Virk rafhlöðujöfnun: Greining á kjarnadrifkrafti skilvirks rafhlöðustjórnunarkerfis

Ágrip

Á sviði rafknúinna ökutækja eru frammistöðu rafhlöðustjórnunarkerfa (BMS) og árangursríkur endingartími rafgeyma lykilatriði. Til að bæta endingartíma rafhlöðupakkans er nauðsynlegt að jafna rafhlöðurnar reglulega. Hefð er að rafhlöðujafnvægi byggist aðallega á óvirkri jafnvægistækni, sem breytir umframorku í varmaorku til að ná jafnvægi milli rafhlaðna. Hins vegar veldur þessi aðferð ekki aðeins hitastjórnunarvandamál heldur dregur hún einnig úr heildarvirkni rafhlöðupakkans.

Þessi grein leggur til nýstárlega virka jafnvægisstefnu sem notar Kalman síu reikniritið til að hámarka skilvirkni BMS, sem tekur í raun á göllum óvirkrar jafnvægistækni. Kjarnamarkmiðið er að byggja upp kerfi sem getur stjórnað hleðslu og afhleðslu rafhlöðunnar á sama hátt og lengt þannig endingu rafhlöðunnar. Kerfið hefur hannað virka jafnvægisrás sem notar Kalman síu reikniritið til að meta nákvæmlega stöðu hverrar rafhlöðu og reikna út ákjósanlegasta hleðslu- og afhleðslustraum út frá því, til að ná skilvirku jafnvægi milli rafhlöðu.

Rannsóknarbakgrunnur, áætlun og niðurstöður

1. Rannsóknarbakgrunnur og hvatning

Þróunarbakgrunnur rafknúinna ökutækja og mikilvægi rafhlöðustjórnunarkerfa: Alþjóðleg athygli á umhverfismengun og eldsneytisverðshækkunum af völdum útblásturs útblásturs bíla undirstrikar nauðsyn þess að beita rafknúnum ökutækjum. Nýsköpun rafhlöðustjórnunarkerfa (BMS) hefur gert rafknúin farartæki að öflugum frambjóðanda fyrir framtíðarflutninga, en BMS hefur enn mörg svið til úrbóta til að auka skilvirkni og áreiðanleika.

Lykilatriði og áskoranir rafhlöðustjórnunarkerfisins

Mikilvægi SOC og SOH mats: Nákvæmt mat á hleðsluástandi (SOC) og heilsuástandi (SOH) rafhlöðu er mikilvægt fyrir áreiðanlega og skilvirka rekstur BMS. SOC mælir tiltæka getu rafhlöðu miðað við fullhlaðna stöðu hennar, en SOH gefur til kynna hversu öldrun rafhlöðunnar er, sem endurspeglar muninn á orkugeymslugetu milli núverandi fullhlaðna ástands og framleiðsluástands.

Áskorun og jafnvægiskröfur í rafhlöðupakkahönnun: Það er afar krefjandi að hanna öruggan og orkusparan rafhlöðupakka, þar sem það krefst hundruð volta af jafnspennu og hundruð kílóvatta af krafti, sem samanstendur af miklum fjölda rafhlaðna í röð og samhliða. Hins vegar, vegna framleiðslugalla og öldrunar, passa breytur rafhlöðunnar ekki saman, sem dregur úr skilvirkri getu rafhlöðupakkans. Þess vegna þarf BMS og ytri jafnvægisrásir til að fullnýta orku hverrar rafhlöðu. Rafhlöðujöfnunarrásir skiptast í óvirka og virka jafnvægisstillingu. Hlutlaus jafnvægi breytir rafhlöðuorku í varmaorku í gegnum shunt viðnám til að koma í veg fyrir ofhleðslu, en virk jafnvægi notar DC/DC breytir eða aðrar aflflutningsaðferðir til að flytja orku beint á milli rafgeyma. Að innleiða virka jafnvægisrás getur bætt öryggi, endingu, hleðslu og afhleðslu og orkunýtingu rafhlöðupakka.

2. Leggja fram áætlun

Heildararkitektúr og vinnuregla: Fyrirhuguð kerfisarkitektúr (sjá mynd 1) felur í sér SOC mat (með útvíkkuðum Kalman síu reiknirit), BMS stjórnandi og virka jöfnunarrás. Stýringin skynjar SOC hverrar rafhlöðu og sendir merki til virku jafnvægisrásarinnar um að flytja hleðslu frá háum SOC rafhlöðum yfir í lágar SOC rafhlöður, og jafnar að lokum hleðslu hverrar rafhlöðu í rafhlöðupakkanum.

SOC matsaðferð

Framlengt Kalman síu reiknirit ferli: SOC mat notar útvíkkað Kalman síu reiknirit, sem er endurtekið ferli sem tekur tillit til hávaða og villna í tækinu og mati. Í fyrsta lagi skaltu ákvarða hina ýmsu eiginleika og ósjálfstæði þeirra á rafhlöðunni og nota kekki með breytulíkani til að hanna samsvarandi hringrásarlíkan rafhlöðunnar.

