Ученые создали полную модель аккумуляторной батареи, детализированную до уровня отдельных атомов. Один комментарий к “Моделирование литий-ионных аккумуляторов для систем управления батареями: обзор текущего состояния” Моделирование аккумуляторов для систе

В последние годы популярность обрели так называемые "разумные" аккумуляторы, или иными словами Smart batteries. Аккумуляторы этой группы оснащаются микропроцессором, способным не только обеспечивать обмен данными с зарядным устройством, но и регулировать работу аккумуляторных батарей, информировать пользователя о степени их работоспособности. Аккумуляторы, комплектуемые специализированной системой интеллектуального регулирования, находят широкое применение в самом разном техническом электрооборудовании, включительно и электротранспортном. Примечательно, что группу интеллектуальных батарей образовывают преимущественно литийсодержащие аккумуляторы, хоть и встречаются среди них герметизированные или вентилируемые свинцово-кислотные, никель-кадмиевые.

Разумные батареи, как минимум, на 25% дороже обычных аккумуляторов. Однако интеллектуальные аккумуляторы отличаются не только ценой, как большинство предполагает, но и особенностями прилагаемого к ним регулировочного устройства. Последнее гарантирует идентификацию типа аккумуляторных батарей с зарядным устройством, отслеживает температуру, напряжение, ток, степень заряда аккумуляторов. Значительная часть литий-ионных батарейных модулей имеет встроенную систему мониторинга и управления (BMS ), которая отвечает за состояние аккумуляторов и управляет ими таким образом, чтобы максимально сохранить работоспособность аккумуляторных батарей в различных условиях.

Рассмотрим же более подробно, что такое аккумуляторная батарея с BMS. Разумные батареи - это аккумуляторы, оборудованные специальной микросхемой, в которой запрограммированы постоянные и временные данные. Постоянные данные программируются ещё на заводе-изготовителе и не подлежат изменению: данные, касаемые производственной серии BMS, её маркировки, совместимости с типом аккумуляторных батарей, вольтажа, максимальных и минимальных пределов напряжения, температурных границ. Временные же данные – это данные, подлежащие периодическому обновлению. К ним относятся преимущественно эксплуатационные требования и пользовательские данные. Как правило, предусматривается возможность подключения системы управления и балансировки к компьютеру или контроллеру с целью мониторинга состояния батарей и контроля их параметров. Некоторые модели BMS могут настраиваться под разные типы батарей (уровни их напряжения, значения тока, емкость).

Система управления батареи (BMS) – электронная система, которая управляет заряд/разрядным процессом аккумуляторной батареи, отвечает за безопасность её работы, проводит мониторинг состояния батареи, оценку вторичных данных работоспособности.

BMS (Battery Management System) – это электронная плата, которая ставится на аккумуляторную батарею с целью контроля процесса её заряда/разряда, мониторинга состояния аккумулятора и его элементов, контроля температуры, количества циклов заряда/разряда, защиты составных аккумуляторной батареи. Система управления и балансировки обеспечивает индивидуальный контроль напряжения и сопротивления каждого элемента аккумулятора, распределяет токи между составными аккумуляторной батареи во время зарядного процесса, контролирует ток разряда, определяет потерю емкости от дисбаланса, гарантирует безопасное подключение/отключение нагрузки.

На основе получаемых данных BMS выполняет балансировку заряда ячеек, защищает аккумулятор от короткого замыкания, перегрузки по току, перезаряда, переразряда (высокого и чрезмерно низкого напряжения каждой ячейки), перегрева и переохлаждения. Функциональность BMS позволяет не только улучшить режим эксплуатации аккумуляторных батарей, но и максимально увеличить срок их службы. При определении критического состояния батареи Battery Management System соответственно реагирует, выдавая запрет на использование аккумуляторной батареи в электросистеме - отключает её. В некоторых моделях BMS предусмотрена возможность ведения реестра (записи данных) о работе аккумуляторной батареи и их последующей передачи на компьютер.

Литий-железо-фосфатные аккумуляторы (известные как LiFePO4), что существенно превосходят ряд иных аккумуляторный батареи литий-ионной технологии с точки зрения безопасности, стабильности и производительности, также комплектуются схемами управления BMS. Дело в том, что литий-железо-фосфатные батареи чувствительны к перезаряду, а также разряду ниже определенного напряжения. С целью уменьшения риска повреждения отдельных аккумуляторных ячеек и выхода батареи в целом из строя все LiFePO4 аккумуляторы оснащаются специальной электронной схемой балансировки – системой управления батареями (BMS).

