Skilvirk útfærsla á rauntíma eftirliti og spá um SOC fyrir litíumjónarafhlöðupakka

Ágrip

Í þessari rannsókn er kafað í eftirlit með hleðslustöðu litíumjónarafhlöðu, sem skiptir sköpum fyrir öryggi og skilvirkni rafhlöðuorkustjórnunar í innbyggðum forritum. Nákvæmur skilningur á hleðslustöðu rafhlaðna er afgerandi þýðing til að tryggja örugga notkun þeirra og frammistöðu. Rannsóknarteymið þróaði og innleiddi áheyrnaralgrím byggt á Kalman síu, sem var sett á Spartan 6 FPGA. Reikniritið getur nákvæmlega metið hleðsluástand rafhlöðunnar, jafnvel þó að það sé frávik á milli upphaflegs áætlaðs gildis og raunverulegs ástands. Þessi grein leggur sérstaklega áherslu á kosti FPGA í hraðvirkri tölvuvinnslu, sem gerir FPGA kleift að þjóna sem skilvirkur þrælahlutur í rafhlöðustjórnunarkerfum (BMS), sem fylgist með hleðslustöðu fjölda rafhlaðna með lægri kostnaði. Innleiðing þessa áheyrnarfulltrúa á lággjalda FPGA hefur mikla þýðingu til að draga úr kostnaði við rafhlöðustjórnunarkerfi í forritum eins og rafknúnum ökutækjum. Að auki hefur áheyrnarlíkanið verið staðfest með tilliti til virkni þess með ströngum uppgerð og rauntímaprófunum. Þessi rannsókn leggur til árangursríka aðferð til að meta nákvæmlega hleðslustöðu litíumjónarafhlöðu, sem veitir sterkan stuðning við skilvirka stjórnun rafhlöðuorku í ýmsum forritum.

1. Inngangur

Mikilvægi orkustjórnunar og SOC mats:Orkustjórnun skiptir sköpum í innbyggðum forritum, sérstaklega rafhlöðuknúnum tækjum, þar sem það hefur áhrif á endingu rafhlöðunnar og heildarafköst kerfisins. Lithium ion rafhlöður eru mikið notaðar vegna mikillar orkuþéttleika, lágs sjálfsafhleðsluhraða og langs líftíma. Til að tryggja öryggi og skilvirkni rafgeymiskerfisins er nákvæmt mat á SOC nauðsynlegt. Ónákvæmt mat getur leitt til ofhleðslu, ofhleðslu og ótímabærrar bilunar á rafhlöðunni. Hins vegar gera ólínulegir og tímabreytilegir eiginleikar litíumjónarafhlöðu SOC-mat nokkuð krefjandi, þess vegna hafa ýmsar matsaðferðir verið lagðar til, þar á meðal líkanabyggðar og gagnadrifnar aðferðir.

Rafhlöðustjórnunarkerfi og SOC matsaðferð

Rafhlöðustjórnunarkerfið (BMS) er mikilvægur hluti af rafhlöðupakka, sem fylgist með rafhlöðustöðu og stjórnar hleðslu- og afhleðsluferlinu. Nákvæmt SOC mat er ein af lykilaðgerðum þess, sem hjálpar til við að hámarka rafhlöðunotkun, koma í veg fyrir ofhleðslu og ofhleðslu. Reikniritið þarf að mæta mikilli nákvæmni, traustleika fyrir skynjaravillur með litlum nákvæmni og rangt mat á rafhlöðubreytum og lágum kröfum um reikniorku. Líkana- og matsaðferðirnar til að ná nákvæmu SOC mati fela í sér rafefnafræði, jafngildar hringrásir og gagnadrifnar aðferðir. Rafefnafræðileg líkön eru nákvæm en reiknilega dýr og krefjast sérhæfðrar þekkingar, á meðan aðferðir byggðar á áhorfendum eru tiltölulega einfaldar og hafa góða nákvæmni.

SOC matsaðferðum er skipt í tvo flokka:opið og lokað lykkja mat. Opnar lykkjuaðferðir eins og Coulomb talning eru einfaldar en krefjast fyrstu SOC þekkingu, hæga gangverki og lélegan áreiðanleika, á meðan opnar spennuaðferðir eru nákvæmar en krefjast þess að rafhlaðan sé laus í langan tíma. Lokuðu lykkjuaðferðirnar fela aðallega í sér Model Predictive Control (MPC) og tengdar aðferðir hennar (eins og Extended Kalman Filter (EKF), Dual Extended Kalman Filter (DEKF), Adaptive Extended Kalman Filter (AEKF), Adaptive Hybrid Algorithm (AMA), State Observer, Generalized Extended State Observer (GESO), Fuzzy Logic Method og Neural Network), auk aðferða s.s. H-óendanleika síu, Sliding Mode Observer (SMO), agnasíu (PF) byggðar aðferðir og afbrigði af Kalman síu (eins og óilmandi Kalman síu (UKF) og Sigma Point Kalman síu (SPKF)).

