Ibbilanċjar Attiv tal-Batterija: Analiżi Tal-Qofol tal-Qawwa tas-Sistema Effiċjenti tal-Ġestjoni tal-Batterija

Astratt

Fil-qasam tal-vetturi elettriċi, il-prestazzjoni tas-sistemi ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS) u l-ħajja effettiva tal-batteriji huma kunsiderazzjonijiet ewlenin. Biex tittejjeb il-ħajja tas-servizz tal-pakkett tal-batteriji, huwa meħtieġ li perjodikament jiġu bilanċjati l-batteriji. Tradizzjonalment, l-ibbilanċjar tal-batterija jiddependi prinċipalment fuq teknoloġija tal-ibbilanċjar passiv, li tikkonverti l-enerġija żejda f'enerġija termali biex tikseb bilanċ bejn il-batteriji. Madankollu, dan il-metodu mhux biss jikkawża problemi ta 'ġestjoni tas-sħana, iżda wkoll inaqqas l-effiċjenza ġenerali tal-pakkett tal-batterija.

Dan l-artikolu jipproponi strateġija innovattiva ta 'ibbilanċjar attiv li juża l-algoritmu tal-filtru Kalman biex jottimizza l-effiċjenza tal-BMS, u jindirizza b'mod effettiv in-nuqqasijiet tat-teknoloġija tal-ibbilanċjar passiv. L-għan ewlieni huwa li tinbena sistema li tista 'tmexxi b'mod uniformi l-iċċarġjar u l-ħatt tal-batterija, u b'hekk testendi l-ħajja tal-batterija. Is-sistema fasslet ċirkwit ta 'ibbilanċjar attiv li juża l-algoritmu tal-filtru Kalman biex jistma b'mod preċiż l-istat ta' kull batterija u jikkalkula l-aħjar kurrent tal-iċċarġjar u l-ħatt ibbażat fuqu, sabiex jinkiseb ibbilanċjar effiċjenti bejn il-batteriji.

Sfond tar-riċerka, pjan u riżultati

1. Sfond tar-riċerka u motivazzjoni

L-isfond tal-iżvilupp tal-vetturi elettriċi u l-importanza tas-sistemi tal-ġestjoni tal-batteriji: L-attenzjoni globali għat-tniġġis ambjentali u ż-żidiet fil-prezz tal-fjuwil ikkawżati mill-emissjonijiet tal-egżost tal-karozzi tenfasizza l-ħtieġa li jintużaw vetturi elettriċi. L-innovazzjoni tas-Sistemi ta 'Ġestjoni tal-Batterija (BMS) għamlet il-vetturi elettriċi kandidat b'saħħtu għat-trasport futur, iżda l-BMS għad għandu ħafna oqsma għal titjib biex ittejjeb l-effiċjenza u l-affidabbiltà.

Elementi ewlenin u sfidi tas-sistema ta 'ġestjoni tal-batterija

L-importanza tal-istima SOC u SOH: L-istima preċiża tal-istat ta 'ċarġ (SOC) u l-istat tas-saħħa (SOH) ta' batterija hija kruċjali għat-tħaddim affidabbli u effiċjenti tal-BMS. SOC ikejjel il-kapaċità disponibbli ta 'batterija relattiva għall-istat kompletament iċċarġjat tagħha, filwaqt li SOH jindika l-grad ta' tixjiħ tal-batterija, li jirrifletti d-differenza fil-kapaċità tal-ħażna tal-enerġija bejn l-istat attwali kompletament iċċarġjat u l-istat tal-manifattura.

Sfida u Rekwiżiti tal-Ibbilanċjar fid-Disinn tal-Pakkett tal-Batterija: Id-disinn ta 'pakkett ta' batteriji sikur u effiċjenti fl-enerġija huwa estremament ta 'sfida, peress li jeħtieġ mijiet ta' volts ta 'vultaġġ DC u mijiet ta' kilowatts ta 'enerġija, li jikkonsisti f'numru kbir ta' batteriji f'serje u paralleli. Madankollu, minħabba difetti tal-manifattura u tixjiħ, il-parametri tal-batterija ma jaqblux, u dan inaqqas il-kapaċità effettiva tal-pakkett tal-batterija. Għalhekk, BMS u ċirkwiti ta 'ibbilanċjar esterni huma meħtieġa biex jutilizzaw bis-sħiħ l-enerġija ta' kull batterija. Iċ-ċirkwiti tal-ibbilanċjar tal-batterija huma maqsuma f'ibbilanċjar passiv u attiv. L-ibbilanċjar passiv jikkonverti l-enerġija tal-batterija f'enerġija termali permezz ta 'reżistenza shunt biex jipprevjeni l-iċċarġjar żejjed, filwaqt li l-ibbilanċjar attiv juża konvertituri DC/DC jew metodi oħra ta' trasferiment tal-enerġija biex jittrasferixxi direttament l-enerġija bejn il-batteriji. L-implimentazzjoni ta 'ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv tista' ttejjeb is-sikurezza, id-durabilità, il-prestazzjoni tal-iċċarġjar u l-ħatt, u l-effiċjenza tal-użu tal-enerġija tal-pakketti tal-batteriji.