Напряжение на каждой из ячеек, объединенных в литий-железо-фосфатную батарею, должно находиться в определенных пределах и быть равным между собой. Ситуация же такова, что идеально равная емкость всех ячеек, входящих в состав единого аккумулятора, - довольно редкое явление. Даже малое различие на пару долей ампер-часов может спровоцировать в дальнейшем различие уровня напряжения при зарядно/разрядном процессе. Разница в уровне заряда/разряда ячеек единой LiFePO4 батареи довольно опасна, так как может погубить аккумулятор.

При параллельном соединении ячеек напряжение на каждой из них будет приблизительно равным: более заряженные элементы смогут вытягивать менее заряженные. При последовательном же соединении равномерного распредения заряда между ячейками не происходит, в результате чего одни элементы остаются недозаряженными, а другие перезаряжаются. И даже, если общее напряжении по завершении зарядного процесса будет близко к идеальному, вследствиедаже небольшогоперезаряда некоторых ячеек в батарее будут происходить необратимые разрушительные процессы. Аккумуляторная батарея в процессе эксплуатации не будет отдавать требуемой емкости, и по причине неравномерного распредения заряда быстро придет в негодность. Ячейки с наименьшим уровнем заряда станут своеобразным "cлабым местом" аккумулятора: они будут быстро поддаваться разряду, в то время, когда аккумуляторные элементы большей емкости будут проходить только частичный разрядный цикл.

Избежать негативных разрушительных процессов в аккумуляторной батарее позволяет метод балансировки. Система управления и балансировки ячеек BMS следит за тем, чтобы все ячейки в конце зарядки получали равное напряжении. При подходе зарядного процесса к концу BMS делает балансировку шунтированием зарядившихся ячеек или же переносит энергию элементов с большим напряжением к элементам с меньшим напряжением. В отличии от активной, при пассивной балансировке практически полностью восполнившие заряд ячейки получают меньший ток или исключаются из зарядного процесса до момента, пока все элементы аккумулятора не будут иметь равный уровень напряжения. Система управления батареей (BMS), производя балансировку, а также обеспечивая контроль температуры и выполнение ряда иных функций, максимально продлевает срок службы аккумулятора.

Обычно магазины продают уже готовые сборные аккумуляторные батареи с BMS, однако некоторые магазины и фирмы все же предоставляют возможность приобретения аккумуляторных составных по отдельности. К их числу относится и фирма «Электра». Электра – первая фирма в Украине, решившаяся на поставку и создание рынка аккумуляторных элементов для самостоятельной сборки и конструирования литий-железо-фосфатных аккумуляторных батарей (LiFePO4) в нашей стране. Главное преимущество самостоятельной сборки батарей из отдельных ячеек состоит в возможности получения сборного аккумуляторного комплекта максимально приближенного к запросам пользователя с точки зрения рабочих параметров и емкости. При покупке комплектующих для сборки LiFePO4 батареи важно обращать внимание не только на соответствие аккумуляторных ячеек между собой, но и смотреть на параметры BMS : напряжение, ток разряда, количество ячеек, на которое она рассчитана. Эксплуатация литий-железо-фосфатной аккумуляторной батареи также предусматривает использование исключительно зарядного устройства, отвечающего ей по типу. Его напряжение должно быть равным общему напряжению аккумуляторной батареи.

24v 36v 48v 60v

Основные цели применения BMS(BatteryManagementSystem) в качестве регулятора работы аккумуляторной батареи:

Защита аккумуляторных клеток и целой батареи от повреждений;

Увеличение срока службы батареи;

Поддержание аккумулятора в состоянии, при котором станет максимально возможным выполнение всех возложенных на него задач.

ФункцииBMS (Battery Management System)

1. Контроль за состоянием элементов аккумуляторной батареи с точки зрения:

- напряжения: общее напряжение, напряжение отдельных ячеек, минимальное и максимальное напряжение ячейки;

- температуры: средняя температура, температура электролита, температура на выходе, температура отдельных аккумуляторных "клеток", платы BMS (электронная плата, как правило, оснащается как внутренними температурными датчиками, проводящими мониторинг температуры непосредственно регулировочного устройства, так и внешними, которые используются для контроля температуры конкретных элементов батареи);

- заряда и глубины разряда;

- токов заряда /разряда;

- исправности

Система управления и балансировки ячеек может хранить в памяти такие показатели, как количество циклов заряда/разряда, максимальное и минимальное напряжение ячеек, максимальное и минимальное значение тока заряда и разряда. Именно эти данные и позволяют определять состояние исправности аккумуляторной батареи.

