РПЗ_ХомушкуОВ_ПР_РПЗ. Промышленный контроллер систем и электрических
 Скачать 3.67 Mb.
|
|
Определение системы управления аккумуляторной батареей Три термина относятся к реализации функций мониторинга и управления в энергетической цепи. Эти термины - управление батареями, управление питанием и управление энергией. В качестве приблизительного описания управление батареей включает в себя реализацию функций, обеспечивающих оптимальное использование батареи в устройстве. Примерами таких функций являются надлежащее управление зарядкой и защита батареи от неправильного использования. Управление питанием включает в себя реализацию функций, обеспечивающих надлежащее распределение мощности через систему и минимальное энергопотребление каждой части системы. Примерами являются активные изменения в конструкции аппаратного и программного обеспечения для минимизации энергопотребления, такие как снижение тактовой частоты в цифровых частях системы и отключение питания неиспользуемых частей системы. Управление энергией предполагает выполнение функций, обеспечивающих максимально эффективное преобразование энергии в системе. 12 Она также включает в себя управление хранением энергии в системе. Примером является применение переключения нулевого напряжения и нулевого тока для уменьшения потерь при переключении в коммутируемом источнике питания. Это повышает эффективность передачи энергии от сети к батарее. Следует отметить, что выполнение определенной функции может предполагать одновременное выполнение нескольких из трех условий управления. Определение основной задачи системы управления батареями может быть дано следующим образом: Основная задача системы управления аккумуляторными батареями (BMS) заключается в обеспечении оптимального использования энергии внутри батареи, питающей портативный продукт, и минимизации риска повреждения батареи. Это достигается путем контроля и управления процессом зарядки и разрядки батареи. Учитывая примеры алгоритмов основная задача BMS может быть достигнута путем выполнения следующих функций: • Управление зарядкой батареи, практически без перегрузки, для обеспечения длительного срока службы батареи. • Контролирование разряда батареи, чтобы предотвратить повреждение батареи, прерывая ток разряда, когда батарея пуста. • Отслеживание SoC батареи и использование определенного значения для управления зарядкой и разрядкой батареи и сообщение значения пользователю портативного устройства. • Питайте нагрузку минимальным напряжением питания, независимо от напряжения батареи, используя преобразование DC/DC для достижения более длительного времени работы портативного устройства [1]. Мотивация исследований, описанных в данной работе. Как описано выше в разделе «Энергетическая цепочка», более эффективное использование энергии внутри батареи становится все более 13 важны м на быстро растущем рынке портативных продуктов. Производители портативных устройств, следовательно, уделяют еще больше внимания управлению батареями. На практике функции управления батареями реализуются в портативных устройствах электротехниками. Эти инженеры обычно относятся к батарее как к черному ящику. Обычно предполагается, что аккумулятор является источником напряжения с некоторым последовательным сопротивлением. Однако для улучшения функциональности BMS необходимо хотя бы некоторое понимание поведения батареи в системе. Прототип (часть) портативного устройства необходим для измерений фактического поведения заряда и разряда батареи. С другой стороны, моделирование является полезным инструментом для получения лучшего понимания поведения сложных систем в самых разных условиях. Моделирование занимает меньше времени, чем измерения, и прототипы не требуются. Поэтому наличие имитационных моделей для аккумуляторов было бы очень полезно для разработки BMS. 1.1. Общая система управления аккумуляторной батареей Концепция энергетической цепи была разъяснена в «Энергетическая цепочка». По сути, звенья в этой энергетической цепи уже отражают основные части BMS. В более общем смысле зарядное устройство может называться модулем питания (PM). Этот PM способен заряжать батарею, но может и питать нагрузку напрямую. Общая структура BMS состоит из модуля питания PM, батареи, преобразователя постоянного тока и нагрузки. B BMS входят функции мониторинга и управления. Как описано в «Энергетическая цепочка», функции мониторинга включают измерение, например, напряжения батареи, состояния зарядного устройства или активности нагрузки. Функции управления действуют на зарядку и разрядку батареи на основе этих измеренных переменных. Выполнение этих функций 14 контроля и управления должно обеспечить оптимальное использование батареи и предотвратить риск любого повреждения батареи. Степень сложности BMS будет зависеть от функциональности мониторинга и функций управления. В общем, чем выше этот функционал, тем лучше будет забота о батарее и тем дольше будет ее срок службы. Функциональность