Aktivní vyvažování baterie: Analýza hlavní hnací síly efektivního systému správy baterie

Abstraktní

V oblasti elektrických vozidel jsou klíčovými faktory výkonnost systémů správy baterií (BMS) a efektivní životnost baterií. Pro zvýšení životnosti baterie je nutné baterie pravidelně vyvažovat. Tradičně se vyvažování baterií opírá hlavně o technologii pasivního vyvažování, která přeměňuje přebytečnou energii na tepelnou energii, aby se dosáhlo rovnováhy mezi bateriemi. Tento způsob však způsobuje nejen problémy s tepelným managementem, ale také snižuje celkovou účinnost bateriového bloku.

Tento článek navrhuje inovativní strategii aktivního vyvažování, která využívá algoritmus Kalmanova filtru k optimalizaci účinnosti BMS a účinně řeší nedostatky technologie pasivního vyvažování. Hlavním cílem je vybudovat systém, který dokáže jednotně řídit nabíjení a vybíjení baterie, čímž se prodlužuje její životnost. Systém navrhl aktivní balanční obvod, který využívá algoritmus Kalmanova filtru k přesnému odhadu stavu každé baterie a na jeho základě vypočítá optimální nabíjecí a vybíjecí proud, aby bylo dosaženo efektivního vyvážení mezi bateriemi.

Pozadí výzkumu, plán a výsledky

1. Pozadí výzkumu a motivace

Vývojové pozadí elektrických vozidel a význam systémů správy baterií: Celosvětová pozornost věnovaná znečištění životního prostředí a zvyšování cen pohonných hmot způsobeným emisemi výfukových plynů automobilů zdůrazňuje nutnost nasazení elektrických vozidel. Inovace systémů pro správu baterií (BMS) učinila z elektrických vozidel mocného kandidáta pro budoucí přepravu, ale BMS má stále mnoho oblastí, kde je třeba zlepšit efektivitu a spolehlivost.

Klíčové prvky a výzvy systému správy baterií

Důležitost odhadu SOC a SOH: Přesný odhad stavu nabití (SOC) a zdravotního stavu (SOH) baterie je zásadní pro spolehlivý a efektivní provoz BMS. SOC měří dostupnou kapacitu baterie ve vztahu k jejímu plně nabitému stavu, zatímco SOH udává stupeň stárnutí baterie, který odráží rozdíl v kapacitě skladování energie mezi aktuálním plně nabitým stavem a stavem výroby.

Výzva a požadavky na vyvážení při návrhu bateriového bloku: Navrhnout bezpečnou a energeticky účinnou bateriovou sadu je extrémně náročné, protože vyžaduje stovky voltů stejnosměrného napětí a stovky kilowattů energie, sestávající z velkého počtu baterií v sérii a paralelně. Kvůli výrobním vadám a stárnutí však parametry baterie neodpovídají, což snižuje efektivní kapacitu baterie. Pro plné využití energie každé baterie jsou proto potřeba BMS a externí vyvažovací obvody. Vyvažovací obvody baterií se dělí na pasivní a aktivní vyvažovací. Pasivní vyvažování přeměňuje energii baterie na tepelnou energii prostřednictvím bočníkových odporů, aby se zabránilo přebíjení, zatímco aktivní vyvažování využívá DC/DC měniče nebo jiné metody přenosu energie k přímému přenosu energie mezi bateriemi. Implementace aktivního vyvažovacího obvodu může zlepšit bezpečnost, životnost, výkon nabíjení a vybíjení a účinnost využití energie bateriových sad.

2. Navrhněte plán

Celková architektura a pracovní princip: Navrhovaná architektura schématu (viz obrázek 1) zahrnuje odhad SOC (s použitím rozšířeného algoritmu Kalmanova filtru), BMS regulátor a aktivní ekvalizační obvod. Řídicí jednotka snímá SOC každé baterie a posílá signály do aktivního vyrovnávacího obvodu, aby přenesl náboj z baterií s vysokým SOC na baterie s nízkým SOC, čímž nakonec vyrovnává nabití každé baterie v sadě baterií.

Metoda odhadu SOC

Proces rozšířeného algoritmu Kalmanova filtru: Odhad SOC využívá algoritmus rozšířeného Kalmanova filtru, což je opakující se proces, který bere v úvahu šum a chyby v přístroji a odhadu. Nejprve určete různé atributy a jejich závislosti na baterii a použijte model se soustředěnými parametry k návrhu ekvivalentního modelu obvodu baterie.

