Deep Learning BMS tækni opnar nýjar hæðir í afköstum litíumjónarafhlöðu

Ágrip

Rafhlöðustjórnunarkerfið (BMS) er mikilvægt til að skilja afköst rafhlöðunnar við erfiðar aðstæður, svo sem prófun á háum hraða. Þessi rannsókn leggur til nýjan BMS fyrir stöðuga vöktun, sendingu og geymslu á lykilbreytum eins og spennu, straumi og hitastigi NCA {{0}}S litíumjónarafhlöðupakka við háhraðaprófanir. Þetta BMS sameinar djúpnámstækni til að spá fyrir um heilsufar rafhlöðunnar (mælt með afhleðslugetu) með því að fylgjast með ytri rafhlöðubreytum. Tvær tilraunir voru gerðar: kyrrstöðutilraun til að sannreyna virkni BMS og raunverulegt vinnuskilyrði (misnotkunarpróf með mikilli stækkun með titringi á rafknúnum ökutækjum) til að meta raunverulegan árangur þess. Niðurstöðurnar sýndu að hámarkshiti yfirborðs rafhlöðunnar við raunveruleg flugskilyrði náði 55 gráðum C, sem var hærra en kyrrstöðuprófið; Reikniritið fyrir mat á djúpnámsgetu greindi meðalgetu frávik upp á 0,04 Ah, sem sýnir nákvæma heilsufar með því að spá fyrir um rafhlöðugetu. Þetta BMS sýnir árangursríka gagnasöfnun og spáhæfileika, sem endurspeglar raunverulegt ástand í misnotkunarprófunum.

1. Inngangur

Mikilvægi litíumjónarafhlöður (LIB) og tengd tækni þeirra:LIB eru mikilvæg á núverandi tæknisviði og eru mikið notuð í rafknúnum ökutækjum, drónum og flytjanlegum rafeindatækjum. Í samanburði við hefðbundna rafhlöðutækni hafa LIBs kosti eins og mikla orkuþéttleika og langan líftíma, en útbreidd notkun þeirra hefur einnig í för með sér áskoranir um öldrun rafhlöðunnar. Þess vegna er heilbrigðisástand (SOH) mikilvægur mælikvarði til að mæla öldrun rafhlöðunnar. Nákvæmt mat á SOH stendur frammi fyrir mörgum áskorunum og rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) eru mikilvæg til að fylgjast nákvæmlega með rafhlöðubreytum.

Hönnun og tengdar vísbendingar um BM:Hönnun BMS er venjulega tengd sérstökum forritum og auk SOH eru hleðsluástand (SOC) og Remaining Useful Life (RUL) einnig algengar vísbendingar um heilsu rafhlöðunnar. Gögnin fyrir þessa vísbendingar koma venjulega frá sérsniðnum gagnaöflun (DAQ) stillingum, sem geta veitt gögn fyrir djúpt nám (DL), en hafa takmarkanir eins og stór stærð, háan kostnað og miða á sérstakar rafhlöður. Samþætting DL tækni við háþróaða BMS er efnileg nálgun sem getur sigrast á áskorunum gagnasöfnunaraðferða og veitt sveigjanleika.

Mikilvægar breytur og tengdar rannsóknarkröfur LIBs:SOH, SOC, RUL og C-hlutfall eru öll mikilvæg færibreytur fyrir frammistöðu LIB. Aukning á C-hlutfalli mun leiða til lækkunar á rafhlöðugetu og afköstum. Núverandi gagnasöfnunaraðferðir standa frammi fyrir áskorunum eins og flóknum stillingum og óljósri nákvæmni skynjara og krefjast þess vegna þróunar á nýstárlegum flytjanlegum BMS ramma fyrir gagnasöfnun í ýmsum notkunarsviðum eins og mikilli stækkun. Þessi rannsókn leggur til BMS alhliða ramma sem samþættir áður þróað Capacity Degradation Network (CD Net) DL líkan, sem getur uppfyllt rauntíma vöktunarkröfur rafknúins. Gagnasöfnun og líkanasamþættingargeta þess hefur verið sannreynd með tilraunum.

2. Þróun BMS

Yfirlit yfir BMS þróun:Prentað hringrásarborð var þróað fyrir fyrirhugaða BMS til að safna lykilgögnum sem þarf til að spá fyrir um heilsu rafhlöðunnar og grípa til aðgerða byggðar á spánni. Þróaða BMS notar raunveruleg rekstrarskilyrði (þar á meðal rafhlöðuspennu, straum og hitastig) til að spá fyrir um heilsu rafhlöðunnar og gögnin sem safnað er eru sett inn í djúpnám (DL) líkan til að spá í rauntíma.