зависит от нескольких аспектов: • Стоимость портативного продукта: В целом, дополнительная стоимость BMS должна быть низкой относительно стоимости портативного продукта. Следовательно, функциональные возможности мониторинга и функции управления относительно дешевого продукта обычно будут относительно низкими. Как следствие, BMS будет относительно простой. • Особенности портативного продукта: Это тесно связано со стоимостью продукта. Продукт высшего класса будет иметь больше характеристик, чем продукт низкого класса. Например, бритва высокого уровня с индикацией "Минут осталось" требует большего интеллекта BMS, чем бритва низкого уровня без индикации. • Тип батареи: Некоторые типы батарей нуждаются в большем уходе, чем другие. • Тип портативного продукта: В некоторых продуктах аккумулятор заряжается и разряжается чаще, чем в других. Например, сотовый телефон может заряжаться каждый день, в то время как бритва заряжается только один раз каждые два или три недели. Количество раз, когда батарея может быть заряжена и разряжена до ее износа, вместе со средним временем между последующими циклами зарядки, определяет срок службы батареи в устройстве. Поэтому количество циклов зарядки для сотового телефона должна быть выше, чем в электробритве. Этого можно достичь, сделав BMS более интеллектуальной. Поэтому более сложная BMS важнее в сотовом телефоне, чем в бритве. 15 Интеллект, необходимый для BMS, можно разделить между различными частями. Такое разделение интеллекта является важным аспектом при разработке BMS. Основным определяющим параметром в этом отношении является стоимость. Специализированные микросхемы управления батареями могут реализовать интеллектуальные функции. Измеренные значения переменных и параметров, а также команды управления передаются между частями BMS по каналу связи. Структура общей BMS показана на рисунке 2. Рисунок 2 - Общая структура BMS. 1.2. Компоненты системы управления аккумуляторной батареей Модуль питания (PM) Основной задачей PM является зарядка батареи путем преобразования электрической энергии из сети в электрическую энергию, подходящую для использования в батарее. Альтернативой для сети могут быть другие источники 16 энергии, такие как автомобильная батарея или солнечные батареи. Во многих случаях PM может также использоваться для непосредственного питания портативного устройства, например, когда батарея находится на низком уровне. PM может быть отдельным устройством, таким как Зарядное устройство для перемещения или быть встроенным в портативное устройство, как, например, в бритвах. Особенно в последнем случае эффективность процесса преобразования энергии должна быть достаточно высокой, поскольку чем ниже эффективность, тем выше будет внутренняя температура портативного устройства и, следовательно, температура батареи. Длительные периоды при повышенных температурах уменьшат емкость батареи. Батарея Основная задача батареи состоит в том, чтобы накапливать энергию, получаемую от сети или какого-либо другого внешнего источника питания, и при необходимости отпускать ее на нагрузку. Это позволяет портативному устройству работать без подключения к любому источнику питания, кроме батареи. Существуют различные аккумуляторные системы с различными химическими соединениями и различными характеристиками. Примерами некоторых часто встречающихся аккумуляторных систем являются никель- кадмиевые (NiCd), никель-металлогидридные (NiMH) и литий-ионные (Li-ion) аккумуляторы. Характеристики различных аккумуляторных систем значительно различаются даже для батарей с одинаковой химией, но, например, другой конструкции или различных добавок. Термин батарейный источник питания часто используется для съемных батарей. В зависимости от требуемого напряжения и емкости батареи, несколько батарей могут быть соединены последовательно и/или параллельно внутри батареи. Во избежание путаницы основные блоки аккумуляторных батарей внутри блока аккумуляторных батарей часто называются ячейками. Последовательное соединение элементов обеспечивает более высокое общее напряжение батареи при той же емкости в [А/ч], а параллельное соединение 17 обеспечивает более высокую общую емкость батареи в [А/ч] при том же напряжении батареи. Кроме одного или более элементов батарейный источник питания может также содержать другие компоненты. Электронный предохранитель для литиевых батарей В случае литий-ионных аккумуляторов электронный предохранитель должен быть интегрирован с аккумулятором. Напряжение, ток и температура батареи должны контролироваться, и предохранительный выключатель должен контролироваться для обеспечения того, чтобы батарея никогда не работала в небезопасной области. Причина этого в том, что поставщики батарей особенно обеспокоены вопросами безопасности из-за рисков ответственности. Диапазон напряжения, максимальное напряжение и максимальная температура определяют область, в пределах которой считается безопасным использование батареи. Эти