सक्रिय बैटरी संतुलन: कुशल बैटरी प्रबंधन प्रणाली की मुख्य प्रेरक शक्ति का विश्लेषण

अमूर्त

इलेक्ट्रिक वाहनों के क्षेत्र में, बैटरी प्रबंधन प्रणालियों (बीएमएस) का प्रदर्शन और बैटरियों का प्रभावी जीवन प्रमुख विचार हैं। बैटरी पैक की सेवा जीवन को बेहतर बनाने के लिए समय-समय पर बैटरियों को संतुलित करना आवश्यक है। परंपरागत रूप से, बैटरी संतुलन मुख्य रूप से निष्क्रिय संतुलन तकनीक पर निर्भर करता है, जो बैटरी के बीच संतुलन प्राप्त करने के लिए अतिरिक्त ऊर्जा को थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित करता है। हालाँकि, यह विधि न केवल गर्मी प्रबंधन समस्याओं का कारण बनती है, बल्कि बैटरी पैक की समग्र दक्षता को भी कम करती है।

यह आलेख एक अभिनव सक्रिय संतुलन रणनीति का प्रस्ताव करता है जो बीएमएस की दक्षता को अनुकूलित करने के लिए कलमन फ़िल्टर एल्गोरिदम का उपयोग करता है, जो निष्क्रिय संतुलन तकनीक की कमियों को प्रभावी ढंग से संबोधित करता है। मुख्य लक्ष्य एक ऐसी प्रणाली का निर्माण करना है जो बैटरी चार्जिंग और डिस्चार्जिंग को समान रूप से प्रबंधित कर सके, जिससे बैटरी का जीवनकाल बढ़ सके। सिस्टम ने एक सक्रिय संतुलन सर्किट डिज़ाइन किया है जो प्रत्येक बैटरी की स्थिति का सटीक अनुमान लगाने और बैटरी के बीच कुशल संतुलन प्राप्त करने के लिए, इसके आधार पर इष्टतम चार्जिंग और डिस्चार्जिंग वर्तमान की गणना करने के लिए कलमन फ़िल्टर एल्गोरिदम का उपयोग करता है।

अनुसंधान पृष्ठभूमि, योजना और परिणाम

1. अनुसंधान पृष्ठभूमि और प्रेरणा

इलेक्ट्रिक वाहनों की विकास पृष्ठभूमि और बैटरी प्रबंधन प्रणालियों का महत्व: ऑटोमोबाइल निकास उत्सर्जन के कारण पर्यावरण प्रदूषण और ईंधन की कीमत में वृद्धि पर वैश्विक ध्यान इलेक्ट्रिक वाहनों को तैनात करने की आवश्यकता पर प्रकाश डालता है। बैटरी मैनेजमेंट सिस्टम (बीएमएस) के नवाचार ने इलेक्ट्रिक वाहनों को भविष्य के परिवहन के लिए एक शक्तिशाली उम्मीदवार बना दिया है, लेकिन दक्षता और विश्वसनीयता बढ़ाने के लिए बीएमएस में अभी भी सुधार के कई क्षेत्र हैं।

बैटरी प्रबंधन प्रणाली के प्रमुख तत्व और चुनौतियाँ

एसओसी और एसओएच अनुमान का महत्व: बीएमएस के विश्वसनीय और कुशल संचालन के लिए बैटरी की चार्ज स्थिति (एसओसी) और स्वास्थ्य स्थिति (एसओएच) का सटीक अनुमान लगाना महत्वपूर्ण है। एसओसी बैटरी की पूरी तरह चार्ज स्थिति के सापेक्ष उसकी उपलब्ध क्षमता को मापता है, जबकि एसओएच बैटरी की उम्र बढ़ने की डिग्री को इंगित करता है, जो वर्तमान पूरी तरह चार्ज स्थिति और विनिर्माण स्थिति के बीच ऊर्जा भंडारण क्षमता में अंतर को दर्शाता है।

बैटरी पैक डिज़ाइन में चुनौती और संतुलन आवश्यकताएँ: एक सुरक्षित और ऊर्जा-कुशल बैटरी पैक डिज़ाइन करना बेहद चुनौतीपूर्ण है, क्योंकि इसके लिए सैकड़ों वोल्ट डीसी वोल्टेज और सैकड़ों किलोवाट बिजली की आवश्यकता होती है, जिसमें श्रृंखला और समानांतर में बड़ी संख्या में बैटरियां शामिल होती हैं। हालाँकि, विनिर्माण दोष और उम्र बढ़ने के कारण, बैटरी के पैरामीटर मेल नहीं खाते हैं, जिससे बैटरी पैक की प्रभावी क्षमता कम हो जाती है। इसलिए, प्रत्येक बैटरी की ऊर्जा का पूर्ण उपयोग करने के लिए बीएमएस और बाहरी संतुलन सर्किट की आवश्यकता होती है। बैटरी संतुलन सर्किट को निष्क्रिय और सक्रिय संतुलन में विभाजित किया गया है। निष्क्रिय संतुलन ओवरचार्जिंग को रोकने के लिए शंट प्रतिरोधों के माध्यम से बैटरी ऊर्जा को थर्मल ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जबकि सक्रिय संतुलन बैटरी के बीच ऊर्जा को सीधे स्थानांतरित करने के लिए डीसी/डीसी कनवर्टर्स या अन्य पावर ट्रांसफर विधियों का उपयोग करता है। सक्रिय संतुलन सर्किट को लागू करने से बैटरी पैक की सुरक्षा, स्थायित्व, चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रदर्शन और ऊर्जा उपयोग दक्षता में सुधार हो सकता है।

