Разработка системы управления батареями в Simulink Видео
В следующие несколько минут я объясню основные компоненты BMS, смоделированные в Simulink. Мы можем использовать эту модель для настольных симуляций, где мы можем, например, воспроизвести различные циклы использования и условия окружающей среды, чтобы оценить реакцию системы на потенциально небезопасное состояние; например, температура, напряжение или ток выходят за рекомендуемые пределы.
Допустим, эта аккумуляторная система является частью трансмиссии электромобиля. Допустим, батарея заряжена на 75%, а температура наружного воздуха 15С. В этих условиях мы начинаем движение на некоторое время, затем останавливаемся и заряжаем аккумулятор. Наконец, батарея находится в состоянии покоя, и запускается цикл балансировки. Откуда мы знаем, что во время этих трех типичных этапов использования аккумуляторная батарея остается в рекомендуемых электрических и тепловых пределах? Что, если температура на улице 40С вместо 15С? А если начальный уровень заряда 30%? Вызовет ли агрессивный ездовой цикл ситуацию пониженного напряжения?
Модель позволяет разработчику транспортного средства проверить все эти ситуации в моделировании, не рискуя повредить реальную батарею.
Это модель BMS в Simulink. Аккумулятор и его система управления находятся внутри этой модели.
В левом верхнем углу мы определяем различные сценарии вождения, которые определяют последовательность испытаний, предоставляемую подсистемой в левом нижнем углу. Зеленые индикаторы в правом верхнем углу указывают на наличие неисправности; например, что какая-либо ячейка достигла состояния перегрева.
Сама система имеет ссылку на модель, представляющую ЭБУ BMS с его различными алгоритмами мониторинга и управления, соединенную с блоком с представлением аккумуляторной батареи и связанных с ней схем и периферийных устройств. Эта модель содержит две версии аккумуляторной батареи: маленькую, состоящую всего из 6 ячеек, и более крупную, состоящую из 16 модулей, причем каждый модуль содержит серию из 6 ячеек. Во всех случаях мы моделируем только одну параллельную струну. Мы называем эти архитектуры пакетами 6s-1p и 96s-1p соответственно.
Начнем с описания аккумуляторной батареи и ее периферийных устройств.
Вариантная подсистема слева содержит две версии аккумуляторной батареи, упомянутые ранее: маленькую с 6 ячейками и большую с 96 ячейками. Давайте посмотрим на маленькую. Этот аккумуляторный блок смоделирован в Simscape, где цвет компонента говорит нам о его физическом домене. Синий указывает на электрические, а оранжевый — на тепловые. Мы видим, что 6 ячеек соединены последовательно и могут обмениваться теплом друг с другом. Тепловая схема асимметрична: ячейка номер 6 внизу изолирована с одной стороны (поэтому тепло не может рассеиваться в этом направлении), а ячейка 1 вверху открыта для внешней атмосферы и, следовательно, избавляется от тепла за счет конвекции. Эта асимметрия будет отвечать за значительную разницу температур между 6 ячейками.
Что делает эту ячейку репрезентативной для реальной химии ионов лития; скажем, NiMnCo? Что ж, внутри каждой ячейки есть эквивалентная схема, топология и параметры которой должны дать мне ответ, эквивалентный тому, который я наблюдал бы экспериментально.
Эквивалентные компоненты схемы должны включать температуру, SOC и возможную зависимость от старения. Если вы заинтересованы в характеристике элементов, подробный отчет о том, как выполнить оценку этого параметра для элементов батареи, доступен на нашем веб-сайте в разделе «моделирование батареи».
Рядом с батарейным блоком находится подсистема с пассивной схемой балансировки. Управляемые логикой балансировки из алгоритма BMS, эти переключатели выборочно замыкаются, когда соответствующей ячейке требуется частичный разряд для снижения их SOC.
Поддержание баланса между модулями батарейных элементов позволяет мне лучше использовать их общую емкость, как мы увидим через несколько минут.
Еще одним элементом модели установки является комплект схем контактора зарядного устройства и инвертора. Перед подключением аккумуляторной батареи к зарядному устройству важно предварительно подключить их через резистор, чтобы предотвратить попадание чрезмерно высокого тока в аккумулятор и потенциальное его повреждение.
Для этого предварительного соединения требуется специальная последовательность, которую мы покажем, когда будем описывать алгоритм BMS.
Наконец, последняя часть аккумуляторной установки — это зарядное устройство и нагрузка, которые просто представлены здесь источниками тока, которым приказано следовать профилям зарядки и привода из блока источника на верхнем уровне модели.
