डीप लर्निंग बीएमएस टेक्नोलॉजी लिथियम-आयन बैटरी प्रदर्शन में नई ऊंचाइयों को खोलती है

अमूर्त

उच्च दर परीक्षण जैसी चरम स्थितियों में बैटरी के प्रदर्शन को समझने के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) महत्वपूर्ण है। यह अध्ययन उच्च दर परीक्षण के दौरान एनसीए {{0}}एस लिथियम-आयन बैटरी पैक के वोल्टेज, करंट और तापमान जैसे प्रमुख मापदंडों की निरंतर निगरानी, ​​​​संचरण और भंडारण के लिए एक उपन्यास बीएमएस का प्रस्ताव करता है। यह बीएमएस बाहरी बैटरी मापदंडों की निगरानी करके बैटरी की स्वास्थ्य स्थिति (डिस्चार्ज क्षमता द्वारा मापी गई) की भविष्यवाणी करने के लिए गहन शिक्षण तकनीक को जोड़ती है। दो प्रयोग किए गए: बीएमएस फ़ंक्शन को सत्यापित करने के लिए स्थैतिक प्रयोग, और इसके वास्तविक प्रदर्शन का मूल्यांकन करने के लिए वास्तविक कार्यशील स्थिति प्रयोग (विद्युत प्रणोदन वाहनों पर कंपन के साथ उच्च आवर्धन दुरुपयोग परीक्षण)। परिणामों से पता चला कि वास्तविक उड़ान स्थितियों के दौरान बैटरी की अधिकतम सतह का तापमान 55 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गया, जो स्थैतिक परीक्षण से अधिक था; गहन शिक्षण क्षमता आकलन एल्गोरिदम ने 0.04 एएच की औसत क्षमता विचलन का पता लगाया, जो बैटरी क्षमता की भविष्यवाणी करके सटीक स्वास्थ्य स्थिति का प्रदर्शन करता है। यह बीएमएस प्रभावी डेटा संग्रह और भविष्यवाणी क्षमताओं को प्रदर्शित करता है, जो दुरुपयोग परीक्षण में वास्तविक स्थिति को दर्शाता है।

1 परिचय

लिथियम-आयन बैटरी (एलआईबी) और उनकी संबंधित प्रौद्योगिकियों का महत्व:एलआईबी वर्तमान तकनीकी क्षेत्र में महत्वपूर्ण हैं और इलेक्ट्रिक वाहनों, ड्रोन और पोर्टेबल इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं। पारंपरिक बैटरी तकनीक की तुलना में, एलआईबी में उच्च ऊर्जा घनत्व और लंबे चक्र जीवन जैसे फायदे हैं, लेकिन उनका व्यापक अनुप्रयोग बैटरी की उम्र बढ़ने की चुनौतियां भी लाता है। इसलिए, बैटरी की उम्र बढ़ने को मापने के लिए स्वास्थ्य की स्थिति (एसओएच) एक महत्वपूर्ण पैरामीटर है। एसओएच का सटीक अनुमान लगाने में कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, और बैटरी मापदंडों की सटीक निगरानी के लिए बैटरी प्रबंधन प्रणाली (बीएमएस) महत्वपूर्ण हैं।

बीएमएस का डिज़ाइन और संबंधित संकेतक:बीएमएस का डिज़ाइन आमतौर पर विशिष्ट अनुप्रयोगों से संबंधित होता है, और एसओएच के अलावा, चार्ज की स्थिति (एसओसी) और शेष उपयोगी जीवन (आरयूएल) भी बैटरी स्वास्थ्य के सामान्य संकेतक हैं। इन संकेतकों के लिए डेटा आमतौर पर मालिकाना डेटा अधिग्रहण (डीएक्यू) सेटिंग्स से आता है, जो गहन शिक्षण (डीएल) के लिए डेटा प्रदान कर सकता है, लेकिन इसमें बड़े आकार, उच्च लागत और विशिष्ट बैटरियों को लक्षित करने जैसी सीमाएं हैं। उन्नत बीएमएस के साथ डीएल प्रौद्योगिकी को एकीकृत करना एक आशाजनक दृष्टिकोण है जो डेटा संग्रह विधियों की चुनौतियों को दूर कर सकता है और स्केलेबिलिटी प्रदान कर सकता है।

