Pin trong xe điện là trọng tâm chính trong việc bảo trì sức khỏe của pin. Hệ thống quản lý pin (BMS) duy trì trạng thái tối ưu của pin bằng cách đánh giá Trạng thái sức khỏe (SOH) của pin. Việc xác định chính xác SOH có thể xác định thời gian thay pin, tránh hỏng pin và kéo dài tuổi thọ sử dụng của pin. Bài viết này nhằm mục đích cải thiện hiệu suất của BMS bằng cách xác định các tham số SOH. Dựa trên mô hình pin Thevenin, thu được các thông số chính như R{0}}, Rp và Cp. Hai thuật toán thích ứng, đếm Coulomb và điện áp mạch hở, được sử dụng để hoàn thành việc xác định tham số. Kết quả của hai thuật toán về sai số, sai số tuyệt đối trung bình (MAE), sai số bình phương trung bình gốc (RMSE) và giá trị SOH cuối cùng được so sánh. Nghiên cứu tập trung vào việc thu thập dữ liệu lỗi ước tính và thông tin hiệu suất BMS đáng tin cậy. Kết quả cho thấy phương pháp đếm Coulomb có sai số ước lượng SOH nhỏ hơn so với phương pháp điện áp hở mạch, với sai số 1,770%. Giá trị SOH cuối cùng là 17,33% và mẫu pin Thevenin có sai số mô hình hóa pin là 0,0451%.
1. Giới thiệu
Hệ thống quản lý ắc quy và ắc quy xe điện (BMS):Trong xe điện, pin là nguồn năng lượng chính, cung cấp năng lượng cho động cơ và các hệ thống khác. Không giống như ô tô truyền thống, pin xe điện có công suất và điện áp tương đối nhỏ và thường được đóng gói trong các mô-đun pin. Hệ thống pin bao gồm nhiều pin, được quản lý bởi BMS. Các chức năng của nó bao gồm tối ưu hóa hệ thống làm việc của pin, bao gồm hai thông số chính: trạng thái sạc (SOC) và trạng thái sức khỏe (SOH). SOC là tỷ lệ giữa dung lượng còn lại trên tổng dung lượng, trong khi SOH là giá trị so sánh giữa hiệu suất hiện tại và hiệu suất pin mới, không thể đo lường trực tiếp mà cần phải ước tính.
Cơ sở nghiên cứu và phương pháp liên quan:Trạng thái sức khỏe (SOH) có thể định lượng hiệu suất và tuổi thọ của pin. Suy giảm chất lượng, thay đổi các thông số điện trở trong và dung lượng có thể xảy ra trong quá trình sử dụng pin. Việc xác định thông số SOH giúp xác định tình trạng thực tế của ắc quy, đề xuất thời gian thay thế và kéo dài tuổi thọ ắc quy. Hiện tại có nhiều phương pháp để ước tính Trạng thái sức khỏe (SOH) hoặc Trạng thái tính phí (SOC), nhưng có một số phương pháp xác định đồng thời cả hai và tạo ra các tham số thích hợp để giảm gánh nặng tính toán cho BMS. Thuật toán theo dõi thông số pin cần thích ứng với sự thay đổi thông số và ước tính tình trạng pin. Các phương pháp có thể được chia thành ba loại, bao gồm phương pháp trở kháng quang phổ, phương pháp phương trình mô hình mạch và phương pháp mô hình trở kháng điện hóa.
Đánh giá các công việc liên quan:Nhiều phương pháp đã được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu trước đây để xác định các thông số của pin. Phương pháp đếm Coulombic (CC) và điện áp mạch hở (OCV) được sử dụng rộng rãi trong BMS xe điện, mỗi phương pháp đều có những ưu điểm và nhược điểm riêng. Phương pháp CC ước tính SOH bằng cách theo dõi dung lượng vào và ra của pin, có tính đến tổn thất điện năng trong chu kỳ sạc và cũng có thể cung cấp thông tin liên quan thông qua việc phục hồi điện áp; Phương pháp OCV có thể được coi là điện áp cân bằng sau khi pin đã được nghỉ hoàn toàn và Trạng thái sức khỏe (SOH) được ước tính bằng cách xem xét các điều kiện tham số pin BMS.
