم است. SOC ظرفیت موجود باتری را نسبت به حالت شارژ کامل آن اندازه گیری می کند، در حالی که SOH درجه پیر شدن باتری را نشان می دهد که منعکس کننده تفاوت ظرفیت ذخیره انرژی بین حالت شارژ کامل فعلی و حالت تولید است.

چالش و الزامات تعادل در طراحی بسته باتری: طراحی یک بسته باتری ایمن و کم مصرف بسیار چالش برانگیز است، زیرا به صدها ولت ولتاژ DC و صدها کیلووات برق نیاز دارد که از تعداد زیادی باتری به صورت سری و موازی تشکیل شده است. اما به دلیل ایرادات ساخت و قدیمی بودن، پارامترهای باتری با هم مطابقت ندارند و این باعث کاهش ظرفیت موثر بسته باتری می شود. بنابراین، BMS و مدارهای تعادل خارجی برای استفاده کامل از انرژی هر باتری مورد نیاز است. مدارهای متعادل کننده باتری به دو دسته متعادل کننده غیرفعال و فعال تقسیم می شوند. تعادل غیرفعال انرژی باتری را از طریق مقاومت‌های شنت به انرژی حرارتی تبدیل می‌کند تا از شارژ بیش از حد جلوگیری کند، در حالی که بالانس فعال از مبدل‌های DC/DC یا سایر روش‌های انتقال نیرو برای انتقال مستقیم انرژی بین باتری‌ها استفاده می‌کند. اجرای یک مدار متعادل کننده فعال می تواند ایمنی، دوام، عملکرد شارژ و دشارژ، و بهره وری مصرف انرژی بسته های باتری را بهبود بخشد.

2. طرحی را پیشنهاد دهید

معماری کلی و اصل کار: معماری طرح پیشنهادی (نگاه کنید به شکل 1) شامل تخمین SOC (با استفاده از الگوریتم فیلتر کالمن توسعه یافته)، کنترل کننده BMS و مدار یکسان سازی فعال است. کنترلر SOC هر باتری را حس می کند و سیگنال هایی را به مدار متعادل کننده فعال ارسال می کند تا شارژ را از باتری های SOC بالا به باتری های SOC پایین منتقل کند و در نهایت شارژ هر باتری در بسته باتری را متعادل کند.

روش تخمین SOC

فرآیند الگوریتم فیلتر کالمن توسعه یافته: تخمین SOC از الگوریتم فیلتر کالمن توسعه یافته استفاده می کند، که یک فرآیند تکراری است که نویز و خطاها را در ابزار و تخمین در نظر می گیرد. ابتدا، ویژگی‌های مختلف و وابستگی‌های باتری آن‌ها را تعیین کنید و از یک مدل پارامتر یکپارچه برای طراحی مدل مدار معادل باتری استفاده کنید.

با تجزیه و تحلیل مدار با استفاده از قانون ولتاژ Kirchhoff (KVL)، معادله ولتاژ پایانه به دست می آید:

استفاده از قانون فعلی Kirchhoff (KCL) برای استخراج معادله شاخه RC، بر اساس رابطه بین SOC باتری و جریان مدار:

یک مدل فضای حالت زمانی پیوسته ایجاد کنید، سپس آن را به یک مدل فضای حالت گسسته زمان تبدیل کنید (با استفاده از فرمول گسسته سازی فرم بسته برای پردازش ماتریس همبستگی و بردارها)، و در نهایت الگوریتم فیلتر کالمن را برای تخمین SOC (شامل معادلات حالت و معادلات اندازه گیری، نویز یک فرآیند گاوسی میانگین صفر مستقل است، محاسبه شامل به روز رسانی زمان و مراحل به روز رسانی اندازه گیری است.

اصل مبدل باک بوست: مبدل باک بوست یک مبدل DC-DC است و ولتاژ خروجی می تواند کمتر یا بیشتر از ولتاژ ورودی باشد. هنگامی که سوئیچ روشن است (MOSFET بسته، دیود خاموش)، سلف انرژی را ذخیره می کند. هنگامی که سوئیچ خاموش است (MOSFET خاموش است، دیود روشن است)، سلف انرژی را به بار آزاد می کند و ولتاژ خروجی افزایش می یابد. حالت کار آن به دو وضعیت تقسیم می شود.