ограничения определяет производитель батареи. За пределами безопасного региона могут начаться деструктивные процессы. Вообще говоря, в более высоком диапазоне напряжений эти процессы в конечном счете могут привести к пожару или взрыву, в то время как в более низком диапазоне напряжения они приводят к необратимой потере емкости батареи. Максимальное напряжение продиктовано двумя факторами - максимальной емкостью батареи и ее сроком службы. Срок службы цикла обозначает количество циклов, в течение которых батарея может заряжаться и разряжаться, прежде чем считается, что она находится в конце срока службы. Срок службы батареи заканчивается, когда емкость падает ниже определенного уровня, обычно на 80% от ее номинальной емкости. Выбор максимального уровня напряжения для электронного переключателя безопасности является компромиссом. Требования к точности этого уровня составляют порядка одного процента, потому что должна быть гарантирована определенная максимальная емкость батареи и определенный минимальный срок службы цикла. Очевидно, что напряжение батареи не 18 должно достигать максимального уровня напряжения электронного предохранителя во время зарядки, чтобы предотвратить риск прерывания тока при нормальном использовании. Требования к точности минимального напряжения менее строгие, так как напряжение довольно резко падает при почти пустом аккумуляторе. Это означает, что отклонение напряжения, при котором Аккумуляторная батарея отключается от нагрузки предохранительным переключателем, что не оказывает существенного влияния на используемую емкость аккумуляторной батареи. Минимальное напряжение, необходимое для работы портативного устройства, должно быть выбрано выше минимального уровня напряжения предохранителя. Это необходимо для предотвращения риска открытия предохранителя во время нормальной работы. Спецификация максимального тока напоминает спецификацию предохранителя. Ниже максимального уровня тока, значение которого связано с максимальной емкостью батареи, предохранитель должен всегда проводить. Выше этого уровня тока токи допускаются только в течение некоторого времени. Как долго это время будет зависеть от теплового сопротивления батареи, ее окружающей среде и тепловой емкости батареи. Чем выше ток, тем короче время, которое будет иметь место для предотвращения слишком высокой температуры батареи. Это означает, что время задержки между обнаружением тока и открытием переключателя меньше при более высоких уровнях тока. Преобразователь постоянного тока. Основной задачей преобразователя постоянного тока в портативное изделие является подключение батареи к различным частям системы, когда напряжение батареи не соответствует требуемому напряжению. Напряжение батареи может быть слишком низким или слишком высоким. В первом случае- преобразование DC/DC, конечно, необходимо. В последнем случае DC/DC вниз - необходимо преобразование, когда напряжение батареи выше, чем максимальное позволенное напряжение нагрузки. Кроме этого, однако, с точки 19 зрения эффективности всегда целесообразно преобразовать напряжение батареи в минимальное напряжение питания V min необходимое нагрузке по следующей причине. Прежде всего, когда используется преобразователь постоянного тока, конструкция нагрузки может быть оптимизирована для минимального напряжения питания вместо всего диапазона напряжения кривой разряда батареи. Это приведет к повышению эффективности нагрузки в большинстве случаев. Во-вторых, работа системной части с более высоким питающим напряжением, чем необходимо, подразумевает трату энергии. Нагрузка Основной задачей нагрузки является преобразование электрической энергии, подаваемой батареей, в форму энергии, которая будет выполнять функцию нагрузки. Существует множество различных типов портативных продуктов, и, следовательно, множество различных типов нагрузок. В большинстве портативных устройств требуются различные напряжения питания. Эти напряжения постоянно меняются по мере развития технологии. Максимальное возможное напряжение питания перед поломкой уменьшается, поскольку размер характеристик становится все меньше и меньше. Однако напряжение питания, необходимое для некоторых аналоговых функций, будет оставаться выше напряжения питания, необходимого для частей цифровой системы, например, из-за необходимости конкретного отношения сигнал/шум аналоговой функции. Большинство процессов предлагают возможность проектирования аналоговых цепей с более высоким напряжением питания, чем цифровые цепи [1]. 