Активная балансировка батарей: анализ основной движущей силы эффективной системы управления батареями

Абстрактный

В области электромобилей ключевыми факторами являются производительность систем управления батареями (BMS) и эффективный срок службы батарей. Для увеличения срока службы аккумуляторной батареи необходимо периодически проводить балансировку батарей. Традиционно балансировка батарей в основном основана на технологии пассивной балансировки, которая преобразует избыточную энергию в тепловую энергию для достижения баланса между батареями. Однако этот метод не только вызывает проблемы с управлением теплом, но и снижает общую эффективность аккумуляторной батареи.

В этой статье предлагается инновационная стратегия активной балансировки, которая использует алгоритм фильтра Калмана для оптимизации эффективности BMS, эффективно устраняя недостатки технологии пассивной балансировки. Основная цель — создать систему, которая сможет единообразно управлять зарядкой и разрядкой аккумулятора, тем самым продлевая срок его службы. В системе разработана схема активной балансировки, которая использует алгоритм фильтра Калмана для точной оценки состояния каждой батареи и расчета на ее основе оптимального тока зарядки и разрядки для достижения эффективной балансировки между батареями.

Предыстория, план и результаты исследования

1. Предыстория исследования и мотивация

Предыстория развития электромобилей и важность систем управления аккумуляторами: глобальное внимание к загрязнению окружающей среды и росту цен на топливо, вызванному выбросами выхлопных газов автомобилей, подчеркивает необходимость внедрения электромобилей. Инновации в области систем управления батареями (BMS) сделали электромобили мощным кандидатом на транспортные средства будущего, но у BMS еще есть много возможностей для улучшения, чтобы повысить эффективность и надежность.

Ключевые элементы и проблемы системы управления батареями

Важность оценки SOC и SOH. Точная оценка состояния заряда (SOC) и работоспособности (SOH) батареи имеет решающее значение для надежной и эффективной работы BMS. SOC измеряет доступную емкость аккумулятора относительно его полностью заряженного состояния, а SOH указывает степень старения аккумулятора, отражая разницу в емкости хранения энергии между текущим полностью заряженным состоянием и производственным состоянием.

Проблемы и требования к балансировке при проектировании аккумуляторных блоков. Разработка безопасного и энергоэффективного аккумуляторного блока является чрезвычайно сложной задачей, поскольку для этого требуются сотни вольт постоянного напряжения и сотни киловатт мощности, состоящей из большого количества батарей, соединенных последовательно и параллельно. Однако из-за производственного брака и старения параметры аккумулятора не совпадают, что снижает эффективную емкость аккумуляторного блока. Поэтому для полного использования энергии каждой батареи необходимы BMS и внешние балансировочные схемы. Схемы балансировки аккумуляторов делятся на пассивные и активные. Пассивная балансировка преобразует энергию батареи в тепловую энергию через шунтирующие резисторы для предотвращения перезарядки, тогда как активная балансировка использует преобразователи постоянного/постоянного тока или другие методы передачи энергии для непосредственной передачи энергии между батареями. Внедрение схемы активной балансировки может повысить безопасность, долговечность, производительность зарядки и разрядки, а также эффективность использования энергии аккумуляторных блоков.

2. Предложите план

Общая архитектура и принцип работы: Предлагаемая архитектура схемы (см. рисунок 1) включает оценку SOC (с использованием расширенного алгоритма фильтра Калмана), контроллер BMS и схему активной коррекции. Контроллер определяет уровень заряда каждой батареи и отправляет сигналы в схему активной балансировки для передачи заряда от батарей с высоким SOC к батареям с низким SOC, в конечном итоге балансируя заряд каждой батареи в аккумуляторном блоке.

Метод оценки SOC

Процесс алгоритма расширенного фильтра Калмана: при оценке SOC используется алгоритм расширенного фильтра Калмана, который представляет собой повторяющийся процесс, учитывающий шум и ошибки в приборе и оценке. Во-первых, определите различные атрибуты батареи и их зависимости и используйте модель с сосредоточенными параметрами для разработки модели эквивалентной схемы батареи.