Beiting EKF og FPGA í SOC mati:Það eru ýmsar aðferðir til að meta SOC á netinu og ríkisáheyrnarfulltrúar (sérstaklega EKF) eru vinsælir vegna styrkleika þeirra. Í rafhlöðustjórnun getur EKF endurkvæmt reiknirit sameinað rafhlöðulíkön og mæligögn til að meta SOC. Hins vegar er kostnaðarsamt að innleiða flókin reiknirit með örstýringum og hentar kannski ekki fyrir fjölrafhlöðukerfi. BMS kostnaður (þar á meðal eftirlit og jafnvægi) getur náð 30% af verði rafhlöðupakka. Þess vegna beinist þessi rannsókn að hraðvirkum útreikningum á SOC matsalgrími fyrir rafhlöður í rafknúnum ökutækjum með mörgum rafhlöðum í röð með því að nota sviði forritanleg hliðarfylki (FPGA). FPGA hefur reynst skilvirkt á iðnaðarsviðinu. Markmið þessarar rannsóknar er að innleiða áheyrnarfulltrúa sem byggir á EKF reiknirit á ódýrum og skilvirkum Spartan 6 FPGA, sem getur leiðrétt upphaflega ónákvæma SOC mat. Hröð athugunartími getur náð samtímis athugun á mörgum rafhlöðum með sömu FPGA, sem dregur úr BMS kostnaði rafknúinna ökutækja eða annarra rafhlöðu SOC kerfa sem þarf að fylgjast með. Næstu kaflar ritgerðarinnar munu kynna litíumjónarafhlöðulíkanið, áheyrnarhönnun, útfærslu á FPGA, uppgerð í Xilinx umhverfi, tilraunaniðurstöður, rannsóknarniðurstöður og framtíðarvinna í röð.

2. Áheyrnarfulltrúi ríkisins

Gerð rafhlöðu

Það eru ýmsar líkanaaðferðir til að sýna nákvæmlega kraftmikla hegðun rafefnafræðilegra frumna. Þrátt fyrir að rafefnafræðileg líkön geti hjálpað til við að spá fyrir um frammistöðu rafhlöðunnar og skilja öldrunarferli, krefjast þau upphafs- og jaðarskilyrða rafhlöðunnar, og eru reiknifræðilega flókin og henta ekki fyrir rauntíma notkun. Þannig að einfaldað líkan byggt á samsvarandi hringrás (EEC) var þróað, sem hentar ekki rafefnafræðilegum fagfólki og auðvelt er að nota það í rauntíma. Hins vegar þarf að huga að rafefnafræðilegum fyrirbærum á rafhlöðustigi til að einfalda módelþekkingu.

EEC líkanið sem notað er í þessari rannsókn inniheldur opinn hringrás spennugjafa (OCV), viðnám R Ω sem táknar hátíðnifyrirbæri eins og raflausn og tengiviðnám, auk hleðsluflutnings kraftmikils viðnáms og samhliða hringrás R1C1 sem líkir eftir lágtíðni dreifingarfyrirbæri. Til að einfalda rauntímaútreikninga er ein RC hringrás notuð til að líkja eftir dreifingarfyrirbærum með sýnatökutímabilinu Te=0.1 sekúndu, sem hægt er að hunsa samanborið við sýnatökutímabilið vegna kraftmikilla hleðsluflutningsins (um 10ms). ). Staðajafna rafhlöðulíkans er útvíkkuð til SOC eins og sýnt er í formúlu 1:

(Þar sem Qnom er nafngeta, V1 er spenna yfir R1C1 hringrás, SOC er hleðsluástand, Ubat er rafhlöðuspenna), er rafhlöðulíkanið fyrir staka ástand framlengt til SOC eins og sýnt er í formúlu 2:

