การศึกษากรณีของแบตเตอรี่ Active Balancer ที่ใช้ในรถไฟฟ้า

ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมา ด้วยการเพิ่มความตระหนักรู้ด้านสิ่งแวดล้อมและการสนับสนุนนโยบาย ตลาดรถยนต์พลังงานใหม่มีการพัฒนาอย่างรวดเร็วในบรรดารถยนต์พลังงานใหม่จำนวนมาก ยานพาหนะไฟฟ้าได้กลายเป็นกระแสหลักของการพัฒนา เนื่องจากมีการปล่อยมลพิษเป็นศูนย์และมีเสียงรบกวนต่ำ

เนื่องจากเป็นหนึ่งในองค์ประกอบหลักของรถยนต์ไฟฟ้า ประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่จึงส่งผลโดยตรงต่อตัวบ่งชี้ที่สำคัญ เช่น ระยะการเดินทางและความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้าดังนั้นเทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่จึงกลายเป็นประเด็นร้อนอย่างหนึ่งในการวิจัยรถยนต์ไฟฟ้า

วัตถุประสงค์หลักของเทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่คือเพื่อปรับสมดุลการชาร์จ แรงดันไฟฟ้า และพารามิเตอร์อื่นๆ ระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ เพื่อหลีกเลี่ยงการลดอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ทั้งหมด หรือแม้แต่ทำให้ชุดแบตเตอรี่มีมากเกินไปหรือ พลังงานในเซลล์เดียวน้อยเกินไปเหตุการณ์ด้านความปลอดภัย

เทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ประกอบด้วยสองวิธี: การปรับสมดุลแบบพาสซีฟและการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟทำให้สามารถทรงตัวได้โดยใช้วงจรปรับสมดุลเพื่อคายประจุหรือชาร์จแบตเตอรี่ แต่ประสิทธิภาพในการทรงตัวต่ำ และไม่สามารถหลีกเลี่ยงปัญหาต่างๆ เช่น การชาร์จไฟเกินและการคายประจุเกินได้การปรับสมดุลแบบแอคทีฟช่วยให้เกิดความสมดุลผ่านการควบคุมแบตเตอรี่แบบกำหนดเป้าหมาย แต่การใช้งานนั้นยากและกลยุทธ์การควบคุมมีความซับซ้อน

เพื่อที่จะแก้ไขปัญหาข้างต้น Enerkey ได้เสนอโซลูชันการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่โดยใช้กลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกโซลูชันนี้วิเคราะห์สาเหตุของความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าภายในชุดแบตเตอรี่และออกแบบอัลกอริธึมการควบคุมที่สามารถปรับกลยุทธ์การปรับสมดุลของชุดแบตเตอรี่ระหว่างการทำงานได้

อัลกอริธึมนี้สามารถรับรู้ถึงความสมดุลของชุดแบตเตอรี่ตามกลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกโดยอิงจากการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าและพลังงานของแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ ขณะเดียวกันก็หลีกเลี่ยงปัญหาต่างๆ เช่น การโอเวอร์โหลดและการดิสชาร์จเกินในที่สุด ประสิทธิผลของโครงการได้รับการตรวจสอบโดยการทดลอง

สถานะการวิจัยเทคโนโลยีการปรับสมดุลแบตเตอรี่
การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่เริ่มขึ้นในทศวรรษ 1980ด้วยการเพิ่มขึ้นของรถยนต์พลังงานใหม่ ทำให้ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ

เทคโนโลยีการปรับสมดุลแบตเตอรี่มีจุดมุ่งหมายเพื่อรักษาสมดุลการชาร์จระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ และหลีกเลี่ยงไม่ให้ความจุแบตเตอรี่ลดลงและอายุการใช้งานสั้นลงเนื่องจากการชาร์จไม่สม่ำเสมอในปัจจุบัน การวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการปรับสมดุลของชุดแบตเตอรี่ได้รับผลลัพธ์มากมาย โดยส่วนใหญ่รวมถึงประเด็นต่อไปนี้