Алгоритм BMS
Теперь сосредоточимся на алгоритме BMS. Эта часть системы управления батареями отслеживает, защищает, ограничивает и сообщает об измерениях батареи.
Подсистема слева использует напряжение и температуру отдельных элементов для расчета максимально допустимых уровней зарядного и разрядного тока. Когда ячейка находится на низком уровне SOC, ее напряжение низкое, и важно не допустить, чтобы ячейка выдавала большой ток, поскольку это может привести к чрезмерно большому падению напряжения, которое потенциально может быть ниже напряжения отсечки, указанного производителем ячейки.
. Сравнивая минимальное напряжение ячейки в модуле с этим нижним порогом и разделив его на максимальное значение внутреннего сопротивления, рассчитанное для этой ячейки, мы вычисляем пороговое значение тока на основе напряжения.
Мы также знаем, что важно ограничивать подачу или потребление тока при слишком высокой или слишком низкой температуре. Используя справочную таблицу с восходящим или падающим S-образным профилем, мы можем указать порог тока на основе температуры и модулировать допустимую подачу тока. Это очень важно, чтобы избежать физического повреждения материалов элемента при высокой температуре как во время заряда, так и при разряде, а также при низкой температуре во время заряда, поскольку делать это ниже температуры замерзания не допускается.
Затем эти два порога сравниваются друг с другом, и самым низким становится текущий предел.
Подсистема, обозначенная как State Machine, определяет основное рабочее состояние BMS. Здесь он представлен с помощью Stateflow, дополнительного инструментария Simulink, предназначенного для разработки логики состояния.
В Stateflow мы используем компоненты, представляющие состояния, которые активны или неактивны в зависимости от условий, а текст, который мы пишем внутри состояния, представляет собой код, который выполняется при входе, во время или без выхода из состояния.
Конечный автомат имеет четыре параллельных состояния (параллельность означает, что они могут быть активны одновременно):
- Первое из них определяет переменную BMS_State, которая указывает режим ожидания, движение, зарядку и неисправность. Зарядка включает этапы постоянного тока и постоянного напряжения.
- Второе состояние включает состояние отказа, если значение тока, напряжения или температуры достигает небезопасного уровня.
- Третье и четвертое состояния определяют последовательность включения и выключения контактора для зарядного устройства и инвертора. Это необходимо, чтобы избежать слишком большого броска тока в начале стадии заряда.
Оценка SOC
Знание того, как долго мы сможем вести машину, прежде чем нам потребуется остановиться для подзарядки, зависит от точной оценки SOC батареи.
Третья подсистема содержит три различных метода оценки состояния заряда. На практике разработчик BMS выберет только один из них, но здесь мы представляем все три, чтобы проиллюстрировать их индивидуальные достоинства и ограничения. Первый метод, известный как подсчет кулонов, заключается в интегрировании тока, который входит в ячейку и выходит из нее, чтобы отслеживать состояние заряда во времени. Преимуществом этого метода является его простота и очень низкие вычислительные затраты. Его недостатки включают накопление погрешности датчика тока и невозможность восстановления после ошибочного начального состояния из-за отсутствия обратной связи от измерений напряжения.
Вторым и третьим методами оценки SOC, реализованными здесь, являются фильтры Калмана без запаха и расширенный. Оба являются вариациями нелинейных фильтров Калмана, и они полагаются на модель элементарной ячейки для прогнозирования напряжения на клеммах в результате токового воздействия, оценивая состояния внутренних ячеек (среди них SOC) путем сравнения этого прогноза с измерением напряжения на клеммах. . Выбор между EKF и UKF обычно делается в зависимости от серьезности нелинейности системы. В этом случае единственная присутствующая нелинейность обусловлена зависимостью OCV-SOC, и она является умеренной, поэтому ожидается, что EKF должен дать адекватные результаты.
Алгоритм фильтра Калмана состоит из двух частей: обновление состояния и обновление измерения. Обновление состояния предсказывает текущее состояние на основе предыдущего значения состояния и входных данных, а обновление измерения корректирует это предсказание, используя вновь полученные данные. Используемая нами модель ячейки реализована в виде сценария MATLAB и соответствует эквивалентной схеме, которую мы используем для моделирования аккумуляторной батареи.
Следующей задачей является балансировка. Важно поддерживать примерно одинаковый уровень заряда отдельных элементов батареи, в противном случае элемент с самым высоким уровнем SOC ограничит количество заряда, которое мы можем поместить в аккумулятор, что приведет к недоиспользованию системы. Эта логика состояния вычисляет разницу напряжений между самым высоким и самым низким напряжением элемента и, исходя из того, превышает ли эта разница расчетное значение, активирует пассивную балансировку. Команда балансировки представляет собой логический вектор, указывающий, какой продувочный резистор активировать, чтобы SOC ячейки медленно уменьшался. Делая это со всеми ячейками, кроме той, чей SOC является самым низким, в конечном итоге все SOC сходятся в пределах заданного допуска.