SOC áheyrnarfulltrúi byggður á Kalman síu

SOC er ekki hægt að mæla beint og Extended Kalman Filter (EKF) er almennt notað til að leysa þetta vandamál. Það krefst nákvæmrar rafhlöðulíkans og getu til að meta SOC innan ákveðins hávaðasviðs. EKF frumstillir og spáir fyrir um ástandsbreytur á tilteknum sýnatökutíma Te, með því að nota stöðujöfnu rafhlöðulíkans (formúlu 1) sem inniheldur SOC til að spá. Frammistaða áhorfandans fer eftir trausti á mælingu og líkani, að teknu tilliti til líkanóvissu wk og spennumælingaóvissu vk (formúla 3):

Að því gefnu að þeir séu hvítur hávaði, Gausshljóð, og hafi meðaltalið núll, þá eru þeir innifaldir í samdreifnifylkjum Q og R í ástands- og mælihljóði, í sömu röð.

Vegna ólínuleika þess að útvíkka rafhlöðulíkanið yfir í SOC (þar sem OCV tengist SOC) er nauðsynlegt að línugreina það með því að reikna Jacobian fylkið á hverjum sýnatökutíma (formúla 4):

Línuleg og reiknaðu Kalman hagnaðinn (formúla 5):

Uppfærðu fylgifylki (formúla 6):

Notaðu að lokum bestu ávinningsleiðréttingu til að spá fyrir um ástandsvigur (formúla 7):

EKF breytur eru teknar saman í töflunni hér að neðan.

3. FPGA útfærsla

FPGA arkitektúr hönnun:FPGA samanstendur af vinnsluauðlindum (eins og minni, rökfræði og skrám, flokkuð í mismunandi gerðir af rökfræðiblokkum) og forritanlegum samtengiauðlindum. Við forritun er nauðsynlegt að tilgreina virkni rökfræðiblokkanna og skipuleggja samtengingarnetið. Þessi rannsókn beinist að fylkisforritanlegum hringrásararkitektúr, þar sem rökblokkir eru í reglulegri rétthyrndu uppbyggingu og eru tengdir við leiðarkerfi (sem samanstendur af láréttum og lóðréttum rásum) í gegnum forritanlega samtengipunkta. FPGA er samsett úr fyrirfram hönnuðum grunnrafhlöðum og samtengingum og notendur geta forritað og smíðað sérstakan vélbúnaðararkitektúr sem uppfyllir kröfur umsókna. Það sýnir mikla afköst og vinnslugetu með lítilli leynd á iðnaðarsviðinu og sveigjanleiki þess getur aukið afköst, dregið úr kostnaði og haft sveigjanleika. Notkun FPGA fyrir stillanlega samhliða tölvuvinnslu dregur úr framkvæmdartíma reikniritsins, en forritun krefst hagræðingar á eðlisfræðilegum eiginleikum, þar á meðal afköstum reiknirits tíma/svæðis og bitavals á gagnasniði, á sama tíma og grunnnákvæmni áhorfandans er viðhaldið.

Búnaður og hugbúnaður:Þessi rannsókn miðar að því að innleiða Extended Kalman Filter (EKF) til að meta hleðsluástand (SOC) rafhlöðupakka í rauntímakerfi, með því að nota dSPACE's MicroAutoBox II (MABXII) vélbúnaðarvettvang, sem er áreiðanlegur og öflugur fyrir frumgerð hönnunar. og prófanir í bílaiðnaðinum. Innbyggt Xilinx Spartan-6 FPGA (XC6SLX150) hefur mikla afköst og litla orkunotkun (lykilforskriftir eru sýndar í töflu 2), sem gerir það hentugt fyrir þetta forrit. SOC eftirlitsmaðurinn er útfærður á þessum FPGA og prófar SOC einstakra rafhlöður í rafhlöðupakka sem samanstendur af 5 röð tengdum litíum-jónarafhlöðum (breytur rafhlöðupakka: heildarnafnspenna 18V, nafnspenna stakrar rafhlöðu 3,6V, heildargeta af 2,5Ah, með Samsung 25R 18650 litíumjónarafhlöðu, jákvæð rafskaut er blanda af NCA og NMC efni, neikvæð rafskaut er grafít, færibreytur rafhlöðulíkans eru auðkenndar með stöðugum straumi hléum títrunartækni GITT, eins og sýnt er á mynd 4). Miðað við 25 gráðu hitastig rafhlöðunnar og stöðugar breytur er EKF reikniritið þróað með því að nota Simulink kubba (eins og sýnt er á mynd 5) og fínstillt fyrir afköst og nýtingu auðlinda í gegnum leiðslur, tímaskiptingu/brotun og sérsniðna nákvæmni.