Trọng tâm của nghiên cứu này là xác định các thông số SOH chính xác để kéo dài tuổi thọ pin. Phương pháp dựa trên mô hình pin được sử dụng để đánh giá và xác định các thông số SOH. Mô hình pin Thevenin được sử dụng để xác định các tham số R0, Rp và Cp thông qua thuật toán thích ứng (Bình phương tối thiểu đệ quy, RLS). Dựa trên kết quả đánh giá, thu được ước tính SOH chính xác để giảm gánh nặng tính toán.
Đóng góp nghiên cứu:Kết quả kiểm tra thông số pin đưa ra ước tính hợp lý và tỷ lệ lỗi nhỏ để đánh giá hiệu suất hệ thống BMS. Phương pháp đếm Coulomb thuận tiện cho việc tính toán dung lượng pin và công suất tối đa của pin giảm khi chu kỳ sạc và xả tăng lên. Sai số tương đối của mẫu pin Thevenin nhỏ hơn 2%. Về độ chính xác của ước tính SOH, phương pháp CC vượt trội hơn RLS và phương pháp CC có thể ước tính điện áp đầu cực của pin và SOC, trong khi phương pháp OCV chỉ có thể ước tính các thông số của pin.
2. Hệ thống quản lý pin
Thành phần pin (chức năng và thành phần của BMS):BMS điều chỉnh hệ thống ắc quy bao gồm hàng trăm hoặc hàng nghìn ắc quy trong xe điện và có chức năng quan trọng như giám sát, ước tính các thông số, bảo vệ, cung cấp báo cáo và cân bằng ắc quy. Các chức năng chính của nó bao gồm bảo vệ pin khỏi bị hư hỏng, vận hành pin trong phạm vi điện áp và nhiệt độ thích hợp cũng như duy trì pin hoạt động ở các thông số đáp ứng yêu cầu hệ thống như SOC, SOH và SOF. BMS bao gồm các cảm biến, bộ truyền động và bộ điều khiển, với đầu vào bao gồm các tín hiệu cảm biến như dòng điện, điện áp, nhiệt độ và bàn đạp, còn đầu ra bao gồm các mô-đun để quản lý nhiệt, cân bằng, quản lý an toàn, chỉ báo sạc, báo lỗi và liên lạc. Phần mềm BMS bao gồm nhiều mô-đun chức năng như phát hiện thông số pin, ước tính và chẩn đoán lỗi. Đo điện áp pin, ước tính thông số, cân bằng và chẩn đoán lỗi là những vấn đề chính của BMS, trong đó việc đo điện áp pin gặp phải những khó khăn như chênh lệch điện áp do kết nối loạt pin và yêu cầu độ chính xác cao.
Mô hình pin:Bài viết này xác định các thông số Trạng thái sức khỏe (SOH) thông qua mô hình pin và chuyển đổi các thông số điện áp, dòng điện và nhiệt độ đầu vào của pin thành SOH để có được ước tính chính xác. Sử dụng mô hình pin Thevenin, đáp ứng nhất thời điện áp của quá trình phân cực pin được mô tả bằng cách chọn các thông số điện trở và điện dung bên trong của pin. Các phương trình toán học của mô hình pin và phương pháp tính toán các tham số liên quan (Voc, R0, Rp và Cp) được cung cấp, thu được thông qua thuật toán RLS và áp dụng cho mô hình pin Thevenin.
3. Xác định các thông số tình trạng sức khỏe
Tầm quan trọng và phương pháp xác định các thông số tình trạng sức khỏe:Các thông số SOH chính xác rất quan trọng đối với hiệu suất của BMS. Nghiên cứu này sử dụng tính toán Coulomb như một thuật toán thích ứng để xác định các tham số này nhằm thu được các giá trị khởi tạo SOH và đánh giá hiệu suất BMS. Mẫu pin Thevenin được sử dụng để xác định các thông số của mẫu pin và chức năng OCV-SOC. Quy trình cụ thể bao gồm nhập dòng điện vào kiểu pin, phân tích dữ liệu điện áp đầu cuối, chuyển đổi từ miền thời gian sang miền SOC và điều chỉnh đường cong để thu được chức năng OCV-SOC. Quá trình nhận dạng tham số được lặp lại cho đến khi ước tính SOH hợp lý và tỷ lệ lỗi nhỏ.
Chức năng OCV-SOC:Dựa trên mô hình pin Thevenin, OCV (SOC) là thông số điện áp nguồn thu được bằng cách kiểm tra điện áp của pin khi không tải kết nối và điện áp trước khi kết nối bộ pin. Đường cong SOC OCV được ước tính bằng cách sử dụng dữ liệu thử nghiệm tải không đổi và được trang bị đa thức bậc mười hai. Đa thức bậc mười có độ chính xác cao nhất trong việc ước tính Voc và sai số bình phương trung bình gốc nhỏ nhất (RMSE), điều này có tác động đáng kể đến độ chính xác của các hàm SOC và OCV.