1. เทคโนโลยีการปรับสมดุลแบบดั้งเดิม

เทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่แบบดั้งเดิมส่วนใหญ่ใช้ส่วนประกอบต่างๆ เช่น ตัวต้านทาน รีเลย์ และไทริสเตอร์ในการปรับสมดุลหลักการคือการคายประจุเซลล์เดี่ยวที่มีแรงดันไฟฟ้าสูงในชุดแบตเตอรี่ผ่านตัวต้านทาน รีเลย์ และส่วนประกอบอื่นๆ เพื่อให้ได้แรงดันไฟฟ้าเดียวกันกับชุดแบตเตอรี่วัตถุประสงค์ในการปรับสมดุลเซลล์เดียวต่ำ

เทคโนโลยีการปรับสมดุลแบบเดิมมีข้อดีคือความเรียบง่าย ความน่าเชื่อถือ และต้นทุนต่ำ แต่ก็มีข้อบกพร่อง เช่น ประสิทธิภาพการปรับสมดุลต่ำและการสิ้นเปลืองพลังงานจำนวนมาก

2. เทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะ

เทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะเป็นจุดเน้นของการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการปรับสมดุลแบตเตอรี่ในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาใช้เทคโนโลยีอิเล็กทรอนิกส์และอัลกอริธึมขั้นสูงเพื่อควบคุมและจัดการแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่อย่างแม่นยำเทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะส่วนใหญ่แบ่งออกเป็นสองวิธี: การปรับสมดุลแบบพาสซีฟและการปรับสมดุลแบบแอคทีฟ

การปรับสมดุลแบบพาสซีฟส่วนใหญ่บรรลุวัตถุประสงค์ของการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่โดยการปรับพารามิเตอร์ระหว่างกระบวนการชาร์จและการคายประจุของชุดแบตเตอรี่

การปรับสมดุลแบบแอคทีฟจะเพิ่มส่วนประกอบต่างๆ เช่น วงจรควบคุมและเซ็นเซอร์ลงในชุดแบตเตอรี่เพื่อตรวจสอบและควบคุมสถานะของแต่ละเซลล์ในแบบเรียลไทม์ จึงบรรลุวัตถุประสงค์ในการสร้างสมดุลของชุดแบตเตอรี่เทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะมีข้อดีคือประสิทธิภาพการปรับสมดุลสูง การใช้พลังงานสูง และความปลอดภัยที่ดี

3. เทคโนโลยีการจัดการพลังงาน

เทคโนโลยีการจัดการพลังงานหมายถึงการจัดการและการกำหนดเวลาที่เหมาะสมที่สุดสำหรับชุดแบตเตอรี่โดยอิงจากเทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ และการพิจารณาปัจจัยอย่างครอบคลุม เช่น คุณลักษณะประสิทธิภาพของชุดแบตเตอรี่ สภาพการทำงานของยานพาหนะ และความต้องการพลังงาน

เทคโนโลยีการจัดการพลังงานประกอบด้วยการทำนายพลังงาน การประมาณความจุของแบตเตอรี่ การวินิจฉัยสถานะสุขภาพของแบตเตอรี่ ฯลฯ ด้วยการจัดการและการควบคุมชุดแบตเตอรี่ที่แม่นยำ อายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่สามารถขยายออกไป การใช้พลังงาน และความปลอดภัยที่ดีขึ้น

การออกแบบและเพิ่มประสิทธิภาพระบบสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าใหม่
การออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าใหม่มีจุดมุ่งหมายเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและการใช้พลังงานของการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ในขณะเดียวกันก็รับประกันความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้าการออกแบบและการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าใหม่มีประเด็นต่อไปนี้เป็นหลัก

1. การออกแบบวงจรสมดุล

วงจรปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่เป็นองค์ประกอบหลักของระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าหัวใจสำคัญของการออกแบบอยู่ที่การรักษาสมดุลระหว่างประสิทธิภาพ การใช้พลังงาน และความปลอดภัยการออกแบบวงจรปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่จำเป็นต้องพิจารณาคุณลักษณะและสภาพการทำงานของชุดแบตเตอรี่อย่างครอบคลุม และใช้โซลูชันการปรับสมดุลและกลยุทธ์การปรับสมดุลที่เหมาะสมจำเป็นต้องพิจารณาประเด็นต่อไปนี้ในระหว่างกระบวนการออกแบบ:

การเลือกกลยุทธ์การปรับสมดุล: ทั้งเทคโนโลยีการปรับสมดุลแบบดั้งเดิมและเทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะมีข้อดีและข้อเสียต่างกัน และควรเลือกกลยุทธ์การปรับสมดุลที่เหมาะสมตามสถานการณ์เฉพาะ

โครงสร้างของวงจรปรับสมดุล: การออกแบบโครงสร้างของวงจรปรับสมดุลต้องเป็นไปตามข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพในการทรงตัวสูง การใช้พลังงานสูง ความปลอดภัย และความน่าเชื่อถือของชุดแบตเตอรี่โครงสร้างวงจรสมดุลที่ใช้กันทั่วไป ได้แก่ การปรับสมดุลการแบ่งแรงดันไฟฟ้าของตัวต้านทาน การปรับสมดุลสวิตช์ การปรับสมดุลไฟฟ้ากระแสสลับ ฯลฯ

การควบคุมวงจรปรับสมดุล: การควบคุมวงจรปรับสมดุลต้องมีการตรวจสอบพารามิเตอร์แบบเรียลไทม์ เช่น แรงดันไฟฟ้าและอุณหภูมิของแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่ และการควบคุมและการปรับตามกลยุทธ์การปรับสมดุลที่ตั้งไว้

2. การออกแบบระบบการจัดการพลังงาน

ระบบการจัดการพลังงานเป็นอีกหนึ่งองค์ประกอบที่สำคัญของระบบสมดุลชุดแบตเตอรี่ของยานพาหนะไฟฟ้าได้รับการออกแบบมาเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานของชุดแบตเตอรี่ ยืดอายุของชุดแบตเตอรี่ และมั่นใจในความปลอดภัยของยานพาหนะไฟฟ้าการออกแบบระบบการจัดการพลังงานจำเป็นต้องพิจารณาประเด็นต่างๆ อย่างครอบคลุม ดังนี้

การเลือกกลยุทธ์การจัดการพลังงาน: กลยุทธ์การจัดการพลังงานประกอบด้วยกลยุทธ์การชาร์จ กลยุทธ์การคายประจุ และกลยุทธ์การควบคุมโหลดกลยุทธ์การจัดการพลังงานที่แตกต่างกันมีผลกระทบต่ออายุการใช้งานและการใช้พลังงานของชุดแบตเตอรี่แตกต่างกัน

การควบคุมระบบการจัดการพลังงาน: การควบคุมระบบการจัดการพลังงานจำเป็นต้องมีการตรวจสอบสถานะและการเปลี่ยนแปลงพลังงานของแต่ละเซลล์ในชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ และการควบคุมและการปรับเปลี่ยนตามกลยุทธ์การจัดการพลังงานที่ตั้งไว้

การเพิ่มประสิทธิภาพระบบการจัดการพลังงาน: ด้วยการจัดการและการกำหนดเวลาชุดแบตเตอรี่อย่างรอบคอบ จึงสามารถเพิ่มประสิทธิภาพการใช้พลังงานและอายุการใช้งานของชุดแบตเตอรี่ได้ ตลอดจนปรับปรุงประสิทธิภาพและความปลอดภัยของยานพาหนะไฟฟ้าได้

3. การออกแบบระบบป้องกันความปลอดภัยของแบตเตอรี่

ระบบป้องกันความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่เป็นอีกองค์ประกอบสำคัญของระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า ซึ่งออกแบบมาเพื่อให้มั่นใจในความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้าระบบป้องกันความปลอดภัยของแบตเตอรี่ส่วนใหญ่ประกอบด้วยการป้องกันการชาร์จไฟเกิน, การป้องกันการคายประจุเกิน, การป้องกันการลัดวงจร, การป้องกันอุณหภูมิเกิน และฟังก์ชั่นอื่น ๆด้วยการตรวจสอบและการปกป้องชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ จึงสามารถหลีกเลี่ยงอุบัติเหตุที่เป็นอันตรายในชุดแบตเตอรี่ได้

