איזון סוללה פעיל: ניתוח של כוח המניע הליבה של מערכת ניהול סוללה יעילה

תַקצִיר

בתחום הרכב החשמלי, הביצועים של מערכות ניהול מצברים (BMS) ואורך החיים האפקטיבי של המצברים הם שיקולים מרכזיים. כדי לשפר את חיי השירות של ערכת הסוללות, יש צורך לאזן את הסוללות מעת לעת. באופן מסורתי, איזון הסוללה מסתמך בעיקר על טכנולוגיית איזון פסיבי, אשר ממירה עודפי אנרגיה לאנרגיה תרמית כדי להשיג איזון בין הסוללות. עם זאת, שיטה זו גורמת לא רק לבעיות בניהול חום, אלא גם מפחיתה את היעילות הכוללת של ערכת הסוללות.

מאמר זה מציע אסטרטגיית איזון אקטיבית חדשנית המשתמשת באלגוריתם הסינון של קלמן כדי לייעל את היעילות של BMS, תוך טיפול יעיל בחסרונות של טכנולוגיית איזון פסיבי. מטרת הליבה היא לבנות מערכת שתוכל לנהל באופן אחיד את הטעינה והפריקה של הסוללה, ובכך להאריך את אורך חיי הסוללה. המערכת תכננה מעגל איזון אקטיבי העושה שימוש באלגוריתם מסנן קלמן על מנת להעריך במדויק את מצבה של כל סוללה ולחשב את זרם הטעינה והפריקה האופטימלי על פיו, על מנת להגיע לאיזון יעיל בין הסוללות.

רקע מחקר, תוכנית ותוצאות

1. רקע מחקר ומוטיבציה

רקע הפיתוח של כלי רכב חשמליים והחשיבות של מערכות ניהול מצברים: תשומת הלב העולמית לזיהום סביבתי ולעליות מחירי הדלק הנגרמות מפליטת פליטת רכב מדגישה את ההכרח בפריסת כלי רכב חשמליים. החידוש של מערכות ניהול סוללות (BMS) הפך את כלי הרכב החשמליים למועמד רב עוצמה לתחבורה עתידית, אך ל-BMS עדיין יש תחומים רבים לשיפור כדי לשפר את היעילות והאמינות.

אלמנטים ואתגרים מרכזיים של מערכת ניהול סוללות

החשיבות של הערכת SOC ו-SOH: אומדן מדויק של מצב הטעינה (SOC) ומצב הבריאות (SOH) של סוללה חיוני לפעולה אמינה ויעילה של BMS. SOC מודד את הקיבולת הזמינה של סוללה ביחס למצבה הטעון במלואו, בעוד SOH מציין את מידת הזדקנות הסוללה, המשקף את ההבדל בקיבולת אחסון האנרגיה בין המצב הנוכחי הטעון במלואו למצב הייצור.

אתגר ודרישות איזון בעיצוב מארז סוללות: תכנון ערכת סוללות בטוחה וחסכונית באנרגיה הוא מאתגר ביותר, שכן הוא דורש מאות וולט של מתח DC ומאות קילוואט של הספק, המורכב ממספר רב של סוללות בסדרות ובמקבילות. עם זאת, עקב פגמי ייצור והזדקנות, הפרמטרים של הסוללה אינם תואמים, מה שמפחית את הקיבולת האפקטיבית של ערכת הסוללות. לכן, דרושים BMS ומעגלי איזון חיצוניים כדי לנצל באופן מלא את האנרגיה של כל סוללה. מעגלי איזון הסוללה מחולקים לאיזון פסיבי ואקטיבי. איזון פסיבי ממיר אנרגיית סוללה לאנרגיה תרמית באמצעות נגדי shunt למניעת טעינת יתר, בעוד שאיזון אקטיבי משתמש בממירי DC/DC או שיטות העברת כוח אחרות להעברת אנרגיה ישירות בין סוללות. הטמעת מעגל איזון פעיל יכול לשפר את הבטיחות, העמידות, ביצועי הטעינה והפריקה ויעילות ניצול האנרגיה של ערכות סוללות.

2. הצע תוכנית

ארכיטקטורה כללית ועקרון עבודה: ארכיטקטורת הסכימה המוצעת (ראה איור 1) כוללת הערכת SOC (באמצעות אלגוריתם מסנן קלמן מורחב), בקר BMS ומעגל שוויון פעיל. הבקר חש את ה-SOC של כל סוללה ושולח אותות למעגל האיזון הפעיל כדי להעביר מטען מסוללות SOC גבוהות לסוללות SOC נמוכות, ובסופו של דבר מאזן את הטעינה של כל סוללה בחבילת הסוללות.

שיטת הערכת SOC

תהליך אלגוריתם מסנן קלמן מורחב: הערכת SOC מאמצת את האלגוריתם המורחב של מסנן קלמן, שהוא תהליך חוזר המתחשב ברעש ושגיאות במכשיר ובהערכה. ראשית, קבע את התכונות השונות ואת התלות שלהן בסוללה, והשתמש במודל פרמטר מגושם כדי לתכנן את מודל המעגל המקביל של הסוללה.