Các tham số R0, Rp và Cp:Mẫu pin Thevenin yêu cầu OCV tại SOC làm điện áp nguồn, điện áp này thu được thông qua kiểm tra xung. R{{0}} là điện trở trong có giá trị lớn hơn các điện trở khác. Do vấn đề về thời gian lấy mẫu nên rất khó để nắm bắt những thay đổi dữ liệu nhỏ. Mối quan hệ giữa R0 và SOC có được thông qua khớp đường cong đa thức bậc hai, với giá trị R0 trung bình là 0.027735 Ω. R0, Rp và Cp cung cấp dữ liệu đầu vào để kiểm tra xung điện áp và dòng điện và thu được các giá trị tham số đầu ra.
Kết quả thí nghiệm
Bằng cách phân tích các thông số Trạng thái sức khỏe (SOH) do pin theo dõi, hiệu suất BMS sẽ đạt được và thu được dữ liệu thông số vật lý như điện áp đầu cuối và dòng điện vào/ra của pin. Dựa trên mô hình pin, dữ liệu tham số được xác định và sử dụng cho các hệ thống bảo vệ và giám sát trạng thái pin. Phương pháp ước tính SOH bao gồm đo lường sự thay đổi về điện trở và dung lượng pin, tương ứng bằng cách sử dụng định luật Ohm và phương pháp đếm Coulomb, đồng thời thay thế giá trị OCV vào phương trình quan hệ OCV-SOC để thu được giá trị SOC và SOH.
Thử nghiệm phóng tĩnh điện đã được tiến hành và kết quả cho thấy thuật toán CC thu được sự thay đổi SOH bằng cách nhân giá trị hiện tại với thời gian, trong khi thuật toán OCV thu được giá trị SOH bằng cách sử dụng điện áp đầu cuối hoặc giá trị OCV của mẫu pin. Đường cong thay đổi SOH của hai thuật toán là tương tự nhau. Thử nghiệm cũng thu được kết quả nhận dạng thông số pin và đặc tính giãn của pin có thể được sử dụng để xác định thông số. Chu kỳ kiểm tra càng nhanh thì ước tính SOH càng chính xác. Thuật toán CC vượt trội hơn thuật toán OCV trong khởi tạo SOH, có thể hiểu rõ hơn điện trở trong của pin và đồng thời ước tính điện áp đầu cực Vt, SOC và SOH của pin, với sai số ước tính nhỏ hơn 2%.
Từ dữ liệu lỗi xác định tham số SOH, sai số bình phương trung bình (MSE) của thuật toán CC là {{0}}.0111, giá trị SOH cuối cùng là 17,33%, tỷ lệ lỗi là 1,770% và nghiệm gốc sai số bình phương trung bình (RMSE) là 0,0132
Thảo luận về kết quả nghiên cứu:Tác động của điện trở trong của pin đối với thuật toán CC và OCV là tương tự nhau và thuật toán CC có thể hiểu rõ hơn điện trở trong với sai số nhỏ hơn. Thuật toán CC có thể ước tính thành công đồng thời điện áp đầu cuối Vt, SOC và SOH của pin với sai số ước tính nhỏ hơn 2%. Trong thử nghiệm phóng điện, thuật toán CC chính xác hơn thuật toán OCV trong khởi tạo SOH, với sai số bình phương trung bình ước tính (MSE) là 1,770% đối với thuật toán CC và 3,256% đối với thuật toán OCV. Những kết quả này cung cấp tài liệu tham khảo cho việc xác định tham số trong đánh giá BMS.
4. Tóm tắt
Kết quả đánh giá hiệu năng của BMS dựa trên nhận dạng tham số SOH cho thấy thuật toán đếm Coulomb có kết quả ước lượng tốt hơn, với sai số ước lượng SOH là 1,770% và giá trị SOH cuối cùng là 17,33%. Sai số mô hình của mẫu pin Thevenin cho pin là 0,0451%. Xét về độ chính xác của ước lượng SOH sử dụng hai phương pháp (đếm Coulomb và điện áp hở mạch), đếm Coulomb có độ chính xác cao hơn. Ngoài ra, các thuật toán thích ứng dựa trên mô hình pin có thể ước tính điện áp đầu cực và SOH của pin.