Með því að greina hringrásina með því að nota spennulögmál Kirchhoffs (KVL), er endaspennujöfnan fengin:

Að beita núverandi lögmáli Kirchhoffs (KCL) til að leiða RC greinarjöfnuna, byggt á sambandi milli rafhlöðu SOC og rafrásarstraums:

Stofnaðu samfellt tímaástandsrýmislíkan, umbreyttu því síðan í staktímaástandsrýmislíkan (með því að nota lokaða formúlugreiningarformúlu til að vinna úr fylgnifylki og vigurum), og að lokum notaðu Kalman síu reikniritið fyrir SOC mat (þar á meðal ástandsjöfnur og mælijöfnur, hávaði er sjálfstætt núllmeðaltal Gauss ferli, útreikningur inniheldur tímauppfærslu og mæliuppfærsluþrep).

Meginreglan um buck boost breytir: A buck boost breytir er DC-DC breytir, og úttaksspennan getur verið lægri eða hærri en inntaksspennan. Þegar kveikt er á rofanum (MOSFET lokað, díóða slökkt) geymir inductor orku; Þegar slökkt er á rofanum (slökkt er á MOSFET, kveikt er á díóða), losar spólan orku til álagsins og útgangsspennan eykst. Vinnuhamur hennar er skipt í tvær aðstæður.

Vinnubúnaður virkrar jafnvægisrásar: Í virku jafnvægisrásinni skynjar stjórnandinn SOC ójafnvægið milli rafhlaðna, ákvarðar stefnu hleðsluflutningsins og sendir PWM merki til að stjórna rofanum. Ef stjórnandinn skynjar að efsta rafhlaðan N þarf að flytja orku til neðstu rafhlöðunnar N-1, sendir hann merki til rofans S2N. Eftir að inductor geymir orku að hámarksgildi, er rofanum lokað, inductor spennunni er snúið við og díóðan D_N-1 er forspennt. Orka er flutt til rafhlöðunnar N-1 í gegnum díóðuna og öfugt.

3. Niðurstöður hermis

Staðfesting SOC mats reiknirit: Í Matlab er SOC áætlað með útvíkkuðu Kalman síu reikniritinu í samræmi við raunverulegan SOC yfir tíma feril, sem gefur til kynna að reikniritið hafi verið notað með góðum árangri til að meta rafhlöðu SOC.

Mat á skilvirkni virkrar jafnvægisrásar: Með því að nota Matlab-hermilíkan af virkri jafnvægisrás með buck boost breyti, var upphafs SOC efri og neðri rafhlöðunnar stillt á 23% og 20%, í sömu röð. Eftir uppgerð var lokajafnvægi SOC efri og neðri rafhlöðunnar 21,39% og 21,4%, í sömu röð, sem voru nálægt upphaflegu meðaltali SOC og náðu hleðslujafnvægi með góðum árangri. Með því að breyta breytum eins og inductance gildi, hringrás og vinnulotu, kom í ljós að það er skipt milli jafnvægistíma og lokajöfnunar SOC. Til dæmis, þegar inductance gildið minnkar, hringrásin eykst eða vinnulotan breytist, mun jafnvægistími og loka SOC breytast í samræmi við það. Nánar tiltekið, því minna sem inductance gildið er, því stærri hringrásin og vinnulotan breytist innan ákveðins sviðs, því styttri jafnvægistíminn, en endanlegur SOC verður einnig fyrir áhrifum að einhverju leyti.

Samantekt

Rannsóknir á virkri jafnvægistækni: Þessi grein fjallar um virka jafnvægistækni fyrir hleðslujafnvægi eins rafhlöðu í rafhlöðupökkum. Þegar verkefninu lauk var hönnuð virk jafnvægisrás og gerð hringrásarlíking til að fá tilætluðum árangri.

Val á SOC matsaðferðum: Margar SOC matsaðferðir með einni rafhlöðu voru rannsakaðar og útbreidda Kalman síuaðferðin var að lokum tekin upp vegna nákvæmni hennar við mat á ólínulegum breytum.

Sannprófun rannsókna: Á heildina litið hefur verkefnið sýnt fram á árangur virks jafnvægis til að bæta afköst rafhlöðunnar og draga úr öryggisáhættu. Með uppgerð getur virka jafnvægisrásin náð jafnvægisástandi nálægt meðaltali SOC fyrir rafhlöður með mismunandi upphaflega SOC, sem gefur til kynna að það geti í raun bætt afköst rafhlöðunnar og dregið úr öryggisáhættu sem gæti stafað af ójafnvægi rafhlöðunnar.

Mikilvægi þess að huga að sérstökum kröfum: Í rannsókninni er einnig lögð áhersla á nauðsyn þess að íhuga vandlega sérstakar kröfur rafhlöðukerfa og notkunar þegar ákvarðað er heppilegasta virka jafnvægiskerfið. Mismunandi rafhlöðukerfi (eins og rafhlöðupakkar sem eru samsettir úr mismunandi gerðum rafhlöðu og kröfur um rafhlöðunotkun í mismunandi notkunarsviðum) geta haft mismunandi kröfur um virk jafnvægiskerfi, svo sem mismunandi áherslur á jafnvægishraða, jafnvægisnákvæmni, orkutap o.s.frv. velja þarf heppilegasta virka jafnvægiskerfið í samræmi við raunverulegar aðstæður til að ná sem bestum árangri og öryggi.