Неправильный заряд – одна из наиболее распространенных причин выхода аккумуляторной батареи из строя, поэтому контроль заряда является одной из основных функций микроконтроллера BMS.

2. Интеллектуально-вычислительная. На основе вышеперечисленный пунктов BMS проводит оценку:

Максимального допустимого тока заряда;

Максимального допустимого тока разряда;

Количества энергии, поставляемой вследствие зарядки, или же теряемой при разряде;

Внутреннего сопротивления ячейки;

Суммарной наработки аккумуляторной батареи в процессе эксплуатации (общего количества циклов работы).

3. Связная. BMS может подавать вышеуказанные данные на внешние управляющие устройства путем проводной или же беспроводной коммуникации.

4. Защитная. BMS защищает батарею, предотвращая её выход за пределы безопасной работы. BMS гарантирует безопасность подключения/отключения нагрузки, гибкое управление нагрузкой, защищает аккумуляторную батарею от:

Перегрузки по току;

Перенапряжения (во время зарядки);

Падения напряжения ниже допустимого уровня (во время разряда);

Перегрева;

Переохлаждения;

Утечки тока.

BMS может предотвратить опасный для аккумуляторной батареи процесс путем непосредственного влияния на неё или же подачи соответствующего сигнала о невозможности последующего использования аккумулятора к управляющему устройству (контроллеру). Система интеллектуального мониторинга (BMS) отключает аккумуляторную батарею от нагрузки или зарядного устройства при выходе хотя бы одного из рабочих параметров за границы допустимого диапазона.

5. Балансировка. Балансировка – это метод равномерного распределения заряда между всеми ячейками аккумуляторной батареи, благодаря чему максимально продлевается срок службы аккумулятора.

BMS предотвращает чрезмерный перезаряд, недозаряд и неравномерный разрядный процесс в отдельных аккумуляторных ячейках:

Осуществляя "перетасовку" энергии от наиболее заряженных клеток к менее заряженным (активная балансировка);

Снижая до достаточного низкого уровня поступление тока к практически полностью заряженной ячейке, одновременно с тем, когда менее заряженные аккумуляторные клетки продолжают получать нормальный зарядный ток (принцип шунтирования),

Обеспечивая процесс модульной зарядки;

Регулируя выходные токи ячеек аккумулятора, подключенного к электроустройству.

С целью защиты платы BMS от негативного воздействия влаги и пыли её покрывают специальным эпоксидным герметиком.

Не всегда аккумуляторы имеет только одну систему управления и балансировки. Иногда вместо одной платы BMS, подсоединяемой при помощи выходящих проводов к аккумуляторной батарее и контроллеру, используется сразу несколько связанным между собой регулировочных электронных плат, каждая из которых управляет определенным количеством ячеек и подает выходящие данные к единому контроллеру.

С практической точки зрения BMS могут выполнять значительно больше функций, нежели просто управление работой батареи. Иног да эта электронная система может принимать участие в контроле параметров режима работы электрического транспортного средства, и осуществлять соответствующие действия по управлению его электрической мощностью. Если аккумуляторная батарея участвует в работе системы рекуперации энергии при торможении электрического транспортного средства, то BMS также может регулировать процесс подзарядки батареи при замедлении и спусках.

NiMH - . - . : , -.

MATHEMATICAL MODEL OF HYBRID ELECTRIC VEHICLE HIGH-VOLTAGE BATTERY IDENTIFICATION

S. Serikov, Associate Professor, Candidate of Technical Sciences, KhNAHU

Abstract. The mathematical model of hybrid electric vehicle NiMH high-voltage battery is obtained. This model allows to explore the interaction of vehicle tractive electric drive and high-voltage battery at the electric motive power motion and in the process of recuperation of braking kinetic energy. Key words: identification, mathematical model, high-voltage battery, electromotive force, internal re-sistance, state of charge, rated battery capacity.

(), - . - (). , .

- , . - - , -, -, - . - - - . - , - - . - - - . - - - , - - .

-, / 35300 70130 100200 140200 90120 150 100

-, /3 5090 60100 60100 100210 75110 160 100

, / 1545 3560 3060 5580 80120 100 150

300600 4001200 10001500 1000 250500 500 300

, ../ 70400 400500 500 150800 300 >1000 >1000

2,1 -. . -

()0,15 2,00TAB TAB AK

0,1TAB TAB TAB nomC C = = - ; TABC , - - ; TAB nomC - . -

2 % . 8 . 90 % 1 . - - - . - - - - (NiMH), -, -. - 1,2 BAKE = . - -

()TAB TAB AK TABE n E= ,

() ()() ()() ()()

8,2816 1 23,575 1

30,0 1 23,7053 1

12,588 1 4,131 1

0,8658 1 1,37 , B .

