Rafhlaðan í rafknúnum ökutækjum er lykilatriði í viðhaldi rafhlöðunnar. Rafhlöðustjórnunarkerfið (BMS) viðheldur besta ástandi rafhlöðunnar með því að meta heilsufar (SOH). Nákvæm auðkenning á SOH getur ákvarðað skiptingartíma rafhlöðunnar, forðast rafhlöðubilun og lengt endingartíma hennar. Þessi grein miðar að því að bæta árangur BMS með því að bera kennsl á SOH breytur. Byggt á Thevenin rafhlöðulíkaninu eru lykilfæribreytur eins og R{{0}}, Rp og Cp fengnar. Tvö aðlagandi reiknirit, Coulomb-talning og opinn hringrásarspenna, eru notuð til að ljúka auðkenningu breytu. Niðurstöður þessara tveggja reiknirita með tilliti til villu, meðaltals villu (MAE), rótmeðalkvaðratskekkju (RMSE) og loka SOH gildi eru bornar saman. Rannsóknin beinist að því að fá gögn um matsvillur og áreiðanlegar upplýsingar um frammistöðu BMS. Niðurstöðurnar sýna að Coulomb talningaraðferðin hefur minni skekkju í SOH mati en opnu spennuaðferðin, með skekkju upp á 1,770%. Endanlegt SOH gildi er 17,33% og Thevenin rafhlöðulíkanið hefur 0,0451% reiknivillu fyrir rafhlöðuna.
1. Inngangur
Rafhlöðu- og rafhlöðustjórnunarkerfi fyrir rafbíla (BMS):Í rafknúnum ökutækjum er rafhlaðan aðalorkugjafinn sem veitir vélinni og öðrum kerfum afl. Ólíkt hefðbundnum bílum hafa rafhlöður rafgeyma tiltölulega litla afkastagetu og spennu og eru venjulega pakkaðar í rafhlöðueiningar. Rafhlöðukerfið samanstendur af mörgum rafhlöðum sem stjórnað er af BMS. Aðgerðir þess fela í sér að fínstilla rafhlöðuvinnslukerfið, sem felur í sér tvær lykilbreytur: hleðsluástand (SOC) og ástand heilsu (SOH). SOC er hlutfall eftir afkastagetu og heildargetu, en SOH er samanburðargildi á milli núverandi frammistöðu og nýrrar rafhlöðuafkösts, sem ekki er hægt að mæla beint og þarf að áætla.
Rannsóknarbakgrunnur og tengdar aðferðir:Heilbrigðisástand (SOH) getur mælt afköst rafhlöðunnar og endingu. Gæðarýrnun, breytingar á innri viðnámi og afkastagetubreytum geta átt sér stað við notkun rafhlöðunnar. Að bera kennsl á SOH færibreytur hjálpar til við að ákvarða raunverulegt ástand rafhlöðunnar, mæla með skiptitíma og lengja endingu rafhlöðunnar. Eins og er eru margar aðferðir til að meta heilsuástand (SOH) eða stöðu gjalds (SOC), en það eru fáar aðferðir sem samtímis bera kennsl á báðar og búa til viðeigandi færibreytur til að draga úr reikniálagi á BMS. Reikniritið til að fylgjast með rafhlöðubreytum þarf að laga sig að breytubreytingum og áætla ástand rafhlöðunnar. Aðferðunum má skipta í þrjá flokka, þar á meðal litrófsviðnámsaðferð, hringrásarlíkanjöfnuaðferð og rafefnafræðilega viðnámslíkanaðferð.
Umsögn um tengda vinnu:Margar aðferðir hafa verið almennt notaðar í fyrri rannsóknum til að bera kennsl á rafhlöðubreytur. Coulombic counting (CC) og open circuit voltage (OCV) aðferðir eru mikið notaðar í BMS rafknúinna ökutækja, hver með sína kosti og galla. CC aðferðin metur SOH með því að fylgjast með inn og út getu rafhlöðunnar, að teknu tilliti til orkutaps meðan á hleðsluferlinu stendur, og getur einnig veitt viðeigandi upplýsingar með endurheimt spennu; Líta má á OCV-aðferðina sem jafnvægisspennu eftir að rafhlaðan hefur hvílt að fullu, og heilsuástandið (SOH) er metið með því að taka tillit til BMS rafhlöðunnar.