एलआईबी के महत्वपूर्ण पैरामीटर और संबंधित अनुसंधान आवश्यकताएँ:एलआईबी के प्रदर्शन के लिए एसओएच, एसओसी, आरयूएल और सी-रेट सभी महत्वपूर्ण पैरामीटर हैं। सी-रेट में वृद्धि से बैटरी क्षमता और प्रदर्शन में कमी आएगी। वर्तमान डेटा संग्रह विधियों को जटिल सेटिंग्स और अस्पष्ट सेंसर सटीकता जैसी चुनौतियों का सामना करना पड़ता है, इस प्रकार उच्च आवर्धन जैसे विभिन्न अनुप्रयोग परिदृश्यों में डेटा संग्रह के लिए अभिनव पोर्टेबल बीएमएस ढांचे के विकास की आवश्यकता होती है। यह अध्ययन एक बीएमएस व्यापक ढांचे का प्रस्ताव करता है जो पहले से विकसित क्षमता गिरावट नेटवर्क (सीडी नेट) डीएल मॉडल को एकीकृत करता है, जो विद्युत प्रणोदन की वास्तविक समय की निगरानी आवश्यकताओं को पूरा कर सकता है। इसके डेटा संग्रह और मॉडल एकीकरण क्षमताओं को प्रयोगों के माध्यम से सत्यापित किया गया है।

2. बीएमएस का विकास

बीएमएस विकास का अवलोकन:बैटरी स्वास्थ्य भविष्यवाणी के लिए आवश्यक महत्वपूर्ण डेटा एकत्र करने और भविष्यवाणी के आधार पर कार्रवाई करने के लिए प्रस्तावित बीएमएस के लिए एक मुद्रित सर्किट बोर्ड विकसित किया गया था। विकसित बीएमएस बैटरी स्वास्थ्य भविष्यवाणी के लिए वास्तविक ऑपरेटिंग स्थिति डेटा (बैटरी वोल्टेज, वर्तमान और तापमान सहित) का उपयोग करता है, और एकत्रित डेटा वास्तविक समय भविष्यवाणी के लिए एक गहन शिक्षण (डीएल) मॉडल में इनपुट होता है।

सेंसर माप

वर्तमान और वोल्टेज माप:हाई साइड करंट सेंसर INA219 का उपयोग शंट रेसिस्टर डालकर करंट को मापने के लिए किया जाता है। उच्च वर्तमान परिदृश्यों के अनुकूल होने के लिए, डिफ़ॉल्ट 0.1 Ω शंट अवरोधक को 0.01 Ω अवरोधक से बदल दिया जाता है, जिससे वर्तमान माप सीमा ± 32A तक पहुंच जाती है।

तापमान माप:तापमान मापने के लिए PT100 Adafruit MAX31865 सेंसर का चयन किया गया है, जिसमें कम बिजली की खपत, उच्च सटीकता और स्थिरता है। तापमान और प्रतिरोध के बीच संबंध प्राप्त करने के लिए कॉलेंडर वैन ड्यूसेन समीकरण का उपयोग किया जाता है। चार बैटरियों की सतह के तापमान और परिवेश के तापमान को मापने के लिए क्रमशः पांच सेंसर का उपयोग किया जाता है और अंशांकन किया जाता है।

डिवाइस नियंत्रण:नियंत्रक के रूप में Arduino Uno Rev 2 वाई फाई सर्किट बोर्ड चुनें, जिसमें डेटा रिकॉर्डिंग, प्रीप्रोसेसिंग और ट्रांसमिशन क्षमताएं हैं। यह अपने आंतरिक 5V नियामक के माध्यम से सेंसर नेटवर्क को शक्ति प्रदान करता है और SPI प्रोटोकॉल का उपयोग करके सेंसर और माइक्रोकंट्रोलर को जोड़ता है।

एसओएच अनुमान:बीएमएस द्वारा एकत्र किए गए वोल्टेज और तापमान डेटा को कंप्यूटर पर प्रेषित किया जाता है, और वर्तमान डेटा का उपयोग कूलम्ब गिनती विधि के माध्यम से बैटरी की चार्ज स्थिति (एसओसी) की गणना करने के लिए किया जाता है। एसओसी, बैटरी की नाममात्र क्षमता और रासायनिक संरचना के साथ, बैटरी की डिस्चार्ज क्षमता की भविष्यवाणी करने और एसओएच की गणना करने के लिए सीडी नेट मॉडल में इनपुट किया जाता है। सीडी नेट मॉडल विशिष्ट संरचनाओं के साथ तंत्रिका नेटवर्क के संयोजन का उपयोग करता है, जिन्हें भविष्यवाणी के लिए अनुकूलित और संसाधित किया जाता है।

3. प्रायोगिक सेटअप

प्रायोगिक सेटअप का अवलोकन:श्रृंखला में जुड़ी चार 18650 सोनी वीटीसी 6 बैटरियों से युक्त एक बैटरी पैक का एनसीए रासायनिक प्रणाली का उपयोग करके परीक्षण किया गया था। व्यक्तिगत बैटरियों और बैटरी पैकों की प्रासंगिक विशिष्टताएँ पेश की गईं।

