Energiya samaradorligi va xavfsizligida lityum batareya zaryadlovchilarini aqlli boshqarish strategiyasining ishlashi

Abstrakt

Lityum-ionli batareyalar zamonaviy energiyani saqlash sohasida hal qiluvchi ahamiyatga ega. 1990-yillarda ular tijoratlashtirilganidan beri materialshunoslik va muhandislik sohasidagi yutuqlar ularning imkoniyatlarini, xavfsizligini va ishlash muddatini oshirdi. Biroq, lityum-ion batareyalarning dinamik xususiyatlari murakkab va ishlash, xavfsizlik va ishlash muddatini optimallashtirish uchun ilg'or zaryadlash va nazorat qilish strategiyalarini talab qiladi. Ushbu maqola lityum-ionli batareyalarni zaryadlash uchun uchta ilg'or boshqaruv usullarini qiyosiy tahlil qilishni taklif qiladi: mustahkamlashni o'rganish, loyqa mantiqni boshqarish va an'anaviy proportsional integral lotin (PID) nazorati. An'anaviy zaryadlash usullari batareyaning dinamik murakkabligi bilan kurashish qiyin, bu esa yomon ishlashga olib keladi. Ushbu maqola zaryadlash samaradorligi, tezligi va batareyaning ishlash muddatini yaxshilash uchun ushbu aqlli boshqaruv strategiyalarini baholash uchun MATLAB Simulink simulyatsiyasidan foydalanadi. Natijalar shuni ko'rsatadiki, mustahkamlashni o'rganish kuchli moslashuvchanlikka ega, loyqa mantiq chiziqli bo'lmagan muammolarni samarali hal qila oladi, PID boshqaruvining ishlashi ishonchli va hisoblash resurslariga talablar past.

1. Kirish

Lityum-ion batareyalarning an'anaviy zaryadlash usullariga nisbatan cheklovlari:Lityum-ionli batareyalar yuqori energiya zichligi, uzoq umr ko'rish muddati va past o'z-o'zidan tushirish tezligining afzalliklariga ega, energiyani saqlash va ishlatish usulini butunlay o'zgartiradi va zamonaviy jamiyatda asosiy texnologiyalardan biriga aylanadi. Biroq, an'anaviy doimiy oqim va doimiy kuchlanish (CC / CV) zaryadlash usullari ko'pincha lityum-ionli batareyalarning dinamik murakkabligi bilan bardosh bera olmaydi, natijada zaryadlashning yomon ishlashi va vaqt o'tishi bilan batareyaning ishlashi mumkin bo'lgan yomonlashuvga olib keladi.

Intellektual boshqaruv strategiyasiga kirish

Muammolarni hal qilish uchun ushbu maqola lityum-ionli batareyalarni zaryadlash uchun uchta asosiy aqlli boshqaruv usullarini taqqoslaydi va tahlil qiladi: mustahkamlashni o'rganish (RL), loyqa mantiq nazorati (FL) va an'anaviy proportsional integral lotin (PID) nazorati.

RL boshqaruvchisi batareya modeli va quvvat elektron qurilmalari bilan o'zaro aloqada bo'lib, quvvat elektron qurilmalarini soddalashtirish va o'quv jarayonini yaxshilash uchun kichik signal modelidan foydalanish orqali optimal boshqaruv strategiyasini o'rganadi. Batareyaning kirish kuchlanishini nazorat qilish maqsadida yanada barqaror zaryadlash jarayoni uchun oqim va kuchlanishning keskin ko'tarilishini jazolash uchun mukofot funktsiyasiga asoslangan neyron tarmoqni o'rgatish. Javobni bir nechta o'zaro ta'sirlar orqali baholash va mukofot qiymatini maksimal darajaga ko'tarish, batareya holatini kuzatish bilan birga, joriy qiymat va tajovuzkor nazorat harakatlariga asoslangan holda mukofotlar yoki jazolar berilishi mumkin. Xavfsiz ishlashni ta'minlagan holda zaryadlash vaqtini, energiya sarfini va batareyaning degradatsiyasini minimallashtiradigan zaryadlash strategiyasini ishlab chiqish mumkinligini aniqlash mumkin.