Skynjaramæling

Straum- og spennumæling:Háhliðar straumskynjari INA219 er notaður til að mæla strauminn með því að setja inn shunt viðnám. Til að laga sig að hástraumsaðstæðum er sjálfgefna 0.1 Ω shunt viðnáminu skipt út fyrir 0.01 Ω viðnám, sem gerir núverandi mælingarsviði kleift að ná ± 32A.

Hitamæling:PT100 Adafruit MAX31865 skynjari er valinn til að mæla hitastig, sem hefur litla orkunotkun, mikla nákvæmni og stöðugleika. Callendar van Dusen jafnan er notuð til að fá sambandið milli hitastigs og viðnáms. Fimm skynjarar eru notaðir til að mæla yfirborðshitastig og umhverfishita fjögurra rafhlaðna í sömu röð og kvörðun fer fram.

Tækjastýring:Veldu Arduino Uno Rev 2 Wi Fi hringrásarborðið sem stjórnandi, sem hefur gagnaupptöku, forvinnslu og sendingargetu. Það veitir afl til skynjaranetsins í gegnum innri 5V þrýstijafnarann ​​og tengir skynjarann ​​og örstýringuna með SPI samskiptareglum.

SOH mat:Spennu- og hitastigsgögnin sem BMS safnar eru send til tölvunnar og núverandi gögn eru notuð til að reikna út hleðsluástand (SOC) rafhlöðunnar með Coulomb talningaraðferð. SOC, ásamt nafngetu og efnasamsetningu rafhlöðunnar, er sett inn í CD Net líkanið til að spá fyrir um losunargetu rafhlöðunnar og reikna út SOH. CD Net líkanið notar blöndu af tauganetum með sérstökum byggingum, sem eru fínstillt og unnin fyrir spá.

3. Tilraunauppsetning

Yfirlit yfir tilraunauppsetningu:Rafhlaða pakki sem samanstendur af fjórum 18650 Sony VTC 6 rafhlöðum tengdum í röð var prófaður með NCA efnakerfi. Kynntar voru viðeigandi upplýsingar um einstakar rafhlöður og rafhlöðupakka.

Jarðpróf:Tilgangurinn er að greina frammistöðu nýþróaða BMS áður en það er notað á rafknúna ökutæki. Notaðu NEWARE Powerwall CT-4004-20V20A kerfið sem hleðslu, tengdu BMS við rafhlöðupakkann og hlaða, fylgstu með spennu, straumi og yfirborðshita hvers rafhlöðupakka og skráðu gögnin með BMS. Settu RTD skynjara í miðju rafhlöðunnar og skráðu stefnu rafhlöðupakkans til að tryggja samræmi í hitastigsskráningu. Framkvæma 42 hleðslu- og afhleðslulotur, með hringrásarmynstri svipað og vottunartilraun NASA fyrir lítil gervitungl.

Loftprófun:Framkvæmt eftir prófun á jörðu niðri, með því að nota rafmagnsflugvél (FLYWOO Explorer dróna) í 20 hleðslulotur til að safna gögnum við háhraða losunaraðstæður. Kynning á viðeigandi breytum flugvélarinnar, rafhlöðupakkinn er settur upp á þrívíddarprentaðan krappi, BMS er efst, hleðsluferlið er í samræmi við prófun á jörðu niðri, en losunarferlið er af handahófi. Flugvélin er um 1 fet yfir jörðu við losun. Þegar BMS sýnir að rafhlöðuspennan nær 10V hættir afhleðslan og ökutækið hvílir í 0,167 klukkustundir áður en það er hlaðið.

4. Niðurstöður og umræður

Samantekt um niðurstöður umræður:Kynnir niðurstöður og helstu niðurstöður sem fengust með því að nota nýlega þróað BMS (þar á meðal CD Net líkansspá). Nýlega þróað BMS safnar gögnum frá kyrrstöðu og kraftmiklu rafhlöðuálagi og samþættist óaðfinnanlega við DL módel eins og CD Net, sem veitir sveigjanleika til að laga sig að tækniþróun.

Niðurstöður jarðprófa

Mæling á spennuferli:Spennutímagögn 42 hleðslu- og afhleðslulota BMS og prófunarbúnaðar (BAn) eru svipuð. Þrátt fyrir að BMS gögnin hafi upphaflega töf, renna þau að lokum saman, með meðalfrávik upp á 0.2V á milli þeirra tveggja. Hægt er að nota stöðuga spennuhluta losunarferilsins til að rannsaka sambandið við SOH og frávikið stafar af mismun á gagnaflutningshraða og innri klukku.

