Μελέτη περιπτώσεων ενεργού εξισορρόπησης μπαταρίας που χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικά οχήματα

Τα τελευταία χρόνια, με την ενίσχυση της περιβαλλοντικής ευαισθητοποίησης και της πολιτικής υποστήριξης, η αγορά νέων ενεργειακών οχημάτων έχει αναπτυχθεί ραγδαία.Μεταξύ πολλών οχημάτων νέας ενέργειας, τα ηλεκτρικά οχήματα έχουν γίνει το κύριο ρεύμα ανάπτυξης λόγω των μηδενικών εκπομπών ρύπων και των χαρακτηριστικών χαμηλού θορύβου.

Ως ένα από τα βασικά στοιχεία των ηλεκτρικών οχημάτων, η απόδοση του πακέτου μπαταριών επηρεάζει άμεσα σημαντικούς δείκτες όπως η αυτονομία πλεύσης και η ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων.Ως εκ τούτου, η τεχνολογία εξισορρόπησης πακέτων μπαταριών έχει επίσης γίνει ένα από τα καυτά σημεία στην έρευνα ηλεκτρικών οχημάτων.

Ο κύριος σκοπός της τεχνολογίας εξισορρόπησης πακέτου μπαταριών είναι να εξισορροπήσει τη φόρτιση, την τάση και άλλες παραμέτρους μεταξύ των μεμονωμένων στοιχείων της μπαταρίας, έτσι ώστε να αποφευχθεί η μείωση της διάρκειας ζωής ολόκληρης της μπαταρίας ή ακόμη και η υπερβολική πολύ λίγη ισχύς σε ένα κελί.περιστατικό ασφάλειας.

Η παραδοσιακή τεχνολογία εξισορρόπησης μπαταριών περιλαμβάνει κυρίως δύο μεθόδους: παθητική εξισορρόπηση και ενεργητική εξισορρόπηση.

Η παθητική εξισορρόπηση επιτυγχάνει την εξισορρόπηση χρησιμοποιώντας ένα κύκλωμα εξισορρόπησης για την εκφόρτιση ή τη φόρτιση της μπαταρίας, αλλά η απόδοση εξισορρόπησης είναι χαμηλή και δεν μπορεί να αποφύγει προβλήματα όπως υπερφόρτιση και υπερφόρτιση.Η ενεργή εξισορρόπηση επιτυγχάνει την εξισορρόπηση μέσω στοχευμένου ελέγχου της μπαταρίας, αλλά η εφαρμογή της είναι δύσκολη και η στρατηγική ελέγχου πολύπλοκη.

Προκειμένου να λυθούν τα παραπάνω προβλήματα, η Enerkey πρότεινε μια λύση εξισορρόπησης μπαταριών βασισμένη σε μια στρατηγική δυναμικής εξισορρόπησης τάσης.Αυτή η λύση αναλύει τις αιτίες των διαφορών τάσης εντός της μπαταρίας και σχεδιάζει έναν αλγόριθμο ελέγχου που μπορεί να προσαρμόσει προσαρμοστικά τη στρατηγική εξισορρόπησης της μπαταρίας κατά τη λειτουργία.

Αυτός ο αλγόριθμος μπορεί να πραγματοποιήσει την ισορροπία της μπαταρίας σύμφωνα με τη στρατηγική δυναμικής εξισορρόπησης τάσης που βασίζεται σε παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της τάσης και της ισχύος κάθε στοιχείου μέσα στο πακέτο μπαταριών, αποφεύγοντας παράλληλα προβλήματα όπως υπέρβαση και υπερβολική εκφόρτιση.Τέλος, η αποτελεσματικότητα του σχήματος επαληθεύτηκε μέσω πειραμάτων.

Έρευνα για την κατάσταση της τεχνολογίας εξισορρόπησης μπαταριών
Η έρευνα για την τεχνολογία εξισορρόπησης μπαταριών ξεκίνησε τη δεκαετία του 1980.Με την άνοδο των νέων ενεργειακών οχημάτων, λαμβάνει όλο και μεγαλύτερη προσοχή.

Η τεχνολογία εξισορρόπησης της μπαταρίας στοχεύει στη διατήρηση της ισορροπίας φόρτισης μεταξύ των μεμονωμένων κυψελών της μπαταρίας και στην αποφυγή της μείωσης της χωρητικότητας της μπαταρίας και της μείωσης της διάρκειας ζωής λόγω ανομοιόμορφης φόρτισης.Προς το παρόν, η έρευνα για την τεχνολογία εξισορρόπησης συστοιχιών μπαταριών έχει επιτύχει πολλά αποτελέσματα, συμπεριλαμβανομένων κυρίως των ακόλουθων πτυχών.