Tímadeild margföldunartækni:Rafhlöðupakkinn sem verið er að rannsaka inniheldur 5 röð tengdar litíumjónarafhlöður og það eru tvær aðferðir til að meta SOC hverrar rafhlöðu. Eitt er að þróa hönnun með fimm rafhlöðumódelum, en vegna mikillar auðlindakröfur hentar hún ekki fyrir rauntímaforrit og krefst dýrari og auðlindaríkari FPGA. Önnur aðferðin byggir á tímadeilingu (sjá mynd 6), þar sem hver sýnatökutími er Te '=0.02 sekúndur. Eftir að rafhlöðupakkinn straumur og rafhlöðuspenna eru stafrænt af MicroAutoBox DSP borð ADC sendir ríkisvélin gögnin til FPGA til að framkvæma EKF reikniritið. Eftir að reikniritinu er lokið er áætlað og leiðrétt SOC, villufylki og dreifingarspenna send aftur til DSP. Síðari viðleitni mun einbeita sér að því að sannreyna áhorfandann með uppgerð, sem er mikilvægt til að tryggja nákvæmni og skilvirkni áhorfandans áður en hann er settur á FPGA.

4. Sannprófun Xilinx á áheyrnarmönnum

Staðfestingarferli:Reikniritið er staðfest með því að nota kerfisrafallasafn sem er sérstaklega hannað fyrir FPGA forritun. Þetta bókasafn leyfir FPGA forritun með því að nota Simulink kubba og gagnavinnsla er hægt að gera í fljótandi eða föstum stillingu. Því meiri nákvæmni, því meiri þarfir FPGA tilfanga. Til að koma jafnvægi á nákvæmni niðurstaðna og nýtingu auðlinda valdi þessi rannsókn táknaða framsetningu í föstum punktaham, nánar tiltekið Fix32_16 sniðið (15 bitar fyrir heiltöluhluta, 16 bita fyrir aukastaf og 1 bita fyrir tákn) . Helsti kosturinn við að nota þetta Xilinx bókasafn er auðveld útfærsla þess á FPGA, án þess að þurfa flókna VHDL forritun.

Frammistöðumat og árangur

Frammistaða áhorfandans sem byggir á EKF er metin í gegnum straumferil 1C losunarstraums (2,5A). Raunverulegt SOC er frumstillt í 100% og upphaflega áætlað SOC gildi SOC-0 er stillt á 0% (SOC-0 er stillanleg færibreyta sem getur náð miklu áætlað SOC frumstilling). SOC viðmiðunargildið er fengið úr coulomb mæli sem er frumstillt með rétta upphaflega SOC og nafngetu. Settu hannaða matstækið undir 1C straumstreymisstreymisferilinn til sannprófunar.

Niðurstöðurnar sýna að þrátt fyrir að upphaflegt áætlað gildi sé frábrugðið raunverulegu SOC upphafsgildi, þá rennur áætlað SOC samt saman við raunverulegt SOC rafhlöðunnar, sem gefur til kynna að EKF áhorfandinn geti leiðrétt lélegt SOC mat og látið áætlaða SOC renna saman við raunverulegt SOC. gildi. Hins vegar takmarkar fastpunktaframsetningin sem notuð er í útfærslunni fjölda bita sem notaðir eru, sem leiðir til matsvillna og villur geta safnast upp í núverandi samþættingarferli þegar spáð er fyrir um ástandsbreytur, sem leiðir til mikils sviðs villna á milli áætlaðra og raunverulegra gilda . Hins vegar, svo lengi sem alger skekkjan er minni en 5%, er sían talin áhrifarík og getur nákvæmlega metið ástandsbreyturnar.

5. Rauntíma FPGA framkvæmd niðurstöður

Rauntíma sannprófun (með því að nota fyrirfram skráð gögn):Áður en rafhlöðuprófun er í raun skaltu líkja eftir prófun með því að nota fyrirfram skráð straum/spennuupplýsingar rafhlöðunnar. Niðurstöður prófsins sýna að áhorfandinn hefur góða rauntíma frammistöðu. Straumferillinn er tæmdur með 1C straumþrepi (2,5A) og SOC er frumstillt í 0%. SOC viðmiðunargildið er fengið með rétt frumstilltum coulomb mæli. Í samanburði við uppgerð niðurstöður Xilinx er frammistaða áhorfandans svipuð í báðum tilfellum og Kalman sían sem er útfærð á FPGA dregur úr skekkju milli mældrar spennu og áætlaðrar spennu, sem gerir það að verkum að áætlað SOC rennur saman í nákvæmt gildi sem getur ekki vera beint mældur.