2. एक योजना प्रस्तावित करें

समग्र वास्तुकला और कार्य सिद्धांत: प्रस्तावित योजना वास्तुकला (चित्र 1 देखें) में एसओसी अनुमान (विस्तारित कलमैन फ़िल्टर एल्गोरिदम का उपयोग करके), बीएमएस नियंत्रक और सक्रिय समकारी सर्किट शामिल है। नियंत्रक प्रत्येक बैटरी के एसओसी को महसूस करता है और उच्च एसओसी बैटरी से कम एसओसी बैटरी में चार्ज स्थानांतरित करने के लिए सक्रिय संतुलन सर्किट को सिग्नल भेजता है, अंततः बैटरी पैक में प्रत्येक बैटरी के चार्ज को संतुलित करता है।

एसओसी अनुमान विधि

विस्तारित कलमैन फ़िल्टर एल्गोरिदम प्रक्रिया: एसओसी अनुमान विस्तारित कलमैन फ़िल्टर एल्गोरिदम को अपनाता है, जो एक दोहराव वाली प्रक्रिया है जो उपकरण और अनुमान में शोर और त्रुटियों पर विचार करती है। सबसे पहले, बैटरी की विभिन्न विशेषताओं और उनकी निर्भरता को निर्धारित करें, और बैटरी के समतुल्य सर्किट मॉडल को डिजाइन करने के लिए एक लम्प्ड पैरामीटर मॉडल का उपयोग करें।

किरचॉफ के वोल्टेज कानून (केवीएल) का उपयोग करके सर्किट का विश्लेषण करके, टर्मिनल वोल्टेज समीकरण प्राप्त किया जाता है:

बैटरी एसओसी और सर्किट करंट के बीच संबंध के आधार पर आरसी शाखा समीकरण प्राप्त करने के लिए किरचॉफ के वर्तमान कानून (केसीएल) को लागू करना:

एक सतत समय राज्य अंतरिक्ष मॉडल स्थापित करें, फिर इसे एक अलग-समय राज्य अंतरिक्ष मॉडल में परिवर्तित करें (सहसंबंध मैट्रिक्स और वैक्टर को संसाधित करने के लिए एक बंद फॉर्म विवेकीकरण सूत्र का उपयोग करके), और अंत में एसओसी अनुमान के लिए कलमन फ़िल्टर एल्गोरिदम लागू करें (राज्य समीकरणों और सहित) माप समीकरण, शोर एक स्वतंत्र शून्य माध्य गाऊसी प्रक्रिया है, गणना में समय अद्यतन और माप अद्यतन चरण शामिल हैं)।

हिरन बूस्ट कनवर्टर का सिद्धांत: हिरन बूस्ट कनवर्टर एक डीसी-डीसी कनवर्टर है, और आउटपुट वोल्टेज इनपुट वोल्टेज से कम या अधिक हो सकता है। जब स्विच चालू किया जाता है (MOSFET बंद, डायोड बंद), प्रारंभ करनेवाला ऊर्जा संग्रहीत करता है; जब स्विच बंद कर दिया जाता है (MOSFET बंद कर दिया जाता है, डायोड चालू कर दिया जाता है), प्रारंभ करनेवाला लोड में ऊर्जा जारी करता है, और आउटपुट वोल्टेज बढ़ जाता है। इसके कार्य करने के तरीके को दो स्थितियों में विभाजित किया गया है।

सक्रिय संतुलन सर्किट का कार्य तंत्र: सक्रिय संतुलन सर्किट में, नियंत्रक बैटरियों के बीच एसओसी असंतुलन को महसूस करता है, चार्ज ट्रांसफर की दिशा निर्धारित करता है, और स्विच को नियंत्रित करने के लिए पीडब्लूएम सिग्नल भेजता है। यदि नियंत्रक को पता चलता है कि शीर्ष बैटरी N को निचली बैटरी N-1 में ऊर्जा स्थानांतरित करने की आवश्यकता है, तो यह स्विच S2N को एक संकेत भेजता है। प्रारंभ करनेवाला ऊर्जा को अधिकतम मान तक संग्रहीत करने के बाद, स्विच बंद कर देता है, प्रारंभ करनेवाला वोल्टेज उलट जाता है, और डायोड डी _ एन -1 आगे की ओर झुका हुआ होता है। ऊर्जा को डायोड के माध्यम से बैटरी N-1 में स्थानांतरित किया जाता है, और इसके विपरीत।