NiMH 5 % . 1 . - 60 % - 20 . - - (-, - ..). - -

3,5 BAKE = . - 10 % . 2 3 . - . . Toyota Prius III (- 2003 .) NiMH , 168 -, 28 , -

201,6 BTAB nomU = . Toyota Prius II (20002003 .) NiMH , 228 -, 38 .

273,6 BTAB nomU = . 6,5 TAB nomC = ,

max 80 ATAB disI = ,

max 50 ATAB chgI = .

TAB TAB TABTAB nom

0TAB - 0t = . - - (TABE) - (TABR),

TAB TAB TAB TABU E I R= . - , - . TABE TABR - , - (0TABt), - (TABI)

()0,TAB TAB TAB TABE f I t= ;()0,TAB TAB TAB TABR f I t= .

()TAB TAB TAB TAB TAB TAB TABP U I E I R I= = .

()21 42TAB TAB TAB TAB TABTABI E E R PR= . - maxTAB TABP P> , maxTABP - . -

TAB VD inv dop VD

0VD gnrP P= < ; dopP -, - ; inv . - - - . - - , - (- -

0,1...10 cSCT = .

1. , - .

()TAB TAB AK TABE n E=

0,46263 0,697080,41778 1,1516 , B ,

0,00352 0,25920,48776 1,1364 , B ,

()(),TAB TAB TABE f sign I= :

0,093727 1,197 , B , 0;

0,16112 1,2352 , B , 0.

TAB (0TABI) 0,018274Rdis = , (0TABI <) 0,0075985Rchg = . - - 228TABn = , - - , . 3.

NiMH Panasonic Toyota Prius, . , - . 5.

()(),TAB TAB TABE f sign I=

()32VD d d q qP i u i u= + du qi qu

()(),TAB TAB TABR f sign I=

VD TAB VD inv dop

NiMH . - - - - , . - - - .

1. James Larminie, John Lowry. Electric vehicle technology explained. John Wiley & Sons Ltd, The Atrium, Southern Gate, Chiches-ter, West Sussex PO19 8SQ, England. 2003. 296 p.

2. Dhameja, Sandeep. Electric vehicle battery systems / Sandeep Dhameja.Sandeep Dhameja. Newnes, 2002, 230 p.

3. K.J. Kelli, M. Mihalic, M. Zolot. Battery us-age and thermal performance of the Toyota Prius and Honda Insight for various chassis dynamometer test procedures. Preprint. NREL/CP-540-31306, November, 2001.

4. Loic Boulon, Daniel Hissel, Marie-Cecile Pera. Multi physics model of a nickel based battery suitable for hybrid electric vehicle simulation // Journal of Asian Electric Vehiclec, Vol. 6, No. 2, December 2008. . 1175-1179.

5. A H2 PEM Fuel Cell and High Energy Dense Battery Hybrid Energy Source for an Urban Electric Vehicle. N. Schofield, H. T. Yap, C. M. Bingham.

6. Yuanjun Huang, Chengliang Yin, Jianwu Zhang. Modeling and Development of the Real-time Control Strategy For Parallel Hybrid Electric Urban Buses / WSEAS

TRANSACTIONS on INFORMATION SCIENCE & APPLICATIONS. Issue 7, Volume 5, July 2008. . 11131126.

7. Carlos Martinez, Yossi Drori and Joe Ciancio. Smart Battery Primer. Intersil Application Note. AN126.0. July 11, 2005.

8. Osvaldo Barbarisi, Roberto Canaletti, Luigi Glielmo, MicheleGosso, Francesco Vasca. State of charge estimator for NiMH batter-ies // Proceedings of the 41-st IEEE confer-ence on decision and control. Las Vegas, Nevada USA, december, 2002. . 17391734.

9. Francesco Esposito. A sub-optimal energy management strategy for hybrid electric vehicles. http://www.fedoa.unina.it/1944/1/Esposito_Francesco_Ingegneria_Elettrica.pdf

10. Xi Wei. Modelling and control of a hybrid electric drivetrain for optimum fuel econ-omy, performance and driveability. Disser-tation. Presented in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the Graduate School of The Ohio State University. 2004. 175 p.

11. .. / .. , .. . . : , 2005. 240 .

12. NickeI-metal hydride. Application Manual. 2001.

13. Technical Articles. Toyota Series Hybrid. High-Voltage battery http://www.autoshop101.com/forms/Hybrid03.pdf.

14. .. / .. - // . 2006. 1. . 1819.

