Mae Technoleg BMS Dysgu Dwfn yn Datgloi Uchelfannau Newydd mewn Perfformiad Batri Lithiwm-ion

Haniaethol

Mae'r System Rheoli Batri (BMS) yn hanfodol ar gyfer deall perfformiad batri o dan amodau eithafol, megis profi cyfradd uchel. Mae'r astudiaeth hon yn cynnig BMS newydd ar gyfer monitro parhaus, trosglwyddo a storio paramedrau allweddol megis foltedd, cerrynt, a thymheredd pecynnau batri lithiwm-ion NCA {{0}S yn ystod profion cyfradd uchel. Mae'r BMS hwn yn cyfuno technoleg dysgu dwfn i ragfynegi statws iechyd y batri (wedi'i fesur yn ôl gallu rhyddhau) trwy fonitro paramedrau batri allanol. Cynhaliwyd dau arbrawf: arbrawf sefydlog i wirio swyddogaeth BMS, ac arbrawf cyflwr gweithio gwirioneddol (prawf cam-drin chwyddiad uchel gyda dirgryniad ar gerbydau gyriant trydan) i werthuso ei berfformiad gwirioneddol. Dangosodd y canlyniadau fod tymheredd wyneb brig y batri yn ystod amodau hedfan gwirioneddol wedi cyrraedd 55 gradd C, a oedd yn uwch na'r prawf statig; Canfu'r algorithm amcangyfrif gallu dysgu dwfn wyriad gallu cyfartalog o 0.04 Ah, gan ddangos statws iechyd cywir trwy ragfynegi gallu batri. Mae'r BMS hwn yn dangos galluoedd casglu data a rhagfynegi effeithiol, gan adlewyrchu'r sefyllfa wirioneddol mewn profion cam-drin.

1. Rhagymadrodd

Pwysigrwydd batris lithiwm-ion (LIBs) a'u technolegau cysylltiedig:Mae LIBs yn hanfodol yn y maes technolegol presennol ac yn cael eu defnyddio'n helaeth mewn cerbydau trydan, dronau, a dyfeisiau electronig cludadwy. O'i gymharu â thechnoleg batri traddodiadol, mae gan LIBs fanteision megis dwysedd ynni uchel a bywyd beicio hir, ond mae eu cymhwysiad eang hefyd yn dod â heriau o ran heneiddio batri. Felly, mae Cyflwr Iechyd (SOH) yn baramedr pwysig ar gyfer mesur heneiddio batri. Mae amcangyfrif SOH yn gywir yn wynebu llawer o heriau, ac mae systemau rheoli batri (BMSs) yn hanfodol ar gyfer monitro paramedrau batri yn gywir.

Dyluniad a dangosyddion cysylltiedig BMS:Mae dyluniad BMS fel arfer yn gysylltiedig â chymwysiadau penodol, ac yn ogystal â SOH, Cyflwr Codi Tâl (SOC) a Bywyd Defnyddiol sy'n weddill (RUL) hefyd yn ddangosyddion cyffredin o iechyd batri. Mae'r data ar gyfer y dangosyddion hyn fel arfer yn dod o leoliadau caffael data perchnogol (DAQ), a all ddarparu data ar gyfer dysgu dwfn (DL), ond sydd â chyfyngiadau megis maint mawr, cost uchel, a thargedu batris penodol. Mae integreiddio technoleg DL â BMS uwch yn ddull addawol a all oresgyn heriau dulliau casglu data a darparu graddadwyedd.

Paramedrau pwysig a gofynion ymchwil cysylltiedig LIBs:Mae SOH, SOC, RUL, a chyfradd C i gyd yn baramedrau pwysig ar gyfer perfformiad LIBs. Bydd cynnydd yn y gyfradd C yn arwain at ostyngiad yng nghapasiti a pherfformiad batri. Mae'r dulliau casglu data presennol yn wynebu heriau megis gosodiadau cymhleth a chywirdeb synhwyrydd aneglur, gan olygu bod angen datblygu fframweithiau BMS cludadwy arloesol ar gyfer casglu data mewn amrywiol senarios cais megis chwyddo uchel. Mae'r astudiaeth hon yn cynnig fframwaith cynhwysfawr BMS sy'n integreiddio'r model DL Rhwydwaith Diraddio Cynhwysedd (CD Net) a ddatblygwyd yn flaenorol, a all fodloni gofynion monitro amser real gyrru trydan. Mae ei alluoedd casglu data ac integreiddio modelau wedi'u gwirio trwy arbrofion.

