Modeling of the device for balancing of a Li-Ion battery with switched capacitors for electric vehicles

Abstract

The article describes the principle and method of constructing a simulation circuit of balancing devices with switched capacitors for Li-Ion battery in Matlab Simulink program. Conclusions are drawn about the possibility of balancing device with a battery of an electric vehicle.

Full Text

Аккумуляторные батареи (АБ) электромобилей состоят из множества последовательно соединенных аккумуляторов, при массовом производстве которых невозможно добиться идентичности их характеристик. Емкость, внутреннее сопротивление, скорость саморазряда и деградации однотипных аккумуляторов всегда незначительно, но отличаются. В АБ на борту электромобиля аккумуляторы работают в различных температурных режимах работы, что также влияет на их характеристики. Наиболее характерно это влияние проявляется при разбиении АБ на несколько модулей последовательно соединенных аккумуляторов и размещении их в разных отсеках электромобиля (в подкапотном пространстве, в багажнике, в салоне и т.д.). Для того чтобы минимизировать разброс характеристик аккумуляторов, разработчики электромобилей стараются комплектовать АБ из аккумуляторов одной производственной партии, а для равномерного температурного распределения на аккумуляторах стараются оптимизировать конструкцию блока АБ и систему вентиляции. Несмотря на прилагаемые усилия, при длительной эксплуатации АБ возникает проблема разбаланса аккумуляторов, которая понижает эффективность использования АБ на борту электромобиля. Системы электроснабжения с интеллектуальными алгоритмами, обеспечивающие повышение энергетических показателей, описаны в статье [1], а тенденции развития диагностики этих систем – в статье [2]. Негативное влияние разбаланса может быть отражено на следующем примере: если при движении электромобиля напряжение на одном из аккумуляторов опустится до заданного нижнего уровня, ниже которого может произойти необратимая деградация АБ, система обеспечения безопасности электромобиля принудительно разомкнет цепь разряда АБ и электромобиль не сможет продолжить движение [3]. Тот факт, что напряжения на отдельных аккумуляторах будут выше заданного нижнего допустимого предела, свидетельствует о наличии неиспользуемого заряда в отдельных аккумуляторах. Наличие остаточного неиспользуемого заряда в аккумуляторах говорит о неэффективном использовании АБ. Следовательно, электромобиль с разбалансированной АБ сможет проехать меньшее расстояние, чем электромобиль с АБ, у которой напряжения на аккумуляторах (при полном заряде АБ) одинаковы. Для выравнивания степени заряда и напряжений на отдельных аккумуляторах в АБ используются специальные устройства балансировки. Классификация устройств балансировки приведена в статье [4]. Моделирование устройств балансировки других типов представлены в статьях [5] и [6]. Рассмотрим схему и принцип работы конденсаторного устройства балансировки напряжений, моделированию которого посвящена статья. Структурная схема этого устройства представлена на рисунке 1. На каждую пару последовательно соединенных аккумуляторов в АБ подключаются блоки “переноса заряда”, включающие в себя два коммутационных ключа и коммутируемый конденсатор. Конденсатор постоянно переключается между двух аккумуляторов, доставляя, таким образом, заряд от аккумуляторов с большим зарядом к аккумуляторам с меньшим зарядом, постепенно выравнивая на них заряд. При этом каждый такой блок нуждается в простом управлении коммутацией силовых ключей. Несколько блоков “переноса заряда” могут быть использованы для последовательной цепи аккумуляторов высоковольтной АБ. Т.