Núverandi ferilmæling:Núverandi gögn BMS og BAn passa saman í heild og núverandi breytingar á losunar- og hleðslustigum fylgja reglum. Hins vegar er seinkun á BMS lestri gagna á núverandi umbreytingarstigi, sem leiðir til nokkurra frávika. Eftir að stór fráviksgögn hafa verið fjarlægð er meðalfrávikið minna og straumlestur er nákvæmari en spennuaflestur.

Mæling hitaferils:Fylgstu með yfirborðshitastigi fjögurra rafhlaðna og komdu að því að hitastigið eykst smám saman á meðan á hleðslu og afhleðslu stendur og nær hæsta punkti í lok stöðugrar hleðslu. Síðan breytist hitastigið við stöðuga hleðslu og afhleðslu. Fjórða rafhlaðan í rafhlöðupakkanum hefur tiltölulega hátt hitastig og BMS getur greint og sýnt hitamun hverrar rafhlöðu. Hægt er að nota hitaafbrigði til rafhlöðustjórnunar.

Niðurstöður úr loftprófi

Mæling á straum- og spennukúrfum:Á meðan á flugi dróna stendur breytist straumurinn af handahófi og BMS getur nákvæmlega skráð háhraða útskriftarstrauminn. Afhleðslustraumurinn eykst með fjölda prófana og spennan minnkar úr 16,8V í 10V meðan á losunarferlinu stendur. Straumur og spenna hafa áhrif á aðlögun flugstöðu meðan á flugi stendur.

Mæling hitaferils:Við prófun úr lofti er yfirborðshiti rafgeymisins hærra en við prófun á jörðu niðri, með hámarkshitastig um 55 gráður C. Í hleðsluferlinu hefur hitastigið tilhneigingu til að lækka og meðan á losunarferlinu stendur hækkar hitastigið smám saman. Það er munur á hitastigi milli mismunandi rafhlöðu og hitasveiflur verða fyrir áhrifum af flugviðhorfsstillingum.

Niðurstöður djúpnámshóps:Í jarðprófunum minnkaði rafgeymirinn smám saman og CD Net líkanið spáði fyrir um afkastagetu frá 5. lotu, sem var svipað og Coulomb talningargetan skráð af BMS. Spá líkansins var tiltölulega nákvæm; Talningargeta Coulomb var óstöðug við prófun úr lofti, en líkanið gat samt spáð fyrir um með meðalmismun upp á 0.046Ah. Með því að bera saman afkastagetu sem mæld er með Coulomb talningaraðferð við spáð afkastagetu líkansins var árangursrík samþætting BMS og DL líkana sannreynd, sem hægt er að nota til að spá fyrir um heilsufar (SOH) rafgeyma.

5. Samantekt

Samantekt á niðurstöðum rannsókna:Raunveruleg vinnuskilyrði gagnasöfnun rafknúinna ökutækja krefst flytjanlegs BMS sem getur starfað við erfiðar aðstæður, svo sem háhraða losun LIBs. Þessi rannsókn leggur til nýjan BMS arkitektúr, sem notar brún og ský ramma til að taka upp, senda og taka á móti gögnum, og getur séð um háhraða losun, í stað hefðbundinna aðferða sem byggjast á CAN bus og brún tölvum.

Samantekt á niðurstöðum prófsins:Jarð- og loftprófanir voru gerðar og yfirborðshiti rafgeymisins var hæstur í lok afhleðslustigsins með stöðugum straumi. Yfirborðshiti rafhlöðunnar var enn hærra í loftprófuninni og náði að hámarki næstum 55 gráður C. Hitastigshækkunin getur stafað af þáttum eins og öldrun rafhlöðunnar og SOC breytingum og of hátt hitastig getur leitt til bilunar í rafhlöðunni. Í 42 lotum á jörðu niðri og 20 lotum í loftinu jókst yfirborðshiti smám saman.

Niðurstöður líkansspár:Með því að nota söfnuð gögn spáir CD Net líkanið fyrir um heilsufar (SOH) rafhlöðunnar við raunverulegar rekstraraðstæður. Afkastagetuspá líkansins fyrir næstu lotu í jarðprófunum er tiltölulega nákvæm, með meðalfrávik upp á {{0}}.026 Ah; Þrátt fyrir að það hafi verið sveiflur í afkastagetu við prófun í lofti var spáð meðalmunur 0,046 Ah og BMS gat á áhrifaríkan hátt safnað gögnum innan viðmiðunarsviðs straumspennuskynjara.