2. Datblygu BMS

Trosolwg o ddatblygiad BMS:Datblygwyd bwrdd cylched printiedig ar gyfer y BMS arfaethedig i gasglu data allweddol sy'n ofynnol ar gyfer rhagfynegiad iechyd batri a chymryd camau yn seiliedig ar y rhagfynegiad. Mae'r BMS datblygedig yn defnyddio data cyflwr gweithredu gwirioneddol (gan gynnwys foltedd batri, cerrynt, a thymheredd) ar gyfer rhagfynegi iechyd batri, ac mae'r data a gasglwyd yn cael ei fewnbynnu i fodel dysgu dwfn (DL) ar gyfer rhagfynegi amser real.

Mesur synhwyrydd

Mesur cerrynt a foltedd:Defnyddir y synhwyrydd cerrynt ochr uchel INA219 i fesur y cerrynt trwy fewnosod gwrthydd siyntio. Er mwyn addasu i senarios cerrynt uchel, mae gwrthydd 0.01 Ω yn cael ei ddisodli gan y gwrthydd siyntio diofyn 0.1 Ω, gan ganiatáu i'r amrediad mesur cyfredol gyrraedd ± 32A.

Mesur tymheredd:Dewisir synhwyrydd PT100 Adafruit MAX31865 i fesur tymheredd, sydd â defnydd pŵer isel, cywirdeb uchel, a sefydlogrwydd. Defnyddir hafaliad Callendar van Dusen i gael y berthynas rhwng tymheredd a gwrthiant. Defnyddir pum synhwyrydd i fesur tymheredd wyneb a thymheredd amgylchynol pedwar batris yn y drefn honno, a gwneir graddnodi.

Rheoli dyfais:Dewiswch fwrdd cylched Wi Fi Arduino Uno Rev 2 fel y rheolydd, sydd â galluoedd cofnodi data, rhagbrosesu a throsglwyddo. Mae'n darparu pŵer i'r rhwydwaith synhwyrydd trwy ei reoleiddiwr 5V mewnol ac yn cysylltu'r synhwyrydd a'r microreolydd gan ddefnyddio protocol SPI.

Amcangyfrif SOH:Mae'r data foltedd a thymheredd a gesglir gan BMS yn cael eu trosglwyddo i'r cyfrifiadur, a defnyddir y data cyfredol i gyfrifo cyflwr gwefr (SOC) y batri trwy ddull cyfrif Coulomb. Mae SOC, ynghyd â chynhwysedd nominal a chyfansoddiad cemegol y batri, yn cael ei fewnbynnu i'r model CD Net i ragfynegi cynhwysedd rhyddhau'r batri a chyfrifo SOH. Mae'r model CD Net yn defnyddio cyfuniad o rwydweithiau niwral gyda strwythurau penodol, sy'n cael eu hoptimeiddio a'u prosesu ar gyfer rhagfynegiad.

3. Gosodiad arbrofol

Trosolwg o osodiadau arbrofol:Profwyd pecyn batri yn cynnwys pedwar batris 18650 Sony VTC 6 wedi'u cysylltu mewn cyfres gan ddefnyddio system gemegol NCA. Cyflwynwyd manylebau perthnasol batris unigol a phecynnau batri.