Áheyrnarfulltrúi tilrauna

Ein rafhlöðuprófun:Eftir rauntíma sannprófun með því að nota fyrirfram skráð gögn eru frekari prófanir gerðar við raunverulega rafhlöðuhleðslu. Notaðu prófunarvettvanginn sem sýndur er á myndinni, keyrðu athugarann ​​á meðan þú tæmir rafhlöðuna til að meta nákvæmni SOC mats. Með því að búa til straumpúlslotu sem stillt gildi fyrir forritanlegt virkt álag til að tæma rafhlöðuna sýna tilraunaniðurstöður að í upphafi núverandi hringrásar getur sían leiðrétt upphafs SOC upp á 0%. Þegar spennan minnkar minnkar SOC líka og kerfið getur sjálfkrafa leiðrétt það. Hins vegar er sveifla í matsferlinu, aðallega vegna skynjaramælingahávaða, sem krefst sléttari síu.

Rafhlöðupakkaprófun:Þar sem rannsóknarrafhlaðan samanstendur af 5 röð tengdum rafhlöðum þarf að þróa matstæki til að prófa allan rafhlöðupakkann. Með því að samþætta tímaskiptingu margföldunartækni í Kalman síulíkanið er núverandi púlslota með 3200 sekúndum og amplitude -2.5A myndað sem forritanlegt virkt hleðslugildi fyrir rafhlöðu útskrift. Niðurstöðurnar sýna að áhorfandinn getur nákvæmlega metið spennu og SOC hverrar rafhlöðu í öllum rafhlöðupakkanum. Byggt á fimm ferlum er hægt að ákvarða SOC og spennu hverrar rafhlöðu, sem hefur umtalsverða kosti miðað við fyrri rannsóknir sem áætla aðeins heildarspennu og SOC rafhlöðupakkans. SOC áhorfandinn hefur framkvæmdartímann 2,5 µs og dæmigerðan sýnatökutíma 0,1 s. Spartan 6 flísinn hefur nægan tíma til að framkvæma margar SOC mat og fylgjast með öðrum ástandi (svo sem innra hitastigi) innan eins sýnatökutímabils. FPGA útfærslan eyddi ekki verulegu magni af auðlindum og þrátt fyrir flókið forritið voru tiltæk FPGA auðlindir ekki nýttar að fullu.

6. Samantekt

Á sviði innbyggðra forrita er orkustjórnun mikilvæg til að hámarka orkunotkun og lengja endingu rafhlöðunnar. Þetta krefst þess að við getum fylgst nákvæmlega með hleðslustöðu rafhlöðunnar. Þessi rannsókn beinist að því að þróa ástandseftirlitsmann til að meta spennu og hleðslustöðu hverrar rafhlöðu í litíumjónarafhlöðupakka. Áhorfandinn notar Kalman síunaralgrímið sem hentar fyrir litíumjónarafhlöður og hefur getu til að leiðrétta hleðsluástandið þegar upphaflegt áætlað gildi er í ósamræmi við raunverulegt hleðsluástand. Innleiðing þessa flókna reiknirits á lággjalda Spartan 6 FPGA (verð undir 20 evrur) hefur reynst mjög skilvirk, fær um að fylgjast með mörgum rafhlöðum samtímis og draga þannig úr kostnaði við rafhlöðustjórnunarkerfi.

Tilraunaniðurstöðurnar sýna að áhorfandinn getur nákvæmlega metið spennu og hleðslustöðu hverrar rafhlöðu, sem sýnir verulega kosti miðað við fyrri rannsóknir sem gátu aðeins metið spennu og hleðslustöðu alls rafhlöðupakkans. Lítill framkvæmdartími og auðlindanotkun áhorfandans gerir það að öflugu tæki fyrir rauntíma eftirlit og stjórnun á litíumjónarafhlöðupökkum, hentugur fyrir ýmsar notkunarsviðsmyndir. Þrátt fyrir að áskoranir eins og gagnahljóð hafi komið upp við innleiðingarferlið er hægt að bregðast við þessum málum á áhrifaríkan hátt með því að nota viðeigandi síunartækni til að tryggja nákvæmni niðurstaðna. Á heildina litið hefur þessi rannsókn stuðlað að verulegu gildi á sviði rafhlöðustjórnunarkerfa og opnað nýjar leiðir fyrir framtíðarrannsóknir.