Echilibrarea activă a bateriei: Analiza forței motrice ale sistemului de management eficient al bateriei

Abstract

În domeniul vehiculelor electrice, performanța sistemelor de management al bateriilor (BMS) și durata de viață efectivă a bateriilor sunt considerații cheie. Pentru a îmbunătăți durata de viață a acumulatorului, este necesar să echilibrați periodic bateriile. În mod tradițional, echilibrarea bateriilor se bazează în principal pe tehnologia de echilibrare pasivă, care convertește excesul de energie în energie termică pentru a obține echilibrul între baterii. Cu toate acestea, această metodă nu numai că cauzează probleme de gestionare a căldurii, dar reduce și eficiența generală a acumulatorului.

Acest articol propune o strategie inovatoare de echilibrare activă care utilizează algoritmul de filtru Kalman pentru a optimiza eficiența BMS, abordând eficient deficiențele tehnologiei de echilibrare pasivă. Scopul principal este de a construi un sistem care poate gestiona uniform încărcarea și descărcarea bateriei, extinzând astfel durata de viață a bateriei. Sistemul a proiectat un circuit activ de echilibrare care utilizează algoritmul de filtru Kalman pentru a estima cu precizie starea fiecărei baterii și a calcula curentul optim de încărcare și descărcare pe baza acestuia, pentru a realiza o echilibrare eficientă între baterii.

Contextul cercetării, planul și rezultatele

1. Contextul cercetării și motivația

Contextul dezvoltării vehiculelor electrice și importanța sistemelor de management al bateriilor: Atenția globală acordată poluării mediului și creșterilor prețului combustibilului cauzate de emisiile de eșapament ale automobilelor evidențiază necesitatea implementării vehiculelor electrice. Inovația Sistemelor de management al bateriei (BMS) a făcut din vehiculele electrice un candidat puternic pentru transportul viitor, dar BMS mai are multe domenii de îmbunătățire pentru a spori eficiența și fiabilitatea.

Elemente cheie și provocări ale sistemului de management al bateriei

Importanța estimării SOC și SOH: Estimarea cu precizie a stării de încărcare (SOC) și a stării de sănătate (SOH) a unei baterii este crucială pentru funcționarea fiabilă și eficientă a BMS. SOC măsoară capacitatea disponibilă a unei baterii în raport cu starea sa complet încărcată, în timp ce SOH indică gradul de îmbătrânire a bateriei, reflectând diferența de capacitate de stocare a energiei dintre starea curentă complet încărcată și starea de fabricație.

Cerințe de provocare și echilibrare în proiectarea pachetului de baterii: Proiectarea unui pachet de baterii sigur și eficient din punct de vedere energetic este extrem de dificilă, deoarece necesită sute de volți de tensiune DC și sute de kilowați de putere, constând dintr-un număr mare de baterii în serie și paralel. Cu toate acestea, din cauza defectelor de fabricație și a îmbătrânirii, parametrii bateriei nu se potrivesc, ceea ce reduce capacitatea efectivă a acumulatorului. Prin urmare, BMS și circuitele externe de echilibrare sunt necesare pentru a utiliza pe deplin energia fiecărei baterii. Circuitele de echilibrare a bateriei sunt împărțite în echilibrare pasivă și activă. Echilibrarea pasivă transformă energia bateriei în energie termică prin rezistențe de șunt pentru a preveni supraîncărcarea, în timp ce echilibrarea activă utilizează convertoare DC/DC sau alte metode de transfer de putere pentru a transfera direct energia între baterii. Implementarea unui circuit de echilibrare activ poate îmbunătăți siguranța, durabilitatea, performanța de încărcare și descărcare și eficiența utilizării energiei bateriilor.

2. Propune un plan

Arhitectura generală și principiul de funcționare: Arhitectura de schemă propusă (vezi Figura 1) include estimarea SOC (folosind algoritmul de filtru Kalman extins), controlerul BMS și circuitul de egalizare activ. Controlerul detectează SOC-ul fiecărei baterii și trimite semnale către circuitul de echilibrare activ pentru a transfera sarcina de la bateriile cu SOC ridicat la bateriile cu SOC scăzut, echilibrând în cele din urmă încărcarea fiecărei baterii din pachetul de baterii.

Metoda de estimare a SOC

Procesul algoritmului de filtru Kalman extins: estimarea SOC adoptă algoritmul de filtru Kalman extins, care este un proces repetitiv care ia în considerare zgomotul și erorile în instrument și estimare. În primul rând, determinați diferitele atribute și dependențele acestora ale bateriei și utilizați un model cu parametrii concentrați pentru a proiecta modelul de circuit echivalent al bateriei.