Áhersla þessarar rannsóknar er að bera kennsl á nákvæmar SOH breytur til að lengja endingu rafhlöðunnar. Aðferð sem byggir á rafhlöðulíkönum er notuð til að meta og bera kennsl á SOH breytur. Thevenin rafhlöðulíkanið er notað til að bera kennsl á R0, Rp og Cp færibreytur með aðlögunaralgrími (Recursive Least Squares, RLS). Byggt á matsniðurstöðum eru nákvæmar SOH mat fengnar til að draga úr reikniálagi.
Rannsóknarframlag:Niðurstöður prófanir á rafhlöðubreytum veita sanngjarnt mat og lítið villuhlutfall til að meta afköst BMS kerfisins. Coulomb talningaraðferðin er hentug til að reikna út rafgeymi og hámarksafl rafhlöðunnar minnkar með aukningu á hleðslu- og afhleðslulotum. Hlutfallsleg villa Thevenin rafhlöðulíkans er minna en 2%. Hvað varðar SOH matsnákvæmni er CC aðferð betri en RLS og CC aðferð getur áætlað rafhlöðuspennu og SOC, en OCV aðferð getur aðeins metið rafhlöðubreytur.
2. Rafhlöðustjórnunarkerfi
Rafhlöðuíhlutir (virkni og samsetning BMS):BMS stjórnar rafhlöðukerfinu sem samanstendur af hundruðum eða þúsundum rafhlaðna í rafknúnum ökutækjum og hefur mikilvægar aðgerðir eins og eftirlit, áætlanir um færibreytur, verndun, útvegun skýrslna og jafnvægisrafhlöður. Helstu aðgerðir hennar eru meðal annars að vernda rafhlöðuna gegn skemmdum, reka rafhlöðuna innan viðeigandi spennu- og hitastigssviða og viðhalda rafhlöðunni þannig að hún starfi við færibreytur sem uppfylla kerfiskröfur eins og SOC, SOH og SOF. BMS samanstendur af skynjurum, stýribúnaði og stjórnendum, með inntakum þar á meðal skynjaramerkjum eins og straumi, spennu, hitastigi og pedali, og útgangum þar á meðal einingum fyrir hitastjórnun, jafnvægi, öryggisstjórnun, hleðsluvísun, bilanaviðvörun og samskipti. BMS hugbúnaðurinn inniheldur margar hagnýtar einingar eins og uppgötvun rafhlöðubreytu, mat og bilanagreiningu. Mælingar á rafhlöðuspennu, færibreytumat, jafnvægi og bilanagreiningu eru helstu viðfangsefni BMS, þar á meðal er spennumæling rafhlöðu frammi fyrir erfiðleikum eins og spennumun sem stafar af rafhlöðutengingu og mikilli nákvæmni.
Rafhlöðulíkön:Þessi grein ákvarðar stöðu heilsufars (SOH) breytur með rafhlöðulíkönum og breytir inntaks rafhlöðuspennu, straumi og hitastigsbreytum í SOH til að fá nákvæmar áætlanir. Með því að nota Thevenin rafhlöðulíkanið er skammtímaviðbrögðum rafhlöðuskautunarferlisins lýst með því að velja innri viðnám og rafrýmd færibreytur rafhlöðunnar. Stærðfræðilegar jöfnur rafhlöðulíkanssins og útreikningsaðferðir fyrir tengdar færibreytur (Voc, R0, Rp og Cp) eru til staðar, sem eru fengnar með RLS reikniritinu og notaðar á Thevenin rafhlöðulíkanið.
3. Ákvarða heilsufarsbreytur
Mikilvægi og aðferðir við að bera kennsl á heilsufarsbreytur:Nákvæmar SOH breytur skipta sköpum fyrir frammistöðu BMS. Þessi rannsókn notar Coulomb talningu sem aðlagandi reiknirit til að bera kennsl á þessar breytur til að fá SOH upphafsgildi og meta frammistöðu BMS. Thevenin rafhlöðulíkanið er notað til að ákvarða færibreytur rafhlöðulíkans og OCV-SOC virkni. Sértæka ferlið felur í sér að setja inn straum inn í rafhlöðulíkanið, greina spennuupplýsingar um klemmu, umbreyta úr tímaléni í SOC lén og ferilpassa til að fá OCV-SOC aðgerðina. Auðkenningarferlið er endurtekið þar til SOH matið er sanngjarnt og villuhlutfallið er lítið.