การวิจัยทางทฤษฎีเกี่ยวกับการออกแบบระบบสมดุลแบตเตอรี่
1. การวิเคราะห์สาเหตุของความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าภายในก้อนแบตเตอรี่

ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าภายในของก้อนแบตเตอรี่มีสาเหตุหลักมาจากความแตกต่างของความต้านทานภายใน อัตราการเกิดปฏิกิริยาไฟฟ้าเคมี และปัจจัยอื่นๆ ระหว่างเซลล์แต่ละเซลล์

ในการทำงานจริง เนื่องจากอายุการใช้งานและจำนวนรอบการชาร์จและคายประจุของเซลล์ที่แตกต่างกัน ความต้านทานภายในของเซลล์จึงแตกต่างกัน ซึ่งจะทำให้แรงดันไฟฟ้าภายในของก้อนแบตเตอรี่แตกต่างกันนอกจากนี้ เนื่องจากปรากฏการณ์การคายประจุเองของแบตเตอรี่ การวางไว้เป็นเวลานานจะทำให้พลังงานของแบตเตอรี่ลดลง ส่งผลให้เกิดความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าภายในก้อนแบตเตอรี่

2. กลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก

แนวทางการปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกเป็นกลยุทธ์การควบคุมที่สามารถปรับกลยุทธ์การปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ระหว่างการทำงานได้กลยุทธ์นี้จะปรับสถานะการทำงานของวงจรปรับสมดุลแบบไดนามิกตามแรงดันไฟฟ้าและกำลังของแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่ เพื่อให้เกิดความสมดุลของชุดแบตเตอรี่ และหลีกเลี่ยงปัญหา เช่น การจ่ายไฟเกินและการคายประจุมากเกินไป

ในแง่ของการใช้งานเฉพาะ เราแบ่งระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ออกเป็นสองส่วน: ตัวควบคุมการปรับสมดุลและวงจรปรับสมดุลตัวควบคุมการปรับสมดุลจะตรวจสอบแรงดันไฟฟ้าและพลังงานของแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่แบบเรียลไทม์ คำนวณสถานะการทำงานของวงจรปรับสมดุลตามกลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก จากนั้นควบคุมสถานะการสลับของวงจรปรับสมดุลเพื่อให้เกิดความสมดุลของ ก้อนแบตเตอรี่

3.อัลกอริทึมการควบคุม

แกนหลักของกลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกคืออัลกอริธึมการควบคุมเราได้ออกแบบตัวควบคุมความสมดุลของชุดแบตเตอรี่โดยใช้อัลกอริธึมการควบคุม PIDตัวควบคุมนี้สามารถปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าและพลังงานของแต่ละเซลล์ภายในชุดแบตเตอรี่ได้เมื่อแรงดันไฟฟ้าภายในชุดแบตเตอรี่มีน้อย เพื่อป้องกันไม่ให้เกิดปัญหาเกินขนาด การคายประจุเกิน และปัญหาอื่น ๆ

พารามิเตอร์อินพุตของคอนโทรลเลอร์ประกอบด้วยแรงดันไฟฟ้าและกำลังของแต่ละเซลล์ภายในก้อนแบตเตอรี่ด้วยการตรวจสอบและวิเคราะห์พารามิเตอร์เหล่านี้แบบเรียลไทม์ ทำให้สามารถคำนวณสถานะการทำงานของวงจรปรับสมดุลได้ ซึ่งจะทำให้ชุดแบตเตอรี่มีความสมดุล

ในแง่ของการใช้งานเฉพาะ เราได้นำอัลกอริธึมการควบคุม PID มาใช้ และเพิ่มกลไกป้อนกลับและการควบคุมแบบคลุมเครือเพื่อให้มั่นใจในความแม่นยำในการควบคุมและผลการควบคุมกลไกป้อนกลับสามารถปรับพารามิเตอร์ของอัลกอริธึมควบคุมแบบไดนามิกตามสถานะเอาต์พุตของตัวควบคุมอีควอไลเซอร์ ดังนั้นจึงบรรลุการควบคุมอีควอไลเซอร์ที่แม่นยำยิ่งขึ้น

