Aktiivinen akun tasapainotus: tehokkaan akunhallintajärjestelmän ydinvoiman analyysi

Abstrakti

Sähköajoneuvojen alalla akunhallintajärjestelmien (BMS) suorituskyky ja akkujen tehokas käyttöikä ovat tärkeitä näkökohtia. Akun käyttöiän pidentämiseksi on tarpeen ajoittain tasapainottaa akut. Perinteisesti akkujen tasapainotus perustuu pääasiassa passiiviseen tasapainotustekniikkaan, joka muuntaa ylimääräisen energian lämpöenergiaksi akkujen välisen tasapainon saavuttamiseksi. Tämä menetelmä ei kuitenkaan aiheuta vain lämmönhallintaongelmia, vaan myös heikentää akun kokonaistehokkuutta.

Tässä artikkelissa ehdotetaan innovatiivista aktiivista tasapainotusstrategiaa, joka käyttää Kalman-suodatinalgoritmia optimoimaan BMS:n tehokkuutta ja korjaa tehokkaasti passiivisen tasapainotustekniikan puutteet. Ydintavoitteena on rakentaa järjestelmä, joka pystyy hallitsemaan akun lataamista ja purkamista tasaisesti ja pidentää siten akun käyttöikää. Järjestelmä on suunnitellut aktiivisen tasapainotuspiirin, joka hyödyntää Kalman-suodatinalgoritmia arvioimaan tarkasti kunkin akun tilan ja laskemaan sen perusteella optimaalisen lataus- ja purkausvirran tehokkaan akkujen välisen tasapainotuksen saavuttamiseksi.

Tutkimuksen tausta, suunnitelma ja tulokset

1. Tutkimuksen tausta ja motivaatio

Sähköajoneuvojen kehitystausta ja akunhallintajärjestelmien merkitys: Maailmanlaajuinen huomio autojen pakokaasupäästöjen aiheuttamaan ympäristön saastumiseen ja polttoaineiden hinnannousuihin korostaa sähköajoneuvojen käyttöönoton tarvetta. Battery Management Systems (BMS) -innovaatio on tehnyt sähköajoneuvoista tehokkaan ehdokkaan tulevaisuuden kuljetuksiin, mutta BMS:llä on vielä monia parannettavaa tehokkuuden ja luotettavuuden parantamiseksi.

Akunhallintajärjestelmän keskeiset elementit ja haasteet

SOC- ja SOH-arvioinnin tärkeys: Akun varaustilan (SOC) ja terveydentilan (SOH) tarkka arviointi on ratkaisevan tärkeää BMS:n luotettavan ja tehokkaan toiminnan kannalta. SOC mittaa akun käytettävissä olevaa kapasiteettia suhteessa sen täyteen ladattuun tilaan, kun taas SOH ilmaisee akun ikääntymisasteen, mikä kuvastaa eroa energian varastointikapasiteetissa nykyisen täyteen ladatun tilan ja valmistustilan välillä.

Akun suunnittelun haasteet ja tasapainotusvaatimukset: Turvallisen ja energiatehokkaan akkupaketin suunnittelu on äärimmäisen haastavaa, sillä se vaatii satoja voltteja tasajännitettä ja satoja kilowatteja tehoa, joka koostuu suuresta määrästä sarjassa ja rinnakkain akkuja. Valmistusvirheiden ja ikääntymisen vuoksi akun parametrit eivät kuitenkaan täsmää, mikä vähentää akun tehollista kapasiteettia. Siksi tarvitaan BMS:ää ja ulkoisia tasapainotuspiirejä kunkin akun energian täysimääräiseen hyödyntämiseen. Akun tasapainotuspiirit jaetaan passiiviseen ja aktiiviseen tasapainotukseen. Passiivinen tasapainotus muuntaa akun energian lämpöenergiaksi shunttivastusten kautta ylilatauksen estämiseksi, kun taas aktiivinen tasapainotus käyttää DC/DC-muuntimia tai muita tehonsiirtomenetelmiä siirtämään energiaa suoraan akkujen välillä. Aktiivisen tasapainotuspiirin toteuttaminen voi parantaa akkupakkausten turvallisuutta, kestävyyttä, lataus- ja purkukykyä sekä energiankäyttötehokkuutta.

2. Ehdota suunnitelmaa

Kokonaisarkkitehtuuri ja toimintaperiaate: Ehdotettu kaava-arkkitehtuuri (katso kuva 1) sisältää SOC-estimaatin (laajennettua Kalman-suodatinalgoritmia käyttäen), BMS-ohjaimen ja aktiivisen taajuuskorjauspiirin. Ohjain tunnistaa kunkin akun SOC:n ja lähettää signaaleja aktiiviseen tasapainotuspiiriin siirtääkseen varauksen korkean SOC:n akuista matalan SOC-akkuihin, mikä lopulta tasapainottaa jokaisen akun latauksen akussa.

SOC-estimointimenetelmä

Laajennettu Kalman-suodatinalgoritmiprosessi: SOC-estimointi käyttää laajennettua Kalman-suodatinalgoritmia, joka on toistuva prosessi, joka ottaa huomioon kohinan ja virheet instrumentissa ja arvioinnissa. Ensin määritetään akun eri attribuutit ja niiden riippuvuudet ja käytä niputettua parametrimallia akun vastaavan piirimallin suunnittelussa.