2. Ipproponi pjan

L-arkitettura ġenerali u l-prinċipju tax-xogħol: L-arkitettura tal-iskema proposta (ara l-Figura 1) tinkludi stima SOC (bl-użu tal-algoritmu tal-filtru Kalman estiż), kontrollur BMS, u ċirkwit ta 'ekwalizzazzjoni attiv. Il-kontrollur iħoss is-SOC ta 'kull batterija u jibgħat sinjali liċ-ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv biex jittrasferixxi l-ħlas minn batteriji SOC għoli għal batteriji SOC baxx, u fl-aħħar mill-aħħar jibbilanċja l-ħlas ta' kull batterija fil-pakkett tal-batterija.

Metodu ta' stima tas-SOC

Proċess tal-Algoritmu tal-Filtru Kalman Estiż: L-istima SOC tadotta l-algoritmu tal-Filtru Kalman Estiż, li huwa proċess ripetittiv li jikkunsidra l-istorbju u l-iżbalji fl-istrument u l-istima. L-ewwelnett, iddetermina d-diversi attributi u d-dipendenzi tagħhom tal-batterija, u uża mudell ta 'parametru lumped biex tiddisinja l-mudell ta' ċirkwit ekwivalenti tal-batterija.

Billi tanalizza ċ-ċirkwit bl-użu tal-Liġi tal-Vultaġġ ta' Kirchhoff (KVL), l-ekwazzjoni tal-vultaġġ terminali hija derivata:

L-applikazzjoni tal-liġi kurrenti ta' Kirchhoff (KCL) biex tiġi derivata l-ekwazzjoni tal-fergħa RC, ibbażata fuq ir-relazzjoni bejn is-SOC tal-batterija u l-kurrent taċ-ċirkwit:

Stabbilixxi mudell tal-ispazju tal-istat tal-ħin kontinwu, imbagħad ikkonvertih għal mudell tal-ispazju tal-istat tal-ħin diskret (bl-użu ta’ formula ta’ diskretizzazzjoni f’forma magħluqa biex tipproċessa l-matriċi ta’ korrelazzjoni u l-vettori), u fl-aħħar applika l-algoritmu tal-filtru Kalman għall-istima tas-SOC (inklużi ekwazzjonijiet tal-istat u ekwazzjonijiet tal-kejl, l-istorbju huwa proċess Gaussian indipendenti żero medju, il-kalkolu jinkludi aġġornament tal-ħin u passi ta 'aġġornament tal-kejl).

Il-prinċipju tal-konvertitur buck boost: konvertitur buck boost huwa konvertitur DC-DC, u l-vultaġġ tal-ħruġ jista 'jkun aktar baxx jew ogħla mill-vultaġġ tad-dħul. Meta l-iswiċċ jinxtegħel (MOSFET magħluq, diode mitfi), l-inductor jaħżen l-enerġija; Meta l-iswiċċ jintefa (MOSFET jintefa, dajowd jinxtegħel), l-induttur jirrilaxxa l-enerġija għat-tagħbija, u l-vultaġġ tal-ħruġ jiżdied. Il-mod tax-xogħol tiegħu huwa maqsum f'żewġ sitwazzjonijiet.

Mekkaniżmu ta 'ħidma taċ-ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv: Fiċ-ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv, il-kontrollur iħoss l-iżbilanċ SOC bejn il-batteriji, jiddetermina d-direzzjoni tat-trasferiment tal-ħlas, u jibgħat sinjali PWM biex jikkontrolla l-iswiċċ. Jekk il-kontrollur jiskopri li l-batterija ta 'fuq N teħtieġ tittrasferixxi l-enerġija lill-batterija ta' isfel N-1, jibgħat sinjal lill-iswiċċ S2N. Wara li l-inductor jaħżen l-enerġija għall-valur massimu, is-swiċċ jingħalaq, il-vultaġġ tal-inductor jinqaleb, u d-dijodu D_N-1 huwa preġudikat 'il quddiem. L-enerġija tiġi trasferita lill-batterija N-1 permezz tad-dijodu, u viċi versa.