к. аккумуляторы B2…Bn-1 делят свой блок “переноса заряда” с двумя соседними аккумуляторами, то заряд может путешествовать от одного конца последовательной цепи до другого. Недостатком этой схемы является потребность в большом периоде времени на транспортировку заряда, в том случае если аккумулятор с наибольшим зарядом и аккумулятор с наименьшим зарядом находятся с разных сторон последовательной цепи аккумуляторов. В этом случае заряд будет “путешествовать” через каждый аккумулятор с затратой времени и эффективности. Рисунок 1 – Структурная схема устройства балансировки с одним коммутируемым конденсатором на каждую пару аккумуляторов Вторым недостатком является потребность в большом количестве ключей: (n-1)∙4, где n – число аккумуляторов. Однако, несмотря на недостатки, эта схема является достаточно компактной. Для каждой пары АБ управляющий контур, коммутационные ключи и конденсатор могут быть объединены в отдельном модуле напротив аккумуляторов, заряды которых они выравнивают. При добавлении некоторого количества дополнительных аккумуляторов в последовательную цепь АБ могут быть добавлены и блоки “переноса заряда”. Рассмотрим модель устройства балансировки с коммутируемым конденсатором в программе Matlab Simulink. Схема модели устройства представлена на рисунке 2. Рисунок 2 – Схема модели устройства балансировки с коммутируемыми конденсаторами Зададим следующие условия моделирования: · АБ состоит из 4-х аккумуляторов (Cell1-Cell4); · тип аккумулятора – Li-Ion (используем стандартную модель из Matlab Simulink); · номинальное напряжение – 3,6 В; · емкость – 100Ач. Установим следующие значения степеней заряда для аккумуляторов (Cell1-Cell4): Cell1=90%, Cell2=85%, Cell3=75%, Cell4=70% (АБ разбалансирована на 20%). Заряд АБ должен производиться током 3А, до тех пор пока напряжение на каком-либо из аккумуляторов не достигнет 4,2В. Разряд АБ должен осуществляться током 20А, пока напряжение на каком-либо из аккумуляторов не опустится до 3В, после чего моделирование должно быть приостановлено. Цепи заряда и разряда АБ. Заряд АБ осуществляется от источника постоянного напряжения VSource (его внутреннее сопротивление задается резистором Rint) при открытии ключа Switch S. Разряд АБ осуществляется при подключении к ней нагрузки Rload посредством открытия ключа Switch L. Неиспользуемые выходы блоков ключей (и других блоков, выходы которых не используются) подаются на специальные заглушки - Terminator. Величины сопротивлений Rint и Rload выбраны так, чтобы заряд АБ от источника VSource (20 В) осуществлялся током 3А, а разряд – током 20А. Рассмотрим подсистемы, представленные на схеме (рисунок 2): 1. Подсистема Signal Distributor направляет сигналы от аккумуляторов (с информацией о напряжении (V, В) и степени заряда (%)) с мультиплексированных входов In1-4 на осциллограф (мультиплексированные выходы Out5-Out7). На подсистемы Charge/Discharge Control и Control Balancer она подает сигналы через выходы Out1-4 с информацией о напряжении на аккумуляторах. На выходы Out5 и Out6 подается информация соответственно о степени заряда (SOC,%) и напряжении (V, В) аккумуляторов. На выход Out7 подается значение разбаланса (максимальная разница между степенями заряда отдельных аккумуляторов). 2. Подсистема Charge/Discharge Control через выходы Out1 и Out2 управляет зарядом и разрядом АБ путем коммутации ключей S и L (заряд АБ – S открыт, L закрыт, при разряде – наоборот). При подаче на управляющий вход “g” ключа S (или L) сигнала лог. “0” – он закрывается, а при подаче сигнала лог. “1” – открывается. Алгоритм работы этой подсистемы основан на измерении напряжений аккумуляторов Cell1-Cell4 и установлен в соответствии с условиями моделирования. В момент начала моделирования должно соблюдаться условие: на выходах Out1 и Out2 подсистемы должны быть соответственно сигналы уровня лог. “1” и лог. “0”. Как только (при заряде) напряжение на каком-либо аккумуляторе превысит допустимый уровень (4,2В), подсистема отключит АБ от источника напряжения и подключит нагрузку, посылая сигналы лог. “0” и лог. “1” соответственно с выходов Out1 и Out2. Как только (при разряде) напряжение на каком-либо аккумуляторе опустится ниже допустимого уровня (3,2В), подсистема принудительно остановит моделирование. 