นอกจากนี้ เราได้ออกแบบอัลกอริธึมการควบคุมที่แตกต่างกันสำหรับชุดแบตเตอรี่ประเภทต่างๆตัวอย่างเช่น อัลกอริธึมการควบคุมสำหรับชุดแบตเตอรี่ลิเธียมจำเป็นต้องพิจารณาปัจจัยต่างๆ เช่น อัตราการเกิดปฏิกิริยาทางเคมีภายในชุดแบตเตอรี่ ตลอดจนคุณลักษณะการชาร์จและการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียม เพื่อกำหนดกลยุทธ์การปรับสมดุลและอัลกอริธึมการควบคุมที่สอดคล้องกัน

การตรวจสอบการทดลอง
เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ที่นำเสนอ เราได้ทำการทดลองหลายชุดขั้นแรก เราได้ทดสอบชุดแบตเตอรี่ประเภทต่างๆ รวมถึงกรดตะกั่ว นิกเกิลเมทัลไฮไดรด์ และลิเธียม

จากสถิติและการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลอง เราพบว่ากลยุทธ์การปรับสมดุลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกที่เสนอและอัลกอริธึมการควบคุมสามารถบรรลุความสมดุลของก้อนแบตเตอรี่ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และหลีกเลี่ยงปัญหาเกินกำหนด การคายประจุเกิน และปัญหาอื่นๆ

ประการที่สอง เราทำการทดลองระยะยาวในการทดลอง เราวางแบตเตอรี่ในสภาพแวดล้อมที่แตกต่างกัน จำลองสถานการณ์การใช้งานที่แตกต่างกัน และจากนั้นตรวจสอบประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

จากสถิติและการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลอง เราพบว่าระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ที่นำเสนอมีความน่าเชื่อถือและความเสถียรสูง และสามารถตอบสนองความต้องการการใช้งานในสถานการณ์ต่างๆ

สุดท้ายนี้ เรายังได้ทำการทดลองการใช้งานจริงด้วยเราใช้ระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ที่นำเสนอกับรถยนต์ไฟฟ้าใหม่และดำเนินการทดลองขับบนถนนจากการวิเคราะห์ข้อมูลการทดลองขับ เราพบว่าประสิทธิภาพของรถยนต์ไฟฟ้าได้รับการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญ รวมถึงระยะการขับเคลื่อน ประสิทธิภาพการเร่งความเร็ว และด้านอื่นๆ

ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของยานพาหนะไฟฟ้า การวิจัยและการเพิ่มประสิทธิภาพของระบบสมดุลชุดแบตเตอรี่จึงได้รับความสนใจเพิ่มมากขึ้นโดยมุ่งเน้นไปที่การวิจัยเกี่ยวกับระบบสมดุลชุดแบตเตอรี่ของยานพาหนะไฟฟ้า เราได้ดำเนินการอภิปรายเชิงลึกเกี่ยวกับเทคโนโลยีการปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่ ระบบการจัดการพลังงาน และระบบป้องกันความปลอดภัยของชุดแบตเตอรี่

ด้วยการวิเคราะห์สถานะการพัฒนาและปัญหาที่มีอยู่ของเทคโนโลยีการปรับสมดุลของชุดแบตเตอรี่ จะมีการเสนอแผนการเพิ่มประสิทธิภาพสำหรับเทคโนโลยีการปรับสมดุลอัจฉริยะ และกล่าวถึงวิธีการออกแบบโครงสร้างวงจรและการควบคุมการปรับสมดุล

โดยทั่วไป ระบบปรับสมดุลชุดแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้าเป็นส่วนสำคัญของการพัฒนาเทคโนโลยีรถยนต์ไฟฟ้า และการเพิ่มประสิทธิภาพและการปรับปรุงนั้นมีความสำคัญต่อประสิทธิภาพและความปลอดภัยของรถยนต์ไฟฟ้า