Давайте теперь еще раз посмотрим на результаты моделирования.
В этом примере последовательности возбуждения-зарядки-балансировки мы сначала наблюдаем изменение напряжения отдельных ячеек в результате втекания и вытекания тока.
В начале моделирования они немного отличаются, потому что мы инициализировали модель с небольшим дисбалансом SOC. К концу моделирования значения сходятся друг к другу в результате балансировки.
Как насчет тока? Посмотрите на период зарядки. На этапе постоянного тока ток снижается во время зарядки, потому что максимальное напряжение ячейки модуля достаточно велико по сравнению с предписанным пределом 4,4 В, поэтому чрезмерно высокий ток может привести к превышению порогового напряжения, что значительно ограничивает срок службы батареи. . Поскольку мы рассчитываем ограничение тока на основе максимального значения сопротивления в таблице поиска ячеек батареи, мы консервативны. Менее консервативный расчет ограничения тока может использовать фактическое сопротивление элемента батареи при расчетном SOC и температуре, поскольку эта информация доступна во всех рабочих условиях.
Кривые температуры показывают значительное расхождение между самой горячей и самой холодной ячейкой.
Причиной в основном является асимметрия компоновки модулей с точки зрения теплового поведения. Камера номер 6 нагревается значительно сильнее, чем камера 1, потому что она теплоизолирована с одной стороны. Даже если максимальная температура, достигнутая во время этой симуляции, не представляет непосредственного интереса с точки зрения безопасности, показанная здесь разница температур в конечном итоге вызовет гораздо более быструю деградацию ячейки 6 по сравнению с ячейкой 1, что приведет к нежелательной неравномерности состояния ячейки. Отсюда необходимость активного управления температурным режимом, чтобы удерживать температурные перепады в пределах нескольких градусов Цельсия.
На графике в правом верхнем углу показаны три кривые оценки SOC одного и того же элемента батареи, выполненные разными методами. Желтый соответствует счету кулонов, синий соответствует UKF, а оранжевый — EKF. Начальный SOC в этом моделировании составляет 75 %, но оценщики SOC были инициализированы до 80 %, чтобы оценить их способность к восстановлению.
Очевидно, что CC никогда не делает этого, потому что у него нет возможности понять, что это неправильно из-за отсутствия информации о напряжении. С другой стороны, оба алгоритма KF восстанавливаются после первоначальной ошибки в течение первого часа моделируемого времени, при этом EKF превосходит UKF.
Наконец, две другие области показывают состояние BMS и каждый из шести командных сигналов балансировки.
Таким образом, мы использовали Simulink, Stateflow, Simscape и наборы инструментов Control System для разработки системы управления батареями с использованием моделирования и симуляции.
Сопутствующие товары
- Simulink
- Государственный поток
Узнать больше
Аппаратное моделирование систем управления батареями (12:39))
Системы управления батареями
Получить пробный пакет
Серия видеороликов Verification, Validation and Testing Systems Management Systems (9 видеороликов)
Ресурсы систем управления батареями
Присоединяйтесь к сообществу разработчиков систем управления силовой электроникой
Примите участие в викторине: что вы знаете о разработке систем управления силовой электроникой?
Разработка аккумуляторных систем с Simulink и Simscape
Что такое система управления батареями и зачем она нужна…
Опубликовано
В крупных системах хранения энергии важными параметрами, которые следует учитывать, являются безопасность и срок службы батареи. Пока мы ищем более совершенные системы хранения энергии, нам важно выяснить, как наилучшим образом использовать батареи, существующие в современном мире. Один из способов — использовать систему управления батареями.
Проще говоря, система управления батареями, широко известная как BMS, представляет собой встроенную систему, которая контролирует напряжение батареи, состояние заряда (SOC), состояние работоспособности (SOH), температуру и другие критические параметры, а также контролирует зарядку и разрядку батареи.
В общем, BMS выполняет следующие задачи:
- Обнаруживает небезопасные условия работы и обеспечивает безопасность хост-приложения и его пользователя.
- Защищает элементы батареи от неправильного обращения.
- Увеличивает срок службы батареи.
- Поддерживает аккумулятор в состоянии, удовлетворяющем требованиям основного приложения.
Все они направлены на достижение главной цели — максимально использовать имеющийся в настоящее время аккумулятор.