על ידי ניתוח המעגל באמצעות חוק המתח של קירכהוף (KVL), נגזרת משוואת המתח המסוף:

יישום החוק הנוכחי של קירכהוף (KCL) כדי לגזור את משוואת הענף RC, בהתבסס על הקשר בין הסוללה SOC לזרם המעגל:

צור מודל מרחב מצבי זמן רציף, ולאחר מכן המר אותו למודל מרחב מצבי זמן בדיד (באמצעות נוסחת דיסקרטיזציה בצורה סגורה לעיבוד מטריצת המתאם והווקטורים), ולבסוף החל את אלגוריתם הסינון של קלמן לאומדן SOC (כולל משוואות מצב משוואות מדידה, רעש הוא תהליך עצמאי של אפס ממוצע גאוס, החישוב כולל שלבי עדכון זמן ושלבי עדכון מדידה).

העיקרון של ממיר buck boost: ממיר buck boost הוא ממיר DC-DC, ומתח המוצא יכול להיות נמוך או גבוה ממתח הכניסה. כאשר המתג מופעל (MOSFET סגור, דיודה כבויה), המשרן אוגר אנרגיה; כאשר המתג כבוי (MOSFET כבוי, דיודה מופעלת), המשרן משחרר אנרגיה לעומס, ומתח המוצא עולה. מצב העבודה שלו מחולק לשני מצבים.

מנגנון עבודה של מעגל איזון פעיל: במעגל האיזון הפעיל, הבקר חש בחוסר איזון SOC בין הסוללות, קובע את כיוון העברת המטען ושולח אותות PWM לשלוט במתג. אם הבקר מזהה שהסוללה העליונה N צריכה להעביר אנרגיה לסוללה התחתונה N-1, הוא שולח אות למתג S2N. לאחר שהמשרן אוגר אנרגיה לערך המקסימלי, המתג נסגר, מתח המשרן הפוך, והדיודה D_N-1 מוטה קדימה. אנרגיה מועברת לסוללה N-1 דרך הדיודה, ולהיפך.

3. תוצאות סימולציה

אימות אלגוריתם הערכת SOC: ב-Matlab, ה-SOC המוערך על ידי אלגוריתם הסינון המורחב של קלמן תואם את עקומת ה-SOC בפועל לאורך זמן, מה שמצביע על כך שהאלגוריתם שימש בהצלחה להערכת SOC של הסוללה.

הערכת יעילות מעגל האיזון הפעיל: באמצעות מודל סימולציה של Matlab של מעגל איזון פעיל עם ממיר buck boost, ה-SOC הראשוני של הסוללות העליונות והתחתונות נקבע ל-23% ו-20%, בהתאמה. לאחר סימולציה, ה-SOC המאוזן הסופי של הסוללות העליונות והתחתונות היה 21.39% ו-21.4%, בהתאמה, שהיו קרובים לממוצע ה-SOC הראשוני והשיגו בהצלחה איזון טעינה. על ידי שינוי פרמטרים כגון ערך השראות, מחזור ומחזור עבודה, נמצא כי קיים פשרה בין זמן האיזון לבין האיזון הסופי SOC. לדוגמה, כאשר ערך השראות יורד, המחזור גדל או מחזור העבודה משתנה, זמן האיזון וה-SOC הסופי ישתנו בהתאם. באופן ספציפי, ככל שערך השראות קטן יותר, ככל שהמחזור גדול יותר ומחזור העבודה משתנה בטווח מסוים, זמן האיזון קצר יותר, אך גם ה-SOC הסופי יושפע במידה מסוימת.

תַקצִיר

מחקר על טכנולוגיית איזון פעיל: מאמר זה מתמקד בטכנולוגיית האיזון האקטיבי של איזון רמת טעינה בודדת של סוללה בחבילות סוללות. במהלך השלמת הפרויקט תוכנן מעגל איזון פעיל ובוצעה הדמיית מעגלים להשגת התוצאות הצפויות.

בחירת שיטות הערכת SOC: נחקרו שיטות הערכת SOC מרובות של סוללה בודדת, ושיטת הסינון המורחבת של קלמן אומצה בסופו של דבר בשל הדיוק שלה בהערכת פרמטרים לא ליניאריים.

אימות מחקר: בסך הכל, הפרויקט הוכיח בהצלחה את היעילות של איזון אקטיבי בשיפור ביצועי הסוללה והפחתת סיכוני בטיחות. באמצעות סימולציה, מעגל האיזון הפעיל יכול להשיג מצב איזון קרוב ל-SOC הממוצע עבור סוללות עם SOC ראשוני שונה, מה שמצביע על כך שהוא יכול לשפר ביעילות את ביצועי הסוללה ולהפחית סכנות בטיחותיות שעלולות להיגרם מחוסר איזון בסוללה.

החשיבות של התחשבות בדרישות ספציפיות: המחקר מדגיש גם את הצורך לשקול היטב את הדרישות הספציפיות של מערכות ואפליקציות סוללות בעת קביעת מערכת האיזון האקטיבית המתאימה ביותר. למערכות סוללות שונות (כגון ערכות סוללות המורכבות מסוגים שונים של סוללות ודרישות שימוש בסוללה בתרחישי יישומים שונים) עשויות להיות דרישות שונות למערכות איזון אקטיביות, כגון דגש שונה על מהירות האיזון, דיוק האיזון, אובדן אנרגיה וכו'. יש לבחור את ערכת האיזון האקטיבית המתאימה ביותר בהתאם למצב בפועל כדי להשיג ביצועים ובטיחות מיטביים.