1. Παραδοσιακή τεχνολογία εξισορρόπησης

Η παραδοσιακή τεχνολογία εξισορρόπησης μπαταριών χρησιμοποιεί κυρίως εξαρτήματα όπως αντιστάσεις, ρελέ και θυρίστορ για την εξισορρόπηση.Η αρχή είναι να εκφορτίζονται τα μεμονωμένα κύτταρα με υψηλή τάση στο πακέτο μπαταριών μέσω αντιστάσεων, ρελέ και άλλων εξαρτημάτων για να επιτευχθεί η ίδια τάση με το πακέτο μπαταριών.Χαμηλό σκοπό εξισορρόπησης ενός κυττάρου.

Η παραδοσιακή τεχνολογία εξισορρόπησης έχει τα πλεονεκτήματα της απλότητας, της αξιοπιστίας και του χαμηλού κόστους, αλλά έχει μειονεκτήματα όπως η χαμηλή απόδοση εξισορρόπησης και η μεγάλη σπατάλη ενέργειας.

2. Έξυπνη τεχνολογία εξισορρόπησης

Η τεχνολογία ευφυούς εξισορρόπησης είναι το επίκεντρο της έρευνας για την τεχνολογία εξισορρόπησης πακέτων μπαταριών τα τελευταία χρόνια.Χρησιμοποιεί προηγμένη ηλεκτρονική τεχνολογία και αλγόριθμους για τον ακριβή έλεγχο και τη διαχείριση κάθε μεμονωμένης κυψέλης της μπαταρίας.Η τεχνολογία ευφυούς εξισορρόπησης χωρίζεται κυρίως σε δύο μεθόδους: παθητική εξισορρόπηση και ενεργητική εξισορρόπηση.

Η παθητική εξισορρόπηση επιτυγχάνει κυρίως τον σκοπό της εξισορρόπησης της μπαταρίας προσαρμόζοντας τις παραμέτρους κατά τη διαδικασία φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας.

Η ενεργή εξισορρόπηση προσθέτει στοιχεία όπως κυκλώματα ελέγχου και αισθητήρες στην μπαταρία για την παρακολούθηση και τον έλεγχο της κατάστασης κάθε μεμονωμένης κυψέλης σε πραγματικό χρόνο, επιτυγχάνοντας έτσι τον σκοπό της εξισορρόπησης της μπαταρίας.Η έξυπνη τεχνολογία εξισορρόπησης έχει τα πλεονεκτήματα της υψηλής απόδοσης εξισορρόπησης, της υψηλής χρήσης ενέργειας και της καλής ασφάλειας.

3. Τεχνολογία διαχείρισης ενέργειας

Η τεχνολογία διαχείρισης ενέργειας αναφέρεται στη βέλτιστη διαχείριση και τον προγραμματισμό των συστοιχιών μπαταριών με βάση την τεχνολογία εξισορρόπησης συστοιχιών μπαταριών και λαμβάνοντας πλήρως υπόψη παράγοντες όπως τα χαρακτηριστικά απόδοσης της μπαταρίας, τις συνθήκες λειτουργίας του οχήματος και τη ζήτηση ενέργειας.

Η τεχνολογία διαχείρισης ενέργειας περιλαμβάνει πρόβλεψη ενέργειας, εκτίμηση χωρητικότητας μπαταρίας, διάγνωση κατάστασης κατάστασης της μπαταρίας κ.λπ. Μέσω ακριβούς διαχείρισης και ελέγχου της μπαταρίας, η διάρκεια ζωής της μπαταρίας μπορεί να παραταθεί, η χρήση ενέργειας και η ασφάλεια να βελτιωθεί.

Σχεδιασμός και βελτιστοποίηση νέου συστήματος εξισορρόπησης μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων
Ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση του νέου συστήματος εξισορρόπησης πακέτων μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων στοχεύει στη βελτίωση της απόδοσης και της ενεργειακής χρήσης της εξισορρόπησης συστοιχιών μπαταριών, διασφαλίζοντας παράλληλα την ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων.Ο σχεδιασμός και η βελτιστοποίηση του νέου συστήματος εξισορρόπησης μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων περιλαμβάνει κυρίως τις ακόλουθες πτυχές.