3. Riżultati ta' simulazzjoni

Validazzjoni tal-algoritmu tal-istima tas-SOC: F'Matlab, is-SOC stmat mill-algoritmu tal-filtru Kalman estiż huwa konsistenti mal-kurva attwali tal-SOC matul iż-żmien, li jindika li l-algoritmu intuża b'suċċess biex jistma l-SOC tal-batterija.

Evalwazzjoni tal-Effettività taċ-Ċirkwit tal-Ibbilanċjar Attiv: Bl-użu ta 'mudell ta' simulazzjoni Matlab ta 'ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv b'konvertitur buck boost, is-SOC inizjali tal-batteriji ta' fuq u t'isfel ġew issettjati għal 23% u 20%, rispettivament. Wara s-simulazzjoni, is-SOC bilanċjat finali tal-batteriji ta 'fuq u t'isfel kienu 21.39% u 21.4%, rispettivament, li kienu qrib is-SOC medju inizjali u kisbu b'suċċess ibbilanċjar ta' ħlas. Billi tbiddel il-parametri bħall-valur tal-inductance, iċ-ċiklu u ċ-ċiklu tad-dazju, instab li hemm kompromess bejn il-ħin tal-ibbilanċjar u l-SOC tal-ibbilanċjar finali. Pereżempju, meta l-valur tal-inductance jonqos, iċ-ċiklu jiżdied, jew iċ-ċiklu tad-dazju jinbidel, il-ħin tal-bilanċ u SOC finali jinbidlu kif xieraq. Speċifikament, iktar ma jkun żgħir il-valur tal-inductance, iktar ikun kbir iċ-ċiklu, u ċ-ċiklu tad-dazju jinbidel f'ċerta firxa, iqsar il-ħin tal-bilanċ, iżda s-SOC finali se jkun affettwat ukoll sa ċertu punt.

Sommarju

Riċerka dwar it-Teknoloġija tal-Ibbilanċjar Attiv: Dan l-artikolu jiffoka fuq it-teknoloġija tal-ibbilanċjar attiv tal-bilanċ tal-livell ta 'ċarġ tal-batterija waħda f'pakketti ta' batteriji. Waqt it-tlestija tal-proġett, ġie ddisinjat ċirkwit ta 'ibbilanċjar attiv u saret simulazzjoni ta' ċirkwit biex jinkisbu r-riżultati mistennija.

Għażla ta 'metodi ta' stima ta 'SOC: Ġew studjati metodi ta' stima ta 'SOC ta' batterija waħda multipli, u l-metodu tal-filtru Kalman estiż ġie finalment adottat minħabba l-eżattezza tiegħu fl-istima ta 'parametri mhux lineari.

Verifika tar-riċerka: B'mod ġenerali, il-proġett wera b'suċċess l-effettività tal-ibbilanċjar attiv fit-titjib tal-prestazzjoni tal-batterija u fit-tnaqqis tar-riskji tas-sikurezza. Permezz ta 'simulazzjoni, iċ-ċirkwit tal-ibbilanċjar attiv jista' jikseb stat ta 'bilanċ qrib is-SOC medju għal batteriji b'SOC inizjali differenti, li jindika li jista' jtejjeb b'mod effettiv il-prestazzjoni tal-batterija u jnaqqas il-perikli għas-sikurezza li jistgħu jkunu kkawżati minn żbilanċ tal-batterija.

L-importanza li jitqiesu rekwiżiti speċifiċi: L-istudju jenfasizza wkoll il-ħtieġa li jiġu kkunsidrati bir-reqqa r-rekwiżiti speċifiċi tas-sistemi u l-applikazzjonijiet tal-batteriji meta tiġi determinata s-sistema ta 'ibbilanċjar attiva l-aktar adattata. Sistemi differenti ta 'batteriji (bħal pakketti ta' batteriji komposti minn tipi differenti ta 'batteriji u rekwiżiti ta' użu ta 'batteriji f'xenarji ta' applikazzjoni differenti) jista 'jkollhom rekwiżiti differenti għal sistemi ta' bilanċjar attivi, bħal enfasi differenti fuq veloċità ta 'ibbilanċjar, preċiżjoni tal-ibbilanċjar, telf ta' enerġija, eċċ. Għalhekk, l-iskema ta 'ibbilanċjar attiva l-aktar adattata teħtieġ li tintgħażel skond is-sitwazzjoni attwali biex tinkiseb l-aħjar prestazzjoni u sigurtà.