Prawf tir:Y pwrpas yw dadansoddi perfformiad y BMS sydd newydd ei ddatblygu cyn ei gymhwyso i gerbydau gyriant trydan. Defnyddiwch system Powerwall CT-4004-20V20A NEWARE fel y llwyth, cysylltwch y BMS â'r pecyn batri a'r llwyth, monitro foltedd, cerrynt a thymheredd arwyneb pob pecyn batri, a chofnodwch y data gyda'r BMS. Rhowch synhwyrydd RTD yng nghanol y batri a chofnodwch gyfeiriad y pecyn batri i sicrhau cysondeb wrth gofnodi tymheredd. Perfformio 42 o gylchoedd gwefru a gollwng, gyda phatrwm beicio tebyg i arbrawf ardystio NASA ar gyfer lloerennau bach.

Profi o'r awyr:Wedi'i gynnal ar ôl profi ar y ddaear, gan ddefnyddio awyren drydan (FLYWOO Explorer drone) ar gyfer 20 gylchred rhyddhau gwefr i gasglu data o dan amodau rhyddhau cyfradd uchel. Cyflwyniad i baramedrau perthnasol yr awyren, gosodir y pecyn batri ar fraced printiedig 3D, mae'r BMS ar y brig, mae'r protocol codi tâl yn gyson â phrofion daear, ond mae'r cylch rhyddhau ar hap. Mae'r awyren tua 1 troedfedd uwchben y ddaear yn ystod rhyddhau. Pan fydd y BMS yn dangos bod foltedd y batri yn cyrraedd 10V, mae'r gollyngiad yn stopio ac mae'r cerbyd yn gorffwys am 0.167 awr cyn codi tâl.

4. Canlyniadau a Thrafodaeth

Crynodeb o Drafodaeth Canlyniadau:Yn cyflwyno'r canlyniadau a'r canfyddiadau allweddol a gafwyd gan ddefnyddio'r BMS sydd newydd ei ddatblygu (gan gynnwys rhagfynegiad model CD Net). Mae'r BMS sydd newydd ei ddatblygu yn casglu data o lwythi batri statig a deinamig ac yn integreiddio'n ddi-dor â modelau DL megis CD Net, gan ddarparu hyblygrwydd i addasu i ddatblygiadau technolegol.

Canlyniadau profion daear

Mesur cromlin foltedd:Mae'r data amser foltedd o 42 o gylchoedd tâl a rhyddhau BMS ac offer profi (BAn) yn debyg. Er bod oedi cychwynnol gan ddata BMS, mae'n cydgyfeirio yn y pen draw, gyda gwyriad cyfartalog o 0.2V rhwng y ddau. Gellir defnyddio rhan foltedd cyson y gromlin rhyddhau i astudio'r berthynas â SOH, ac mae'r gwyriad oherwydd gwahaniaethau mewn cyfradd trosglwyddo data a chloc mewnol.

Mesur cromlin gyfredol:Mae data cyfredol BMS a BAn yn cyfateb yn ei gyfanrwydd, ac mae'r newidiadau presennol yn ystod y camau rhyddhau a chodi tâl yn dilyn y rheolau. Fodd bynnag, mae oedi o ran darllen data BMS yn ystod y cam trosi presennol, gan arwain at rai gwyriadau. Ar ôl tynnu pwyntiau data gwyriad mawr, mae'r gwyriad cyfartalog yn llai, ac mae'r darlleniad cyfredol yn fwy cywir na'r darlleniad foltedd.

Mesur cromlin tymheredd:Monitro tymheredd wyneb pedwar batris a darganfod bod y tymheredd yn cynyddu'n raddol yn ystod y broses codi tâl a gollwng, gan gyrraedd ei bwynt uchaf ar ddiwedd codi tâl cyfredol cyson. Yna, mae'r tymheredd yn newid yn ystod codi tâl a gollwng foltedd cyson. Mae gan y pedwerydd batri yn y pecyn batri dymheredd cymharol uchel, a gall y BMS ganfod ac arddangos gwahaniaethau tymheredd pob batri. Gellir defnyddio anomaleddau tymheredd ar gyfer rheoli batri.