Analysoimalla piiri käyttäen Kirchhoffin jännitelakia (KVL), johdetaan päätejänniteyhtälö:

Kirchhoffin nykyistä lakia (KCL) soveltamalla johdetaan RC-haarayhtälö akun SOC:n ja piirivirran välisen suhteen perusteella:

Luo jatkuva aikatila-avaruusmalli, muunna se sitten diskreettiaikaiseksi tila-avaruusmalliksi (käyttäen suljetun muodon diskretisointikaavaa korrelaatiomatriisin ja vektorien käsittelyyn) ja lopuksi käytä Kalman-suodatinalgoritmia SOC-estimointiin (mukaan lukien tilayhtälöt ja mittausyhtälöt, kohina on itsenäinen nollakeskiarvo Gaussin prosessi, laskenta sisältää ajan päivityksen ja mittauksen päivitysvaiheet).

Buck-boost-muuntimen periaate: Buck-boost-muunnin on DC-DC-muunnin ja lähtöjännite voi olla pienempi tai suurempi kuin tulojännite. Kun kytkin on kytketty päälle (MOSFET kiinni, diodi pois päältä), kela varastoi energiaa; Kun kytkin kytketään pois päältä (MOSFET sammutetaan, diodi on päällä), kela vapauttaa energiaa kuormaan ja lähtöjännite kasvaa. Sen toimintatila on jaettu kahteen tilanteeseen.

Aktiivisen tasapainotuspiirin toimintamekanismi: Aktiivisessa tasapainotuspiirissä ohjain tunnistaa akkujen välisen SOC-epätasapainon, määrittää varauksen siirtosuunnan ja lähettää PWM-signaaleja kytkimen ohjaamiseksi. Jos ohjain havaitsee, että ylemmän akun N on siirrettävä energiaa alempaan akkuun N-1, se lähettää signaalin kytkimelle S2N. Kun kela on varastoinut energian maksimiarvoon, kytkin suljetaan, kelan jännite käännetään ja diodi D_N-1 on eteenpäin esijännitetty. Energia siirtyy akkuun N-1 diodin kautta ja päinvastoin.

3. Simulaatiotulokset

SOC-estimointialgoritmin validointi: Matlabissa laajennetun Kalman-suodatinalgoritmin arvioima SOC on yhdenmukainen todellisen SOC-aikakäyrän kanssa, mikä osoittaa, että algoritmia on käytetty onnistuneesti akun SOC:n arvioimiseen.

Aktiivisen tasapainotuspiirin tehokkuuden arviointi: Käyttämällä Matlab-simulaatiomallia aktiivisesta tasapainotuspiiristä, jossa on buck-boost-muunnin, ylemmän ja alemman akun alkuperäiset SOC-arvot asetettiin 23 %:iin ja 20 %:iin. Simuloinnin jälkeen ylemmän ja alemman akun lopullinen tasapainotettu SOC oli 21,39 % ja 21,4 %, jotka olivat lähellä alkuperäistä keskimääräistä SOC:ta ja saavuttivat onnistuneesti latauksen tasapainotuksen. Muuttamalla parametreja, kuten induktanssiarvoa, jaksoa ja toimintajaksoa, havaittiin, että tasapainotusajan ja lopullisen tasapainotuksen SOC:n välillä on kompromissi. Esimerkiksi kun induktanssiarvo pienenee, sykli kasvaa tai toimintajakso muuttuu, tasapainoaika ja lopullinen SOC muuttuvat vastaavasti. Tarkemmin sanottuna mitä pienempi induktanssiarvo, sitä suurempi sykli ja toimintajakson muutokset tietyllä alueella, sitä lyhyempi tasapainoaika, mutta myös lopulliseen SOC:iin vaikuttaa jossain määrin.

Yhteenveto

Tutkimus aktiivisesta tasapainotustekniikasta: Tämä artikkeli keskittyy aktiiviseen tasapainotustekniikkaan, joka mahdollistaa yhden akun varaustason tasapainon akuissa. Projektin valmistumisen aikana suunniteltiin aktiivinen tasapainotuspiiri ja suoritettiin piirisimulaatio odotettujen tulosten saamiseksi.

SOC-estimointimenetelmien valinta: Tutkittiin useita yhden akun SOC-estimointimenetelmiä, ja laajennettu Kalman-suodatinmenetelmä otettiin lopulta käyttöön sen tarkkuuden vuoksi epälineaaristen parametrien arvioinnissa.

Tutkimustodentaminen: Kaiken kaikkiaan projekti on onnistuneesti osoittanut aktiivisen tasapainotuksen tehokkuuden parantamaan akun suorituskykyä ja vähentämään turvallisuusriskejä. Simuloinnin avulla aktiivinen tasapainotuspiiri voi saavuttaa tasapainotilan, joka on lähellä keskimääräistä SOC-arvoa akuille, joilla on erilaiset alkuperäiset SOC:t, mikä osoittaa, että se voi tehokkaasti parantaa akun suorituskykyä ja vähentää akun epätasapainon aiheuttamia turvallisuusriskejä.

Erityisvaatimusten huomioimisen tärkeys: Tutkimuksessa korostetaan myös tarvetta ottaa tarkasti huomioon akkujärjestelmien ja sovellusten erityisvaatimukset sopivinta aktiivista tasapainotusjärjestelmää valittaessa. Eri akkujärjestelmillä (kuten erityyppisistä akuista koostuvat akut ja akkujen käyttövaatimukset eri sovellusskenaarioissa) voi olla erilaisia ​​aktiivisille tasapainotusjärjestelmille asetettuja vaatimuksia, kuten tasapainotusnopeuden, tasapainotuksen tarkkuuden, energiahäviön jne. erilainen painotus. optimaalisen suorituskyvyn ja turvallisuuden saavuttamiseksi on valittava sopivin aktiivinen tasapainotusjärjestelmä todellisen tilanteen mukaan.