Типичная блок-схема блока батарей с BMS выглядит следующим образом:
Все компоненты в блоке батарей взаимосвязаны с BMS, которая в целом подключена к контроллеру хост-приложений.
Существует пять основных функций BMS.
- Измерение и контроль высокого напряжения
Сюда входят измерение напряжения, тока, температуры, коммутационные устройства, терморегулирование и обнаружение замыкания на землю. Все напряжения отдельных элементов должны быть измерены в аккумуляторной батарее. Это указывает на относительный баланс элементов, поскольку их перезарядка может привести к тепловому разгону. Напряжения ячеек играют важную роль в алгоритмах оценки SOC и SOH.
Температура играет важную роль, когда речь идет о рабочих характеристиках батареи и степени ее износа. Чрезмерное тепло может повредить батарею и сократить срок ее службы.
Когда батарея заряжается или разряжается, батарея нагревается из-за своего внутреннего сопротивления. Может показаться, что более низкие температуры не вредны для батарей, но на самом деле любые экстремальные температуры отрицательно влияют на их химическое поведение. Термисторы или термопары обычно используются для измерения температуры внутри аккумуляторной батареи. - Защита от перенапряжения, пониженного напряжения, перегрузки по току, короткого замыкания и высоких температур
Аккумуляторы высокой энергии могут быть чрезвычайно опасны, если эта энергия высвобождается неконтролируемым образом, например, при коротком замыкании. Схема защиты в этом случае должна быть очень быстродействующей, так как за микросекунды может развиться большой ток.
Защита от перенапряжения срабатывает путем замыкания ячейки через стабилизирующий резистор при достижении порогового уровня. В случае пониженного напряжения схема защиты предотвратит разрядку элемента или всей батареи. Оба они предотвращают выход напряжения ячейки за пределы безопасного рабочего диапазона.
При коротком замыкании или при превышении током порогового уровня батарея отключается для обеспечения безопасной работы. Термическое отключение происходит, когда батарея не достигает безопасной рабочей температуры. - Интерфейс с хост-приложением
Интерфейс обычно осуществляется через шину локальной сети контроллеров (CAN). В некоторых случаях также используется протокол I2C. Это в основном для регистрации данных, управления зарядным устройством и в качестве источника данных для алгоритмов оценки дальности.
- Управление производительностью
Включает оценку состояния заряда (SOC) и балансировку/выравнивание ячеек. Выравнивание ячеек просто делает уровни напряжения всех отдельных ячеек равными. Это гарантирует отсутствие нагрузки на какую-либо конкретную клетку. Методы балансировки ячеек используются для достижения баланса ячеек или выравнивания ячеек. При пассивной балансировке ячеек отдельные ячейки замыкаются накоротко с помощью разрядного резистора для выравнивания напряжений ячеек, тогда как при активной балансировке ячеек происходит распределение заряда от перегруженных ячеек к недозаряженным во время циклов зарядки/разрядки.
Активная балансировка ячеек более эффективна, поскольку энергия распределяется, а не просто рассеивается. Оценка SOC выполняется с помощью определенных алгоритмов, которые позволяют нам контролировать оставшуюся емкость батареи. - Диагностика
Включает оценку состояния работоспособности (SOH) и обнаружение злоупотреблений. BMS обнаруживает и регистрирует внешние нарушения, включая любые нарушения ограничений по току, напряжению или температуре. Некоторые алгоритмы оценки SOH в BMS позволяют нам контролировать состояние батареи из-за нормального износа. Существует также то, что называется алгоритмами оценки состояния жизни (SOL), которые приблизительно предсказывают оставшийся срок службы батареи.
Когда батарея заряжается или разряжается, батарея нагревается из-за своего внутреннего сопротивления. Может показаться, что более низкие температуры не вредны для батарей, но на самом деле любые экстремальные температуры отрицательно влияют на их химическое поведение. Термисторы или термопары обычно используются для измерения температуры внутри аккумуляторной батареи.
При коротком замыкании или при превышении током порогового уровня батарея отключается для обеспечения безопасной работы. Термическое отключение происходит, когда батарея не достигает безопасной рабочей температуры.
Активная балансировка ячеек более эффективна, поскольку энергия распределяется, а не просто рассеивается. Оценка SOC выполняется с помощью определенных алгоритмов, которые позволяют нам контролировать оставшуюся емкость батареи. В дополнение к этому BMS может иметь функции аутентификации для предотвращения установки поддельных пакетов. Не все обсуждаемые функции требуются в BMS, и включение или исключение функций обычно упирается в стоимость. Когда инвестиции в батарею больше, мы хотели бы лучшую BMS.