15. . . -: / . . // . 2006. . 6. 3. . 146149.

16. M. Zolot, A. Pesaran, M. Mihalic. (NREL). Thermal Evaluation of Toyota Prius Battery Pack // National Renewable Energy Labo-ratory. Presented at the Future Car Con-gress, June 2002.

Сегодня в России наблюдается рост производителей автономных электротранспортных средств малой и средней мощности. К таковым относятся не только электромобили и городской транспорт. Электротяга успешно используется для реализации погрузчиков, складской и сельскохозяйственной техники, в рыболовной и охотничьей сферах для бесшумной охоты и рыбалки (багги, лодки, квадроциклы), а также в спортивной и развлекательной сферах.

Производители большинства данных транспортных средств используют электропривод средней мощности и литиевые аккумуляторы в качестве источников питания. Для обеспечения корректной и безопасной работы такой системы требуется контроль заряда каждой ячейки аккумуляторной батареи. Большинство производителей использует для этого готовые системы контроля (BMS ) зарубежного производства (КНР, США, Германия).

Наиболее эффективные литиевые источники питания, широко используемые в электротранспорте, по природе своей выдают рабочее напряжение порядка 3,2…4 В. Для обеспечения работы электропривода на большем напряжении их соединяют последовательно. При такой конфигурации в батарее, в случае изменения параметров одной или нескольких ячеек, может возникать дисбаланс – перезаряд, переразряд ячеек, достигающий в худшем случае 30%. Такой режим существенно (в разы) снижает ресурс аккумуляторной батареи.

Система BMS позволяет осуществлять контроль и балансировку заряда последовательно и параллельно-последовательно соединенных аккумуляторных ячеек батареи автономного электротранспортного средства.



Можно выделить 2 основных типа балансировок аккумуляторных ячеек: активная и пассивная.

При достижении порового напряжения система пассивной балансировки начинает рассеивать энергию на резисторе в виде тепла, при этом процесс заряда прекращается, далее достигнув напряжения нижнего порога система вновь начинает заряд всей батареи. Процесс заряда прекращается, когда напряжение всех ячеек находится в требуемом диапазоне.

Пассивная балансировка – система однонаправленная, она может только поглощать заряд ячейки. Активная система балансировки использует двунаправленные преобразователи постоянного тока, тем самым позволяя из более заряженной ячейки направлять энергию в более разряженную ячейку под управлением микроконтроллера BMS . Матричный коммутатор обеспечивает маршрутизацию зарядов в ячейку или из нее. Коммутатор подключен к DC-DC преобразователю, который регулирует ток, он может быть и положительный, когда ячейку нужно зарядить, отрицательный, когда необходимо разрядить. Вместо использования резистора и рассеивания тепла, величина тока перетекающего при зарядке-разрядке контролируется алгоритмом балансировки нагрузки.



Наиболее широкое распространение получили аналоговые системы пассивной балансировки. На рисунке приведена типовая система и её характеристики.



Нами была разработана математическая модель аккумуляторной батареи, состоящей из 16 LiFePO 4 ячеек, контроль заряда которой осуществлялся посредством пассивной BMS . Математическая модель аккумуляторной LiFePO 4 ячейки в системе Matlab — Simulink учитывает нелинейные зарядочные и разрядочные характеристики батареи, соответствующие данному типу ячеек, внутреннее сопротивление, а также текущий уровень максимальной емкости, изменяющийся во время жизненного цикла ячейки.

К каждой из ячеек параллельно был подключен пассивный балансир. Для управления процессом заряда и балансировки был последовательно включен ключ, открытие и закрытие которого осуществлялось по команде, поступающей от BMS . Исследование проводилось для заключительного этапа заряда аккумуляторной батареи от идеального источника напряжения.



Осциллограммы процесса заряда АКБ, состоящей из 16 LiFePO4 ячеек, одна из которых была «повреждена» и имела меньшую емкость

На рисунке приведен случай, когда у одной из ячеек были изменены параметры, в частности, моделировался случай потери емкости и увеличения внутреннего сопротивления, что может случиться в реальной жизни, например, в результате удара или вследствие перегрева.

Поврежденная ячейка заряжается быстрее и первой достигает требуемого напряжения. Однако, дальнейший заряд ее не происходит. По выше описанному принципу начинает работать балансир. Остальные ячейки, обозначенные зеленым цветом в момент остановки процесса заряда сохраняют текущий уровень емкости, а в момент его возобновления продолжают заряжаться.

Когда уровень напряжения всех ячеек достигает требуемого диапазона, процесс заряда останавливается