Моделирование устройства балансировки Li-Ion аккумуляторной батареи с коммутируемыми конденсаторами для электромобиля

Аннотация

В статье рассмотрены принцип работы и способ построения схемы моделирования устройства балансировки с коммутируемым конденсатором для Li-Ion аккумуляторной батареи в программе Matlab Simulink. Сделаны выводы о возможности применения устройства балансировки с аккумуляторной батареей электромобиля.

Полный текст

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.