Анализируя схему с использованием закона напряжения Кирхгофа (KVL), выводится уравнение напряжения на клеммах:

Применение закона тока Кирхгофа (KCL) для вывода уравнения RC-ветви, основанного на взаимосвязи между SOC батареи и током цепи:

Создайте модель пространства состояний с непрерывным временем, затем преобразуйте ее в модель пространства состояний с дискретным временем (используя формулу дискретизации замкнутой формы для обработки корреляционной матрицы и векторов) и, наконец, примените алгоритм фильтра Калмана для оценки SOC (включая уравнения состояния и уравнения измерения, шум представляет собой независимый гауссовский процесс с нулевым средним, расчет включает этапы обновления времени и обновления измерений).

Принцип повышающе-понижающего преобразователя: Повышающий преобразователь представляет собой преобразователь постоянного тока, выходное напряжение которого может быть ниже или выше входного напряжения. Когда переключатель включен (MOSFET закрыт, диод выключен), катушка индуктивности сохраняет энергию; Когда переключатель выключен (MOSFET выключен, диод включен), дроссель отдает энергию в нагрузку, и выходное напряжение увеличивается. Его рабочий режим разделен на две ситуации.

Рабочий механизм схемы активной балансировки: в схеме активной балансировки контроллер определяет дисбаланс SOC между батареями, определяет направление передачи заряда и отправляет сигналы ШИМ для управления переключателем. Если контроллер обнаруживает, что верхняя батарея N должна передать энергию нижней батарее N-1, он отправляет сигнал на переключатель S2N. После того, как индуктор запасает энергию до максимального значения, переключатель замыкается, напряжение индуктора меняется на противоположное, и диод D_N-1 смещается в прямом направлении. Энергия передается батарее N-1 через диод и наоборот.

3. Результаты моделирования

Проверка алгоритма оценки SOC: в Matlab SOC, оцененный с помощью расширенного алгоритма фильтра Калмана, согласуется с фактической кривой SOC во времени, что указывает на то, что алгоритм успешно использовался для оценки SOC батареи.

Оценка эффективности схемы активной балансировки. Используя имитационную модель схемы активной балансировки Matlab с понижающе-повышающим преобразователем, первоначальный SOC верхней и нижней батарей был установлен на 23% и 20% соответственно. После моделирования окончательный сбалансированный SOC верхней и нижней батарей составил 21,39% и 21,4% соответственно, что было близко к исходному среднему SOC и успешно обеспечило балансировку заряда. Изменяя такие параметры, как значение индуктивности, цикл и рабочий цикл, было обнаружено, что существует компромисс между временем балансировки и окончательным балансовым SOC. Например, когда значение индуктивности уменьшается, цикл увеличивается или изменяется рабочий цикл, время баланса и конечный SOC изменятся соответственно. В частности, чем меньше значение индуктивности, тем больше цикл и рабочий цикл изменяется в определенном диапазоне, тем короче время баланса, но окончательный SOC также будет в некоторой степени затронут.

Краткое содержание

Исследование технологии активной балансировки. В этой статье основное внимание уделяется технологии активной балансировки уровня заряда одной батареи в аккумуляторных блоках. В ходе реализации проекта была спроектирована схема активной балансировки и проведено моделирование схемы для получения ожидаемых результатов.

Выбор методов оценки SOC: были изучены несколько методов оценки SOC для одной батареи, и в конечном итоге был принят метод расширенного фильтра Калмана из-за его точности при оценке нелинейных параметров.

Проверка исследований: В целом проект успешно продемонстрировал эффективность активной балансировки в улучшении производительности батареи и снижении рисков безопасности. Посредством моделирования схема активной балансировки может достичь состояния баланса, близкого к среднему SOC для батарей с различным начальным SOC, что указывает на то, что она может эффективно улучшить производительность батареи и снизить угрозы безопасности, которые могут быть вызваны дисбалансом батареи.

Важность рассмотрения конкретных требований. В исследовании также подчеркивается необходимость тщательно учитывать конкретные требования к аккумуляторным системам и приложениям при определении наиболее подходящей системы активной балансировки. Различные аккумуляторные системы (например, аккумуляторные блоки, состоящие из аккумуляторов разных типов и требования к использованию аккумуляторов в разных сценариях применения) могут предъявлять разные требования к системам активной балансировки, например, различное внимание к скорости балансировки, точности балансировки, потерям энергии и т. д. Таким образом, В соответствии с реальной ситуацией необходимо выбрать наиболее подходящую схему активной балансировки для достижения оптимальной производительности и безопасности.