20 2. Разработка модели батареи В данной главе производится рассмотрение функциональной модели батареи, ее ячейки. Снимают характеристики заряда, разряда. Выбор типа батареи. В мире существует множество источников хранения электроэнергии. К наиболее распространенным относятся: Свинцово-кислотный (Lead-Acid); Никель-кадмиевый (NiCd); Никель-марганцевый (NiMn); Литий-ионный (Li-ion). К литий-ионному типу относятся еще 4 вида: Кобальт-литиевый Литий-марганцевый Литий-ферро-фосфатный Литий полимерный Многие технологии в области накопления электрической энергии получают свое развитие и становятся все более популярными, но литий-ионная 21 технология накопления электрической энергии на данный момент является наиболее перспективной. В отличии от тех же свинцово-кислотных аккумуляторных батарей литий-ионные (Li-ion) аккумуляторные батареи требуют лучшего ухода и более требовательны к зарядке. Зарядка требует гораздо большего, чем просто подключения к сети. Даже разрядка аккумулятора в определенный момент может привести к необратимым повреждениям. Это привело к разработке довольно сложной стратегии зарядки и разрядки на уровне отдельных ячеек. Литий имеет атомный номер 3 – он самый легкий из металлов. Он обладает большим электрохимическим потенциалом и обладает большой удельной энергией на единицу веса – что является огромным преимуществом для аккумуляторов. К сожалению, не все так гладко. Помимо положительных качеств литий имеет и свои минусы, такие как неустойчивость, взрывоопасность и легкая воспламеняемость при контакте с водой или воздухом. Следует отметить, что исследования по применению более безопасных материалов велись ранее и ведутся сейчас. Ниже приведена таблица сравнения аккумуляторных батарей. Таблица 1– Сравнение типов аккумуляторных батарей. Параметр Свинцо вокисл отные Никель - кадмие вые Литий-ионная кобальт лития литий марган цевая литий феррофо сфатная Литий полимер ная Напряжение ячейки номинальное, В 2 1,2 3,6 3,8 3,3 3,7 22 Внутреннее сопротивление, мОм ≤15 20-40 75-150 25-75 25-50 5-20 Удельная плотность энергии, Вт·ч/кг 30-50 45-80 150-190 100- 135 90-120 100- 120 Продолжение таблицы 1. Время быстрой зарядки, ч 8-16 1 2 - 4 Саморазряд, % в месяц (при t=20 Cº) 5 20 1 - 2 Температура заряда От - 20 Cº до 50 Cº От 0 до 45 Cº От -20 Cº до 60 Cº Температура разряда От - 20 Cº до 50 Cº От -20 Cº до 60 Cº Для выбора батареи, нужно следовать нескольким условиям: o Высокая удельная емкость (вес транспортного средства будет слишком высок); o Количество циклов заряда-разряда (дорогостоящая батарея через несколько лет придет в негодность); 23 o Время заряда батареи (долгое время заряда – не актуально в сравнении с заправкой автомобиля); o Высокие токи разряда (низкие токи разряда не обеспечат требуемую мощность). Следует еще учесть, что батарея должна быть термостабильной, под эти требования нам не подходят батареи на основе кобальт лития, литий марганцевая и литий полимерная батарея. На основании выше указанных требований больше всего нам подходит литий-ферро-фосфатная батарея. Литий-железо-фосфатный аккумулятор (LiFePO 4, LFP) Преимущества в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами: 1) Имеет более долгий срок службы; 2) Менее токсичны; 3) Термостабилен и взрывобезопасный; 4) Стабильное напряжение разряда; 5) Более высокий пиковый ток; 6) Медленное снижение плотности энергии; 7) Более дешевые. Недостатки в сравнении с другими литий-ионными аккумуляторами: 1) Меньшая удельная емкость; 2) Меньшее напряжение ячейки. Более подробные характеристики LiFePO 4 аккумулятора. Напряжение полностью заряженного элемента: у Li-Fe составляет порядка 3,65В. В связи с особенностями данной технологии эти элементы не 24 сильно боятся перезаряда (по крайней мере он не вызывает возгорание и взрыв как это происходит с элементами на основе кобальта лития Li-ion, Li- pol) хотя производители крайне не рекомендуют заряд выше 3,9В и только несколько зарядов до 4,2В, за всё время жизни элемента. Напряжение полностью разряженного элемента. Здесь рекомендации производителей несколько расходятся, некоторые рекомендуют разряжать элементы до 2,5В, некоторые до 2,0В. Но в любом случае по практике эксплуатации всех типов аккумуляторов установлено, что чем меньше глубина разряда, тем больше циклов этот аккумулятор может пережить, а количество энергии, которое приходится на последние 0,5В, разряда (для Li- Fe) составляет лишь несколько процентов от его емкости. Напряжение средней точки: у элементов данной технологии у разных производителей варьируется (заявляется) от 3,2 В до 3,3 В. Напряжение средней точки - это напряжение которое вычисляется на основании кривой разряда и предназначено для вычисления габаритной ёмкости аккумулятора которая выражается в Wh (ватт часы) для этого напряжение средней точки умножают на ёмкость по току, то есть, например, у вас имеется элемент имеющий ёмкость 1,1 Ач и напряжение средней точки 3,3 В, то его габаритная ёмкость равна 3,3·1,1=3,65 Wh. (часто путают напряжение средней точки с напряжением полностью заряженного элемента) [2]. Выбор программного обеспечения Для получения характеристик заряда-разряда для данной батареи, нам необходимо произвести выбор программного обеспечения, чтобы в нем можно было выбрать тип батареи и посмотреть временные диаграммы заряда- разряда ячейки и аккумуляторной батареи. В нашей ситуации выбираем Matlab-Simulink. |