OCV-SOC aðgerð:Byggt á Thevenin rafhlöðulíkaninu, OCV (SOC) er uppspretta spennubreytu sem fæst með því að prófa spennu rafhlöðunnar án tengdrar álags og spennuna áður en rafhlöðupakkinn er tengdur. SOC OCV ferillinn er áætlaður með því að nota stöðugt álagsprófunargögn og búin með tólftu röð margliðu. Tíundu röð margliðu hefur mesta nákvæmni í mati á Voc og minnstu rótmeðalkvaðratskekkju (RMSE), sem hefur veruleg áhrif á nákvæmni SOC og OCV falla.
R0, Rp og Cp færibreytur:Thevenin rafhlöðulíkanið krefst OCV við SOC sem upprunaspennu, sem fæst með púlsprófun. R{{0}} er innri viðnám með hærra gildi en önnur viðnám. Vegna vandamála við sýnatökutímabilið er erfitt að fanga litlar breytingar á gögnum. Tengsl R0 og SOC voru fengin með annarri gráðu margliðunarferilssöfnun, með meðalgildi R0 upp á 0.027735 Ω. R0, Rp og Cp veita inntaksgögn fyrir spennu- og straumpúlsprófun og fá útgangsbreytugildi.
Niðurstaða tilrauna
Með því að greina ástand heilsufars (SOH) breytur sem rafhlaðan fylgist með, næst frammistöðu BMS og gögn um líkamlega færibreytur eins og spennu tengi og inntak/úttaksstraum rafhlöðunnar fást. Byggt á rafhlöðulíkönum eru færibreytugögn auðkennd og notuð fyrir rafhlöðustöðuvöktun og verndarkerfi. SOH matsaðferðin felur í sér að mæla breytingar á rafhlöðuviðnámi og getu, hvort um sig með því að nota lögmál Ohm og Coulomb talningaraðferð, og skipta OCV gildinu inn í OCV-SOC sambandsjöfnuna til að fá SOC og SOH gildin.
Stöðuafhleðsluprófið var framkvæmt og niðurstöðurnar sýndu að CC reikniritið fékk SOH breytinguna með því að margfalda núverandi gildi með tíma, en OCV reikniritið fékk SOH gildið með því að nota terminalspennu eða OCV gildi rafhlöðulíkans. SOH breytingarferlar þessara tveggja reiknirita voru svipaðir. Prófið fékk einnig niðurstöður auðkenningar rafhlöðubreytu og hægt er að nota slökunareiginleika rafhlöðunnar til að auðkenna færibreytur. Því hraðar sem prófunarlotan er, því nákvæmari er SOH matið. CC reikniritið er betra en OCV reikniritið í SOH frumstillingu, sem getur skilið betur innra viðnám rafhlöðunnar og metið samtímis skautspennu Vt, SOC og SOH rafhlöðunnar, með matsvillu sem er innan við 2%.
Frá villugögnum til að auðkenna SOH færibreytur er meðaltalskvaðratvilla (MSE) CC reikniritsins {{0}}.0111, endanlegt SOH gildi er 17,33%, villuhlutfallið er 1,770% og rótin mean square error (RMSE) er 0,0132
Umræða um niðurstöður rannsókna:Áhrif innri rafhlöðuviðnáms á CC og OCV reiknirit eru svipuð og CC reiknirit getur betur skilið innra viðnám með minni villum. CC reikniritið getur áætlað skautspennu Vt, SOC og SOH rafhlöðunnar samtímis, með matsvillu sem er innan við 2%. Í losunarprófinu er CC reikniritið nákvæmara en OCV reikniritið í SOH frumstillingu, með áætlaða meðalfermetra skekkju (MSE) upp á 1,770% fyrir CC reikniritið og 3,256% fyrir OCV reikniritið. Þessar niðurstöður veita tilvísun fyrir auðkenningu færibreytu í BMS mati.
4. Samantekt
Niðurstöður árangursmats BMS byggðar á auðkenningu SOH færibreytu sýna að Coulomb talningarreikniritið hefur betri matsniðurstöður, með SOH matsvillu upp á 1,770% og endanlegt SOH gildi 17,33%. Líkanavilla Thevenin rafhlöðulíkans fyrir rafhlöður er 0,0451%. Hvað varðar nákvæmni SOH mats með því að nota tvær aðferðir (Coulomb talning og opnu spennu), hefur Coulomb talning meiri nákvæmni. Að auki geta aðlagandi reiknirit sem byggjast á rafhlöðulíkönum metið skautspennu og SOH rafhlöðunnar.