Canlyniadau profion o'r awyr

Mesur cromliniau cerrynt a foltedd:Yn ystod taith y drone, mae'r cerrynt yn newid ar hap, a gall y BMS gofnodi'r cerrynt rhyddhau cyfradd uchel yn gywir. Mae'r cerrynt rhyddhau yn cynyddu gyda nifer y profion, ac mae'r foltedd yn gostwng o 16.8V i 10V yn ystod y broses ryddhau. Mae addasiad yr agwedd hedfan yn ystod yr hediad yn effeithio ar y cerrynt a'r foltedd.

Mesur cromlin tymheredd:Yn ystod profion o'r awyr, mae tymheredd wyneb y batri yn uwch na'r tymheredd yn ystod profion daear, gyda thymheredd uchaf o tua 55 gradd C. Yn ystod y broses codi tâl, mae'r tymheredd yn tueddu i ostwng, ac yn ystod y broses ollwng, mae'r tymheredd yn cynyddu'n raddol. Mae gwahaniaethau mewn tymheredd ymhlith gwahanol fatris, ac mae amrywiadau tymheredd yn cael eu heffeithio gan addasiadau agwedd hedfan.

Canlyniadau ensemble dysgu dwfn:Mewn profion daear, gostyngodd gallu'r batri yn raddol, a rhagfynegodd y model CD Net y gallu o'r 5ed cylch, a oedd yn debyg i gapasiti cyfrif Coulomb a gofnodwyd gan BMS. Roedd rhagfynegiad y model yn gymharol gywir; Roedd cynhwysedd cyfrif Coulomb yn ansefydlog yn ystod profion awyr, ond roedd y model yn dal i allu rhagweld gyda gwahaniaeth cyfartalog o 0.046Ah. Trwy gymharu'r cynhwysedd a fesurwyd gan ddull cyfrif Coulomb â chynhwysedd a ragwelir y model, gwiriwyd integreiddiad llwyddiannus modelau BMS a DL, y gellir eu defnyddio i ragfynegi Cyflwr Iechyd (SOH) batris.

5. Crynodeb

Crynodeb o ganfyddiadau ymchwil:Mae angen BMS cludadwy ar gyfer casglu data cyflwr gweithio gwirioneddol cerbydau gyriant trydan a all weithredu o dan amodau llym, megis cyfradd uchel o ollwng LIBs. Mae'r ymchwil hwn yn cynnig pensaernïaeth BMS newydd, sy'n defnyddio fframweithiau ymyl a chymylau i gofnodi, trosglwyddo a derbyn data, ac sy'n gallu trin gollyngiadau cyfradd uchel, gan ddisodli'r dulliau traddodiadol sy'n seiliedig ar gyfrifiaduron bws ac ymyl CAN.

Crynodeb o ganlyniadau profion:Cynhaliwyd profion daear ac aer, ac roedd tymheredd wyneb y batri ar ei uchaf ar ddiwedd y cam rhyddhau cyson presennol. Roedd tymheredd wyneb y batri hyd yn oed yn uwch yn y prawf aer, gan gyrraedd uchafswm o bron i 55 gradd C. Gall y cynnydd tymheredd gael ei achosi gan ffactorau megis heneiddio batri a newidiadau SOC, a gall tymheredd gormodol arwain at fethiant batri. Yn ystod 42 o gylchoedd ar y ddaear ac 20 cylch yn yr awyr, cynyddodd tymheredd yr wyneb yn raddol.

Canlyniadau rhagfynegiad model:Gan ddefnyddio'r data a gasglwyd, mae'r model CD Net yn rhagweld Cyflwr Iechyd (SOH) y batri o dan amodau gweithredu gwirioneddol. Mae rhagfynegiad cynhwysedd y model ar gyfer y cylch nesaf mewn profion daear yn gymharol gywir, gyda gwyriad cyfartalog o {{0}}.026 Ah; Er bod amrywiadau cynhwysedd yn ystod profion awyr, y gwahaniaeth cyfartalog a ragwelwyd oedd 0.046 Ah, ac roedd BMS yn gallu casglu data yn effeithiol o fewn yr ystod trothwy o synwyryddion foltedd cyfredol.