Analýzou obvodu pomocí Kirchhoffova zákona o napětí (KVL) je odvozena rovnice svorkového napětí:

Použití Kirchhoffova současného zákona (KCL) k odvození rovnice větvení RC na základě vztahu mezi SOC baterie a proudem obvodu:

Vytvořte spojitý model stavového prostoru, poté jej převeďte na model stavového prostoru s diskrétním časem (pomocí uzavřeného diskretizačního vzorce pro zpracování korelační matice a vektorů) a nakonec použijte algoritmus Kalmanova filtru pro odhad SOC (včetně stavových rovnic a rovnice měření, šum je nezávislý Gaussův proces s nulovou střední hodnotou, výpočet zahrnuje aktualizaci času a kroky aktualizace měření).

Princip buck boost konvertoru: buck boost konvertor je DC-DC konvertor a výstupní napětí může být nižší nebo vyšší než vstupní napětí. Když je spínač zapnutý (MOSFET zavřený, dioda vypnutá), induktor ukládá energii; Když je spínač vypnutý (MOSFET je vypnutý, dioda je zapnutá), induktor uvolňuje energii do zátěže a výstupní napětí se zvyšuje. Jeho pracovní režim je rozdělen do dvou situací.

Pracovní mechanismus aktivního balančního obvodu: V aktivním balančním obvodu regulátor snímá nerovnováhu SOC mezi bateriemi, určuje směr přenosu náboje a vysílá signály PWM pro ovládání spínače. Pokud ovladač zjistí, že horní baterie N potřebuje přenést energii do spodní baterie N-1, vyšle signál do přepínače S2N. Poté, co induktor uloží energii na maximální hodnotu, se spínač sepne, napětí induktoru se obrátí a dioda D_N-1 se posune dopředu. Energie je přenášena do baterie N-1 prostřednictvím diody a naopak.

3. Výsledky simulace

Ověření algoritmu odhadu SOC: V Matlabu je SOC odhadnutý pomocí rozšířeného algoritmu Kalmanova filtru konzistentní se skutečnou křivkou SOC v průběhu času, což naznačuje, že algoritmus byl úspěšně použit k odhadu SOC baterie.

Vyhodnocení účinnosti aktivního balančního obvodu: Pomocí simulačního modelu aktivního balančního obvodu s buck boost konvertorem v Matlabu byla počáteční SOC horní a spodní baterie nastavena na 23 % a 20 %. Po simulaci bylo konečné vyvážené SOC horní a spodní baterie 21,39 % a 21,4 %, v tomto pořadí, což bylo blízko počátečnímu průměrnému SOC a úspěšně dosáhlo vyrovnání náboje. Změnou parametrů, jako je hodnota indukčnosti, cyklus a pracovní cyklus, bylo zjištěno, že existuje kompromis mezi časem vyvažování a konečným vyvažovacím SOC. Když se například sníží hodnota indukčnosti, zvýší se cyklus nebo se změní pracovní cyklus, změní se odpovídajícím způsobem doba vyvážení a konečný SOC. Konkrétně, čím menší je hodnota indukčnosti, čím větší je cyklus a pracovní cyklus se mění v určitém rozsahu, tím kratší je doba vyvážení, ale do určité míry bude ovlivněna i konečná hodnota SOC.

Shrnutí

Výzkum technologie aktivního vyvažování: Tento článek se zaměřuje na technologii aktivního vyvažování vyrovnávání úrovně nabití jedné baterie v bateriových sadách. V průběhu dokončování projektu byl navržen aktivní vyvažovací obvod a byla provedena simulace obvodu pro získání očekávaných výsledků.

Výběr metod odhadu SOC: Bylo studováno několik metod odhadu SOC s jednou baterií a nakonec byla přijata metoda rozšířeného Kalmanova filtru kvůli její přesnosti při odhadu nelineárních parametrů.

Ověření výzkumu: Celkově projekt úspěšně prokázal účinnost aktivního vyvažování při zlepšování výkonu baterie a snižování bezpečnostních rizik. Prostřednictvím simulace může aktivní vyvažovací obvod dosáhnout stavu rovnováhy blízkého průměrnému SOC pro baterie s různými počátečními SOC, což naznačuje, že může účinně zlepšit výkon baterie a snížit bezpečnostní rizika, která mohou být způsobena nevyvážeností baterie.

Důležitost zohlednění specifických požadavků: Studie také zdůrazňuje nutnost pečlivě zvážit specifické požadavky bateriových systémů a aplikací při určování nejvhodnějšího aktivního vyvažovacího systému. Různé bateriové systémy (jako jsou bateriové sady složené z různých typů baterií a požadavky na využití baterií v různých aplikačních scénářích) mohou mít různé požadavky na aktivní vyvažovací systémy, jako je různý důraz na rychlost vyvažování, přesnost vyvažování, energetické ztráty atd. pro dosažení optimálního výkonu a bezpečnosti je třeba vybrat nejvhodnější schéma aktivního vyvažování podle skutečné situace.