1. Σχεδιασμός κυκλώματος εξισορρόπησης

Το κύκλωμα εξισορρόπησης της μπαταρίας είναι το βασικό στοιχείο του συστήματος εξισορρόπησης της μπαταρίας του ηλεκτρικού οχήματος.Το κλειδί για τον σχεδιασμό του βρίσκεται στην εξισορρόπηση της απόδοσης, της χρήσης ενέργειας και της ασφάλειας.Ο σχεδιασμός του κυκλώματος εξισορρόπησης του πακέτου μπαταριών πρέπει να εξετάζει διεξοδικά τα χαρακτηριστικά και τις συνθήκες εργασίας του πακέτου μπαταριών και να υιοθετεί κατάλληλες λύσεις εξισορρόπησης και στρατηγικές εξισορρόπησης.Οι ακόλουθες πτυχές πρέπει να ληφθούν υπόψη κατά τη διαδικασία σχεδιασμού:

Επιλογή στρατηγικής εξισορρόπησης: Τόσο η παραδοσιακή τεχνολογία εξισορρόπησης όσο και η έξυπνη τεχνολογία εξισορρόπησης έχουν τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά τους και η κατάλληλη στρατηγική εξισορρόπησης θα πρέπει να επιλέγεται ανάλογα με τη συγκεκριμένη κατάσταση.

Η δομή του κυκλώματος εξισορρόπησης: Ο δομικός σχεδιασμός του κυκλώματος εξισορρόπησης πρέπει να πληροί τις απαιτήσεις υψηλής απόδοσης εξισορρόπησης, υψηλής ενεργειακής χρήσης, ασφάλειας και αξιοπιστίας της μπαταρίας.Οι κοινώς χρησιμοποιούμενες δομές κυκλώματος εξισορρόπησης περιλαμβάνουν εξισορρόπηση διαίρεσης τάσης αντιστάσεων, εξισορρόπηση διακόπτη, εξισορρόπηση AC κ.λπ.

Έλεγχος του κυκλώματος εξισορρόπησης: Ο έλεγχος του κυκλώματος εξισορρόπησης απαιτεί παρακολούθηση παραμέτρων σε πραγματικό χρόνο όπως η τάση και η θερμοκρασία κάθε μεμονωμένης κυψέλης της μπαταρίας, καθώς και έλεγχος και προσαρμογή σύμφωνα με την καθορισμένη στρατηγική εξισορρόπησης.

2. Σχεδιασμός συστήματος διαχείρισης ενέργειας

Το σύστημα διαχείρισης ενέργειας είναι ένα άλλο σημαντικό στοιχείο του συστήματος εξισορρόπησης της μπαταρίας των ηλεκτρικών οχημάτων.Έχει σχεδιαστεί για να βελτιστοποιεί την ενεργειακή χρήση της μπαταρίας, να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και να διασφαλίζει την ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων.Ο σχεδιασμός του συστήματος ενεργειακής διαχείρισης πρέπει να λαμβάνει πλήρως υπόψη τις ακόλουθες πτυχές:

Επιλογή στρατηγικών διαχείρισης ενέργειας: Οι στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας περιλαμβάνουν στρατηγικές φόρτισης, στρατηγικές εκφόρτισης και στρατηγικές ελέγχου φορτίου.Διαφορετικές στρατηγικές διαχείρισης ενέργειας έχουν διαφορετικό αντίκτυπο στη διάρκεια ζωής και στη χρήση ενέργειας της μπαταρίας.

Έλεγχος του συστήματος διαχείρισης ενέργειας: Ο έλεγχος του συστήματος διαχείρισης ενέργειας απαιτεί παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της κατάστασης και των ενεργειακών αλλαγών κάθε μεμονωμένης κυψέλης της μπαταρίας, καθώς και έλεγχο και προσαρμογή σύμφωνα με την καθορισμένη στρατηγική διαχείρισης ενέργειας.

Βελτιστοποίηση του συστήματος διαχείρισης ενέργειας: Μέσω προσεκτικής διαχείρισης και προγραμματισμού των συστοιχιών μπαταριών, η ενεργειακή χρήση και η διάρκεια ζωής του πακέτου μπαταριών μπορούν να βελτιστοποιηθούν και η απόδοση και η ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων μπορούν να βελτιωθούν.

3. Σχεδιασμός συστήματος προστασίας μπαταριών

Το σύστημα προστασίας της ασφάλειας του πακέτου μπαταριών είναι ένα άλλο σημαντικό στοιχείο του συστήματος εξισορρόπησης μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων, το οποίο έχει σχεδιαστεί για να διασφαλίζει την ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων.Το σύστημα προστασίας της ασφάλειας του πακέτου μπαταριών περιλαμβάνει κυρίως προστασία υπερφόρτισης, προστασία από υπερφόρτιση, προστασία από βραχυκύκλωμα, προστασία από υπερβολική θερμοκρασία και άλλες λειτουργίες.Μέσω της παρακολούθησης σε πραγματικό χρόνο και της προστασίας της μπαταρίας, μπορούν να αποφευχθούν επικίνδυνα ατυχήματα στη μπαταρία.