3. Для балансировки АБ используется 3 одинаковых подсистемы Balancer1-Balancer3. Рассмотрим подсистему Balancer1 (рисунок 3). В подсистеме Balancer1 конденсатор С1 через порты Port1-Port3 поочередно подключается к аккумуляторам Cell1 и Cell2 (к Cell1 через Port1 и Port2, к Cell2 через Port2 и Port3). За подключение конденсатора к соответствующим портам отвечают ключи Switch1-Switch4, управляемые D-триггером Flip-Flop1, охваченного обратной связью. Частота коммутации ключей задается генератором импульсов Pulse Generator. 4. В подсистеме Control Equalizer находится логическая схема, которая на основе входных сигналов In1-In4 находит разницу между максимальным и минимальным напряжением на аккумуляторах - ∆U. Значение ∆U сравнивается с заданным пределом. Если оно меньше заданного предела (0,1В), то через свой выход подсистема Control Equalizer выключает подсистемы Balancer1-Balancer3. Работа схемы осуществляется только по сигналам на вход In5 от подсистемы Charge/Discharge Control. Эти сигналы подсистема Charge/Discharge Control посылает в моменты окончания заряда и разряда АБ (из-за нелинейной зависимости напряжения аккумулятора от его степени заряда в такие моменты наблюдается максимальное значение величины ∆U). Таким образом, эта подсистема принимает решение о включении или выключении подсистем Balancer1- Balancer3 только в моменты достижения максимальных значений ∆U. Рисунок 3 – Подсистема Balancer1 На схеме модели устройства балансировки также находится блок Powergui. Он представляет собой графический интерфейс пользователя пакета моделирования энергетических систем. Он необходим для задания типа и параметров моделирования (шаг интегрирования). Его параметры были выбраны по умолчанию. Результаты моделирования: На рисунке 4 представлены полученные в ходе моделирования осциллограммы степени заряда, напряжения и величины разбаланса по степени заряда при работающем устройстве балансировки. Как видно из осциллограммы, время заряда АБ до момента, когда напряжение на одном из аккумуляторов (Cell1) достигло 4,2В, составило 2,5∙104cек. За это время величина разбаланса снизилась с 20% до 2%. Время разряда АБ составило 1,75∙104cек. За время разряда величина разбаланса снизилась до 0,5%. Рисунок 4 – Результаты моделирования при включенном устройстве балансировки На рисунке 5 представлены полученные в ходе моделирования осциллограммы степени заряда, напряжения и величины разбаланса по степени заряда при выключенном устройстве балансировки. Как видно из осциллограммы, время заряда АБ до момента, когда напряжение на одном из аккумуляторов (Cell1) достигло 4,2В, составило 1,25∙104cек. Время разряда АБ составило 1,4∙104cек. Величина разбаланса постоянна и составляет 20% . Рисунок 5 – Результаты моделирования при выключенном устройстве балансировки Выводы 1. Использование устройств балансировки уменьшает величину разбаланса, следовательно, позволяет в полной мере использовать емкость аккумуляторов (продолжительность разряда сбалансированной АБ всегда больше, чем у несбалансированной). 2. Время заряда АБ при использовании устройства балансировки значительно возрастает. По этой причине балансировку следует производить не каждый цикл заряда и разряда, а по мере необходимости. 3. Производить балансировку аккумуляторов эффективнее на конечном этапе заряда и разряда АБ, когда разница между напряжениями на аккумуляторах увеличивается. При средней степени заряда АБ напряжения на разбалансированных аккумуляторах практически одинаковы. 4. Устройство балансировки с коммутируемым конденсатором может использоваться для АБ электромобилей, так как аккумуляторы в АБ электромобиля за каждый цикл работы проходят полный цикл заряда/разряда. Такие условия значительно повышают эффективность метода. 5. АБ гибридных автомобилей работают в среднем интервале степени заряда, поэтому разница между уровнями напряжений на аккумуляторах с разной степенью заряда будет незначительна, что делает для них применение метода “переноса заряда” малоэффективным.