जमीनी परीक्षण:इसका उद्देश्य विद्युत प्रणोदन वाहनों पर लागू करने से पहले नव विकसित बीएमएस के प्रदर्शन का विश्लेषण करना है। लोड के रूप में NEWARE Powerwall CT{0}}V20A सिस्टम का उपयोग करें, BMS को बैटरी पैक और लोड से कनेक्ट करें, प्रत्येक बैटरी पैक के वोल्टेज, करंट और सतह के तापमान की निगरानी करें, और BMS के साथ डेटा रिकॉर्ड करें। बैटरी के केंद्र में एक आरटीडी सेंसर रखें और तापमान रिकॉर्डिंग में स्थिरता सुनिश्चित करने के लिए बैटरी पैक की दिशा रिकॉर्ड करें। छोटे उपग्रहों के लिए नासा के प्रमाणन प्रयोग के समान चक्र पैटर्न के साथ, 42 चार्ज और डिस्चार्ज चक्र निष्पादित करें।

हवाई परीक्षण:उच्च दर डिस्चार्ज स्थितियों के तहत डेटा एकत्र करने के लिए 2 0 चार्ज डिस्चार्ज चक्रों के लिए एक इलेक्ट्रिक विमान (FLYWOO एक्सप्लोरर ड्रोन) का उपयोग करके जमीनी परीक्षण के बाद आयोजित किया गया। विमान के प्रासंगिक मापदंडों का परिचय, बैटरी पैक को 3डी प्रिंटेड ब्रैकेट पर स्थापित किया गया है, बीएमएस शीर्ष पर है, चार्जिंग प्रोटोकॉल ग्राउंड परीक्षण के अनुरूप है, लेकिन डिस्चार्ज चक्र यादृच्छिक है। डिस्चार्ज के दौरान विमान जमीन से करीब 1 फुट ऊपर होता है। जब बीएमएस प्रदर्शित करता है कि बैटरी वोल्टेज 10V तक पहुंच जाता है, तो डिस्चार्ज बंद हो जाता है और वाहन चार्ज करने से पहले 0.167 घंटे तक आराम करता है।

4। परिणाम और चर्चा

परिणाम चर्चा का सारांश:नव विकसित बीएमएस (सीडी नेट मॉडल भविष्यवाणी सहित) का उपयोग करके प्राप्त परिणामों और प्रमुख निष्कर्षों का परिचय देता है। नव विकसित बीएमएस स्थिर और गतिशील बैटरी लोड से डेटा एकत्र करता है और सीडी नेट जैसे डीएल मॉडल के साथ सहजता से एकीकृत होता है, जो तकनीकी विकास के अनुकूल लचीलापन प्रदान करता है।

जमीनी परीक्षण के परिणाम

वोल्टेज वक्र माप:बीएमएस और परीक्षण उपकरण (बीएएन) के 42 चार्ज और डिस्चार्ज चक्रों का वोल्टेज समय डेटा समान है। हालाँकि बीएमएस डेटा में प्रारंभिक अंतराल है, यह अंततः दोनों के बीच 0.2V के औसत विचलन के साथ परिवर्तित हो जाता है। डिस्चार्ज वक्र के निरंतर वोल्टेज भाग का उपयोग एसओएच के साथ संबंध का अध्ययन करने के लिए किया जा सकता है, और विचलन डेटा ट्रांसमिशन दर और आंतरिक घड़ी में अंतर के कारण होता है।

वर्तमान वक्र माप:बीएमएस और बीएएन का वर्तमान डेटा समग्र रूप से मेल खाता है, और डिस्चार्ज और चार्जिंग चरणों के दौरान वर्तमान परिवर्तन नियमों का पालन करते हैं। हालाँकि, वर्तमान रूपांतरण चरण के दौरान बीएमएस द्वारा डेटा पढ़ने में देरी हो रही है, जिसके परिणामस्वरूप कुछ विचलन हो रहे हैं। बड़े विचलन डेटा बिंदुओं को हटाने के बाद, औसत विचलन छोटा होता है, और वर्तमान रीडिंग वोल्टेज रीडिंग की तुलना में अधिक सटीक होती है।

तापमान वक्र माप:चार बैटरियों की सतह के तापमान की निगरानी करें और पता लगाएं कि चार्जिंग और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है, निरंतर वर्तमान चार्जिंग के अंत में अपने उच्चतम बिंदु तक पहुंच जाता है। फिर, निरंतर वोल्टेज चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के दौरान तापमान बदलता है। बैटरी पैक में चौथी बैटरी में अपेक्षाकृत उच्च तापमान होता है, और बीएमएस प्रत्येक बैटरी के तापमान अंतर का पता लगा सकता है और प्रदर्शित कर सकता है। तापमान विसंगतियों का उपयोग बैटरी प्रबंधन के लिए किया जा सकता है।