Analizând circuitul utilizând Legea tensiunii lui Kirchhoff (KVL), se deduce ecuația tensiunii terminale:

Aplicarea legii curente a lui Kirchhoff (KCL) pentru a deriva ecuația ramului RC, pe baza relației dintre SOC bateriei și curentul circuitului:

Stabiliți un model de spațiu de stare în timp continuu, apoi convertiți-l într-un model de spațiu de stare în timp discret (folosind o formulă de discretizare în formă închisă pentru a procesa matricea de corelație și vectorii) și, în final, aplicați algoritmul de filtru Kalman pentru estimarea SOC (inclusiv ecuații de stare și ecuații de măsurare, zgomotul este un proces gaussian independent cu medie zero, calculul include actualizarea timpului și pașii de actualizare a măsurătorilor).

Principiul convertorului Buck Boost: Un convertor Buck Boost este un convertor DC-DC, iar tensiunea de ieșire poate fi mai mică sau mai mare decât tensiunea de intrare. Când comutatorul este pornit (MOSFET închis, dioda oprită), inductorul stochează energie; Când comutatorul este oprit (MOSFET este oprit, dioda este pornită), inductorul eliberează energie la sarcină, iar tensiunea de ieșire crește. Modul său de lucru este împărțit în două situații.

Mecanismul de funcționare al circuitului de echilibrare activ: în circuitul de echilibrare activ, controlerul detectează dezechilibrul SOC dintre baterii, determină direcția transferului de încărcare și trimite semnale PWM pentru a controla comutatorul. Dacă controlerul detectează că bateria superioară N trebuie să transfere energie către bateria inferioară N-1, trimite un semnal comutatorului S2N. După ce inductorul stochează energie la valoarea maximă, comutatorul este închis, tensiunea inductorului este inversată și dioda D_N{-1 este polarizată direct. Energia este transferată către bateria N-1 prin diodă și invers.

3. Rezultate simulare

Validarea algoritmului de estimare a SOC: În Matlab, SOC estimat de algoritmul de filtru Kalman extins este în concordanță cu curba SOC reală în timp, ceea ce indică faptul că algoritmul a fost utilizat cu succes pentru a estima SOC bateriei.

Evaluarea eficienței circuitului de echilibrare activă: Folosind un model de simulare Matlab al unui circuit de echilibrare activ cu un convertor de creștere, SOC inițial al bateriilor superioare și inferioare a fost setat la 23% și, respectiv, 20%. După simulare, SOC final echilibrat al bateriilor superioare și inferioare a fost de 21,39%, respectiv 21,4%, care s-au apropiat de SOC mediu inițial și au realizat cu succes echilibrarea încărcăturii. Prin modificarea parametrilor, cum ar fi valoarea inductanței, ciclul și ciclul de funcționare, s-a constatat că există un compromis între timpul de echilibrare și SOC final de echilibrare. De exemplu, când valoarea inductanței scade, ciclul crește sau ciclul de funcționare se modifică, timpul de echilibrare și SOC final se vor modifica în consecință. Mai exact, cu cât valoarea inductanței este mai mică, cu atât ciclul este mai mare și ciclul de lucru se modifică într-un anumit interval, cu atât timpul de echilibrare este mai scurt, dar SOC final va fi, de asemenea, afectat într-o oarecare măsură.

Rezumat

Cercetare privind tehnologia de echilibrare activă: Acest articol se concentrează pe tehnologia de echilibrare activă a echilibrului nivelului de încărcare a bateriei unice în pachetele de baterii. Pe parcursul finalizării proiectului a fost proiectat un circuit activ de echilibrare și s-a efectuat simularea circuitului pentru a obține rezultatele așteptate.

Selectarea metodelor de estimare a SOC: Au fost studiate mai multe metode de estimare a SOC cu o singură baterie, iar metoda filtrului Kalman extins a fost adoptată în cele din urmă datorită preciziei sale în estimarea parametrilor neliniari.

Verificarea cercetării: În general, proiectul a demonstrat cu succes eficiența echilibrării active în îmbunătățirea performanței bateriei și reducerea riscurilor de siguranță. Prin simulare, circuitul de echilibrare activ poate atinge o stare de echilibrare apropiată de SOC medie pentru bateriile cu SOC inițial diferit, ceea ce indică faptul că poate îmbunătăți eficient performanța bateriei și poate reduce pericolele de siguranță care pot fi cauzate de dezechilibrul bateriei.

Importanța luării în considerare a cerințelor specifice: Studiul subliniază, de asemenea, necesitatea de a lua în considerare cu atenție cerințele specifice ale sistemelor și aplicațiilor de baterii atunci când se determină cel mai potrivit sistem de echilibrare activă. Diferite sisteme de baterii (cum ar fi pachetele de baterii compuse din diferite tipuri de baterii și cerințe de utilizare a bateriei în diferite scenarii de aplicare) pot avea cerințe diferite pentru sistemele de echilibrare activă, cum ar fi accent diferit pe viteza de echilibrare, precizia echilibrării, pierderea de energie etc. Prin urmare, cea mai potrivită schemă de echilibrare activă trebuie selectată în funcție de situația actuală pentru a obține performanțe și siguranță optime.