Θεωρητική έρευνα για το σχεδιασμό του συστήματος εξισορρόπησης πακέτων μπαταριών
1. Ανάλυση των αιτιών των διαφορών τάσης εντός της μπαταρίας

Η εσωτερική διαφορά τάσης του πακέτου μπαταριών οφείλεται κυρίως στις διαφορές στην εσωτερική αντίσταση, τον ρυθμό ηλεκτροχημικής αντίδρασης και άλλους παράγοντες μεταξύ των μεμονωμένων στοιχείων.

Στην πραγματική λειτουργία, λόγω της διαφορετικής διάρκειας ζωής και του αριθμού των κύκλων φόρτισης και εκφόρτισης των διαφορετικών κυψελών, η εσωτερική αντίσταση των στοιχείων είναι διαφορετική, γεγονός που με τη σειρά του προκαλεί διαφορές στην εσωτερική τάση της μπαταρίας.Επιπλέον, λόγω του φαινομένου της αυτοεκφόρτισης της μπαταρίας, η μακροχρόνια τοποθέτηση θα προκαλέσει μείωση της ισχύος της μπαταρίας, με αποτέλεσμα διαφορές τάσης εντός της μπαταρίας.

2. Δυναμική στρατηγική εξισορρόπησης τάσης

Η στρατηγική δυναμικής εξισορρόπησης τάσης είναι μια στρατηγική ελέγχου που μπορεί να προσαρμόσει προσαρμοστικά τη στρατηγική εξισορρόπησης της μπαταρίας κατά τη λειτουργία.Αυτή η στρατηγική προσαρμόζει δυναμικά την κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος εξισορρόπησης ανάλογα με την τάση και την ισχύ κάθε στοιχείου μέσα στην μπαταρία για να επιτευχθεί ισορροπία της μπαταρίας και να αποφευχθούν προβλήματα όπως υπέρβαση και υπερφόρτιση.

Όσον αφορά τη συγκεκριμένη εφαρμογή, χωρίζουμε το σύστημα εξισορρόπησης της μπαταρίας σε δύο μέρη: τον ελεγκτή εξισορρόπησης και το κύκλωμα εξισορρόπησης.Ο ελεγκτής εξισορρόπησης παρακολουθεί την τάση και την ισχύ κάθε κυψέλης μέσα στην μπαταρία σε πραγματικό χρόνο, υπολογίζει την κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος εξισορρόπησης με βάση τη στρατηγική δυναμικής εξισορρόπησης τάσης και στη συνέχεια ελέγχει την κατάσταση μεταγωγής του κυκλώματος εξισορρόπησης για την επίτευξη εξισορρόπησης του πακέτο μπαταρίας.

3.Αλγόριθμος ελέγχου

Ο πυρήνας της στρατηγικής δυναμικής εξισορρόπησης τάσης είναι ο αλγόριθμος ελέγχου.Σχεδιάσαμε έναν ελεγκτή εξισορρόπησης μπαταριών με βάση τον αλγόριθμο ελέγχου PID.Αυτός ο ελεγκτής μπορεί να εξισορροπήσει την τάση και την ισχύ κάθε στοιχείου εντός της μπαταρίας όταν η διαφορά τάσης εντός της μπαταρίας είναι μικρή, αποτρέποντας την υπέρβαση, την υπερβολική εκφόρτιση και άλλα προβλήματα.

Οι παράμετροι εισόδου του ελεγκτή περιλαμβάνουν την τάση και την ισχύ κάθε στοιχείου μέσα στην μπαταρία.Μέσω παρακολούθησης και ανάλυσης σε πραγματικό χρόνο αυτών των παραμέτρων, μπορεί να υπολογιστεί η κατάσταση λειτουργίας του κυκλώματος εξισορρόπησης, επιτυγχάνοντας έτσι την εξισορρόπηση της μπαταρίας.

Όσον αφορά τη συγκεκριμένη υλοποίηση, υιοθετήσαμε τον αλγόριθμο ελέγχου PID και προσθέσαμε μηχανισμό ανάδρασης και ασαφή έλεγχο για να διασφαλίσουμε την ακρίβεια ελέγχου και το αποτέλεσμα ελέγχου.Μεταξύ αυτών, ο μηχανισμός ανάδρασης μπορεί να προσαρμόσει δυναμικά τις παραμέτρους του αλγόριθμου ελέγχου σύμφωνα με την κατάσταση εξόδου του ελεγκτή εξισορρόπησης, επιτυγχάνοντας έτσι πιο ακριβή έλεγχο εξισορρόπησης.