हवाई परीक्षण के परिणाम

धारा और वोल्टेज वक्रों का मापन:ड्रोन की उड़ान के दौरान, करंट बेतरतीब ढंग से बदलता है, और बीएमएस उच्च दर डिस्चार्ज करंट को सटीक रूप से रिकॉर्ड कर सकता है। परीक्षणों की संख्या के साथ डिस्चार्ज करंट बढ़ता है, और डिस्चार्ज प्रक्रिया के दौरान वोल्टेज 16.8V से घटकर 10V हो जाता है। उड़ान के दौरान उड़ान रुख के समायोजन से करंट और वोल्टेज प्रभावित होते हैं।

तापमान वक्र माप:हवाई परीक्षण के दौरान, बैटरी की सतह का तापमान जमीनी परीक्षण के दौरान की तुलना में अधिक होता है, अधिकतम तापमान लगभग 55 डिग्री सेल्सियस होता है। चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, तापमान कम हो जाता है, और डिस्चार्जिंग प्रक्रिया के दौरान, तापमान धीरे-धीरे बढ़ता है। विभिन्न बैटरियों के बीच तापमान में अंतर होता है, और तापमान में उतार-चढ़ाव उड़ान रवैया समायोजन से प्रभावित होता है।

गहन शिक्षण संयोजन परिणाम:जमीनी परीक्षण में, बैटरी की क्षमता धीरे-धीरे कम हो गई, और सीडी नेट मॉडल ने 5वें चक्र से क्षमता की भविष्यवाणी की, जो बीएमएस द्वारा दर्ज कूलम्ब गिनती क्षमता के समान थी। मॉडल की भविष्यवाणी अपेक्षाकृत सटीक थी; हवाई परीक्षण के दौरान कूलम्ब गिनती क्षमता अस्थिर थी, लेकिन मॉडल अभी भी 0.046Ah के औसत अंतर के साथ भविष्यवाणी करने में सक्षम था। मॉडल की अनुमानित क्षमता के साथ कूलम्ब गिनती विधि द्वारा मापी गई क्षमता की तुलना करके, बीएमएस और डीएल मॉडल के सफल एकीकरण को सत्यापित किया गया, जिसका उपयोग बैटरियों के स्वास्थ्य की स्थिति (एसओएच) की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है।

5. सारांश

शोध निष्कर्षों का सारांश:विद्युत प्रणोदन वाहनों के वास्तविक कामकाजी स्थिति डेटा संग्रह के लिए एक पोर्टेबल बीएमएस की आवश्यकता होती है जो एलआईबी के उच्च दर निर्वहन जैसी कठोर परिस्थितियों में काम कर सके। यह शोध एक नवीन बीएमएस आर्किटेक्चर का प्रस्ताव करता है, जो डेटा को रिकॉर्ड करने, संचारित करने और प्राप्त करने के लिए एज और क्लाउड फ्रेमवर्क का उपयोग करता है, और कैन बस और एज कंप्यूटर पर आधारित पारंपरिक तरीकों की जगह, उच्च दर डिस्चार्ज को संभाल सकता है।

परीक्षण परिणामों का सारांश:जमीन और वायु परीक्षण किए गए, और डिस्चार्ज स्थिरांक वर्तमान चरण के अंत में बैटरी की सतह का तापमान उच्चतम था। वायु परीक्षण में बैटरी की सतह का तापमान और भी अधिक था, जो अधिकतम लगभग 55 डिग्री सेल्सियस तक पहुंच गया। तापमान में वृद्धि बैटरी की उम्र बढ़ने और एसओसी परिवर्तन जैसे कारकों के कारण हो सकती है, और अत्यधिक तापमान से बैटरी खराब हो सकती है। ज़मीन पर 42 चक्रों और हवा में 20 चक्रों के दौरान सतह का तापमान धीरे-धीरे बढ़ता गया।

मॉडल भविष्यवाणी परिणाम:एकत्रित डेटा का उपयोग करते हुए, सीडी नेट मॉडल वास्तविक परिचालन स्थितियों के तहत बैटरी की स्वास्थ्य स्थिति (एसओएच) की भविष्यवाणी करता है। ज़मीनी परीक्षण में अगले चक्र के लिए मॉडल की क्षमता भविष्यवाणी अपेक्षाकृत सटीक है, जिसका औसत विचलन {{0}}.026 आह है; यद्यपि हवाई परीक्षण के दौरान क्षमता में उतार-चढ़ाव था, अनुमानित औसत अंतर 0.046 आह था, और बीएमएस वर्तमान वोल्टेज सेंसर की सीमा सीमा के भीतर प्रभावी ढंग से डेटा एकत्र करने में सक्षम था।