مکانیسم کار مدار متعادل کننده فعال: در مدار متعادل کننده فعال، کنترل کننده عدم تعادل SOC بین باتری ها را حس می کند، جهت انتقال شارژ را تعیین می کند و سیگنال های PWM را برای کنترل سوئیچ ارسال می کند. اگر کنترلر تشخیص دهد که باتری N بالایی نیاز به انتقال انرژی به باتری پایینی N-1 دارد، سیگنالی را به سوئیچ S2N ارسال می کند. پس از اینکه سلف انرژی را تا حداکثر مقدار ذخیره کرد، کلید بسته می شود، ولتاژ سلف معکوس می شود و دیود D_N-1 بایاس رو به جلو می شود. انرژی از طریق دیود به باتری N-1 منتقل می شود و بالعکس.

3. نتایج شبیه سازی

اعتبار سنجی الگوریتم تخمین SOC: در Matlab، SOC تخمین زده شده توسط الگوریتم فیلتر کالمن توسعه یافته با منحنی SOC واقعی در طول زمان سازگار است، که نشان می دهد این الگوریتم با موفقیت برای تخمین SOC باتری استفاده شده است.

ارزیابی اثربخشی مدار متعادل کننده فعال: با استفاده از یک مدل شبیه سازی Matlab از یک مدار متعادل کننده فعال با مبدل باک بوست، SOC اولیه باتری های بالایی و پایینی به ترتیب روی 23% و 20% تنظیم شد. پس از شبیه سازی، SOC متعادل نهایی باتری های بالایی و پایینی به ترتیب 21.39% و 21.4% بود که نزدیک به میانگین SOC اولیه بود و با موفقیت تعادل شارژ را به دست آورد. با تغییر پارامترهایی مانند مقدار اندوکتانس، سیکل و چرخه وظیفه، مشخص شد که بین زمان تعادل و SOC متعادل کننده نهایی یک مبادله وجود دارد. به عنوان مثال، هنگامی که مقدار اندوکتانس کاهش می یابد، سیکل افزایش می یابد، یا چرخه وظیفه تغییر می کند، زمان تعادل و SOC نهایی بر این اساس تغییر می کند. به طور خاص، هر چه مقدار اندوکتانس کوچکتر باشد، سیکل بزرگتر باشد، و چرخه وظیفه در محدوده خاصی تغییر کند، زمان تعادل کوتاهتر می شود، اما SOC نهایی نیز تا حدی تحت تأثیر قرار می گیرد.

خلاصه

تحقیق در مورد فناوری متعادل کننده فعال: این مقاله بر روی فناوری متعادل کننده فعال تعادل سطح شارژ باتری تکی در بسته های باتری تمرکز دارد. در پایان پروژه، یک مدار متعادل کننده فعال طراحی و شبیه سازی مدار برای به دست آوردن نتایج مورد انتظار انجام شد.

انتخاب روش‌های تخمین SOC: روش‌های تخمین SOC چند باتری تک مورد مطالعه قرار گرفت و روش فیلتر کالمن توسعه‌یافته در نهایت به دلیل دقت آن در تخمین پارامترهای غیرخطی به کار گرفته شد.

راستی‌آزمایی تحقیق: به طور کلی، این پروژه با موفقیت اثربخشی تعادل فعال را در بهبود عملکرد باتری و کاهش خطرات ایمنی نشان داده است. از طریق شبیه‌سازی، مدار متعادل کننده فعال می‌تواند به حالت تعادل نزدیک به میانگین SOC برای باتری‌هایی با SOC اولیه متفاوت دست یابد، که نشان می‌دهد می‌تواند به طور موثر عملکرد باتری را بهبود بخشد و خطرات ایمنی را که ممکن است ناشی از عدم تعادل باتری باشد کاهش دهد.

اهمیت در نظر گرفتن الزامات خاص: این مطالعه همچنین بر لزوم در نظر گرفتن دقیق الزامات خاص سیستم های باتری و برنامه های کاربردی هنگام تعیین مناسب ترین سیستم متعادل کننده فعال تأکید می کند. سیستم‌های باتری مختلف (مانند بسته‌های باتری متشکل از انواع باتری‌ها و الزامات استفاده از باتری در سناریوهای کاربردی مختلف) ممکن است الزامات مختلفی برای سیستم‌های متعادل کننده فعال داشته باشند، مانند تأکید متفاوت بر سرعت تعادل، دقت تعادل، اتلاف انرژی و غیره. بنابراین، مناسب ترین طرح متعادل کننده فعال باید با توجه به وضعیت واقعی برای دستیابی به عملکرد و ایمنی بهینه انتخاب شود.