3. सिमुलेशन परिणाम

एसओसी अनुमान एल्गोरिदम सत्यापन: मैटलैब में, विस्तारित कलमैन फ़िल्टर एल्गोरिदम द्वारा अनुमानित एसओसी समय वक्र के साथ वास्तविक एसओसी के अनुरूप है, यह दर्शाता है कि बैटरी एसओसी का अनुमान लगाने के लिए एल्गोरिदम का सफलतापूर्वक उपयोग किया गया है।

सक्रिय संतुलन सर्किट प्रभावशीलता का मूल्यांकन: हिरन बूस्ट कनवर्टर के साथ एक सक्रिय संतुलन सर्किट के मैटलैब सिमुलेशन मॉडल का उपयोग करके, ऊपरी और निचली बैटरी का प्रारंभिक एसओसी क्रमशः 23% और 20% पर सेट किया गया था। सिमुलेशन के बाद, ऊपरी और निचली बैटरियों का अंतिम संतुलित एसओसी क्रमशः 21.39% और 21.4% था, जो प्रारंभिक औसत एसओसी के करीब था और सफलतापूर्वक चार्ज संतुलन हासिल किया। इंडक्शन वैल्यू, चक्र और कर्तव्य चक्र जैसे मापदंडों को बदलकर, यह पाया गया कि संतुलन समय और अंतिम संतुलन एसओसी के बीच एक व्यापार-बंद है। उदाहरण के लिए, जब अधिष्ठापन मूल्य घटता है, चक्र बढ़ता है, या कर्तव्य चक्र बदलता है, तो शेष समय और अंतिम एसओसी तदनुसार बदल जाएगा। विशेष रूप से, अधिष्ठापन मूल्य जितना छोटा होगा, चक्र उतना बड़ा होगा, और कर्तव्य चक्र एक निश्चित सीमा के भीतर बदलता है, शेष समय उतना ही कम होता है, लेकिन अंतिम एसओसी भी कुछ हद तक प्रभावित होगा।

सारांश

सक्रिय संतुलन प्रौद्योगिकी पर शोध: यह लेख बैटरी पैक में एकल बैटरी चार्ज स्तर संतुलन की सक्रिय संतुलन तकनीक पर केंद्रित है। परियोजना के पूरा होने के दौरान, एक सक्रिय संतुलन सर्किट डिजाइन किया गया था और अपेक्षित परिणाम प्राप्त करने के लिए सर्किट सिमुलेशन आयोजित किया गया था।

एसओसी आकलन विधियों का चयन: एकाधिक एकल बैटरी एसओसी आकलन विधियों का अध्ययन किया गया, और गैर-रेखीय मापदंडों के आकलन में इसकी सटीकता के कारण विस्तारित कलमैन फ़िल्टर विधि को अंततः अपनाया गया।

अनुसंधान सत्यापन: कुल मिलाकर, परियोजना ने बैटरी प्रदर्शन में सुधार और सुरक्षा जोखिमों को कम करने में सक्रिय संतुलन की प्रभावशीलता का सफलतापूर्वक प्रदर्शन किया है। सिमुलेशन के माध्यम से, सक्रिय संतुलन सर्किट विभिन्न प्रारंभिक एसओसी वाली बैटरियों के लिए औसत एसओसी के करीब एक संतुलन स्थिति प्राप्त कर सकता है, जो दर्शाता है कि यह बैटरी के प्रदर्शन में प्रभावी ढंग से सुधार कर सकता है और बैटरी असंतुलन के कारण होने वाले सुरक्षा खतरों को कम कर सकता है।

विशिष्ट आवश्यकताओं पर विचार करने का महत्व: अध्ययन सबसे उपयुक्त सक्रिय संतुलन प्रणाली का निर्धारण करते समय बैटरी सिस्टम और अनुप्रयोगों की विशिष्ट आवश्यकताओं पर सावधानीपूर्वक विचार करने की आवश्यकता पर भी जोर देता है। विभिन्न बैटरी प्रणालियों (जैसे विभिन्न प्रकार की बैटरियों से बने बैटरी पैक और विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों में बैटरी उपयोग की आवश्यकताएं) में सक्रिय संतुलन प्रणालियों के लिए अलग-अलग आवश्यकताएं हो सकती हैं, जैसे गति संतुलन, संतुलन सटीकता, ऊर्जा हानि आदि पर अलग-अलग जोर। इसलिए, इष्टतम प्रदर्शन और सुरक्षा प्राप्त करने के लिए वास्तविक स्थिति के अनुसार सबसे उपयुक्त सक्रिय संतुलन योजना का चयन करने की आवश्यकता है।