Επιπλέον, έχουμε σχεδιάσει διαφορετικούς αλγόριθμους ελέγχου για διαφορετικούς τύπους μπαταριών.Για παράδειγμα, ο αλγόριθμος ελέγχου για μια συστοιχία μπαταριών λιθίου πρέπει να λαμβάνει υπόψη παράγοντες όπως ο ρυθμός χημικής αντίδρασης στο εσωτερικό της μπαταρίας, καθώς και τα χαρακτηριστικά φόρτισης και εκφόρτισης της μπαταρίας λιθίου, ώστε να διαμορφώσει αντίστοιχες στρατηγικές εξισορρόπησης και αλγόριθμους ελέγχου.

Πειραματική επαλήθευση
Για να επαληθεύσουμε την αποτελεσματικότητα του προτεινόμενου συστήματος εξισορρόπησης μπαταριών, πραγματοποιήσαμε μια σειρά πειραμάτων.Αρχικά, δοκιμάσαμε διαφορετικούς τύπους πακέτων μπαταριών, συμπεριλαμβανομένων μολύβδου-οξέος, υδριδίου νικελίου-μετάλλου και λιθίου.

Μέσω στατιστικών και ανάλυσης πειραματικών δεδομένων, διαπιστώσαμε ότι η προτεινόμενη στρατηγική δυναμικής εξισορρόπησης τάσης και ο αλγόριθμος ελέγχου μπορούν να επιτύχουν αποτελεσματικά την ισορροπία της μπαταρίας και να αποφύγουν την υπέρβαση, την υπερβολική εκφόρτιση και άλλα προβλήματα.

Δεύτερον, πραγματοποιήσαμε μακροχρόνια πειράματα.Στο πείραμα, τοποθετήσαμε την μπαταρία σε διαφορετικά περιβάλλοντα, προσομοιώσαμε διαφορετικά σενάρια χρήσης και, στη συνέχεια, παρακολουθήσαμε την απόδοση της μπαταρίας.

Μέσα από στατιστικά στοιχεία και ανάλυση πειραματικών δεδομένων, διαπιστώσαμε ότι το προτεινόμενο σύστημα εξισορρόπησης μπαταριών έχει υψηλή αξιοπιστία και σταθερότητα και μπορεί να καλύψει τις ανάγκες χρήσης σε διαφορετικά σενάρια.

Τέλος, πραγματοποιήσαμε και πρακτικά πειράματα εφαρμογής.Εφαρμόσαμε το προτεινόμενο σύστημα εξισορρόπησης του πακέτου μπαταριών σε ένα νέο ηλεκτρικό όχημα και πραγματοποιήσαμε μια οδική δοκιμή.Μέσω της ανάλυσης των δεδομένων test drive, διαπιστώσαμε ότι η απόδοση των ηλεκτρικών οχημάτων έχει βελτιωθεί σημαντικά, συμπεριλαμβανομένης της αυτονομίας πλεύσης, της απόδοσης επιτάχυνσης και άλλων πτυχών.

Με την ταχεία ανάπτυξη των ηλεκτρικών οχημάτων, η έρευνα και η βελτιστοποίηση των συστημάτων εξισορρόπησης συστοιχιών μπαταριών έχουν λάβει αυξανόμενη προσοχή.Εστιάζοντας στην έρευνα για το σύστημα εξισορρόπησης της μπαταρίας των ηλεκτρικών οχημάτων, πραγματοποιήσαμε μια εις βάθος συζήτηση σχετικά με την τεχνολογία εξισορρόπησης συστοιχιών μπαταριών, το σύστημα διαχείρισης ενέργειας και το σύστημα προστασίας της ασφάλειας της μπαταρίας.

Αναλύοντας την κατάσταση ανάπτυξης και τα υπάρχοντα προβλήματα της τεχνολογίας εξισορρόπησης πακέτων μπαταριών, προτείνεται ένα σχέδιο βελτιστοποίησης για την έξυπνη τεχνολογία εξισορρόπησης και συζητείται η μέθοδος σχεδιασμού της δομής και του ελέγχου του κυκλώματος εξισορρόπησης.

Γενικά, το σύστημα εξισορρόπησης μπαταριών ηλεκτρικών οχημάτων είναι ένα σημαντικό μέρος της ανάπτυξης της τεχνολογίας ηλεκτρικών οχημάτων και η βελτιστοποίηση και η βελτίωσή του είναι ζωτικής σημασίας για την απόδοση και την ασφάλεια των ηλεκτρικών οχημάτων.