FL tekshirgichi zaryadlash holati, harorat va zaryadlash tezligi kabi til o'zgaruvchilarini aniqlash va xulosa chiqarish qoidalarini o'rnatish orqali zaryadlash jarayoniga ekspert bilimlari va evristik qoidalarni integratsiya qilishning moslashuvchan va intuitiv usulini taqdim etadi. Ikkita FL kontrollerlari ishlab chiqilgan bo'lib, ulardan biri turli xil zaryadlash egri chizig'i ostida barqarorlikni saqlash uchun tartibga soluvchi kuchlanish, ikkinchisi esa haddan tashqari ko'tarilishni oldini olish va barqaror qiymatlarni saqlab turish uchun tartibga soluvchi oqim, bu esa lityum-ion batareyalar dinamikasida chiziqli bo'lmagan va o'ziga xos noaniqlikni yaxshiroq boshqarishi mumkin. zaryadlash ish faoliyatini yaxshilash va batareyaning ishlash muddatini uzaytirish.

PID tekshirgichi zaryadlash egri chizig'ini sozlash va optimallashtirish orqali zaryadlash vaqti, energiya samaradorligi va batareyaning sog'lig'ini himoya qilish kabi omillarni muvozanatlashi mumkin.

2. Lityum-ionli batareyalarni zaryadlashni nazorat qilish strategiyalarini tadqiq qilish usullari

MATLAB Simulink simulyatsiya platformasining afzalliklari va batareya xususiyatlari:MATLAB Simulink litiy-ionli batareyalarni zaryadlash tizimlarini tahlil qilish va optimallashtirish uchun kuchli platformani taqdim etadi. Lityum-ion batareyalar yuqori energiya zichligi (yuqori energiyaning og'irlik nisbatini ta'minlash, cheklangan joy va og'irlikdagi portativ elektron qurilmalar va elektr transport vositalari uchun mos), past o'z-o'zini zaryadsizlantirish tezligi (uzoq vaqt uchun mos) tufayli turli ilovalar uchun afzal qilingan tanlovga aylandi. muddatli energiya saqlash), ilg'or qayta ishlash texnologiyasi va past atrof-muhitga ta'siri (barqarorroq va ekologik toza).

O'rtacha kichik signal konvertorini modellashtirish:Lityum-ionli batareyalar energiya uzatish tizimlari uchun samarali dizayn talab qilinadi. Ushbu ishda izolyatsiyalangan DC / DC konvertor sxemasi qo'llaniladi (oldinga konvertor DC / DC konvertor topologiyasiga o'xshaydi va elektr izolyatsiyasini ta'minlash va batareya xavfsizligini oshirish uchun transformatorni o'z ichiga oladi). O'chirish harakati kichik signal modeli mezonidan foydalangan holda ikkinchi darajali uzatish funktsiyasi sifatida tavsiflanadi va past signal (past Q) yaqinlashuvi tahlilni soddalashtirish uchun ishlatiladi, natijada operatsiya va konvertatsiya nisbatini o'z ichiga olgan konvertor modeli uzatish funktsiyasi mavjud. Konverter samaradorlikni oshirish uchun ideal komponentlardan foydalanishni taqlid qiladi va ikkita stsenariyni tahlil qiladi: yuksiz va lityum-ion batareya yuki bilan. Yuksiz sharoitlarda uzatish funktsiyasi va konvertorning kuchlanishi va oqim tendentsiyalari o'xshash, lekin konvertor chiqishi tebranadi. Yuk sharoitida asosiy farq stabilizatsiya vaqtida yotadi. O'tkazish funktsiyasini idealizatsiya qilish tizimni tezroq javob beradi, ammo yakuniy chiqish qiymati izchil bo'ladi va uzatish funktsiyasidan foydalanish simulyatsiya vaqtini sezilarli darajada qisqartirishi mumkin.

Boshqaruv arxitekturasining tavsifi:Nazorat strategiyasi MATLAB Simulink-dagi lityum-ion batareya modeliga asoslangan bo'lib, u batareyaning ishlashini aniq simulyatsiya qilish va tahlil qilish uchun batafsil texnik parametrlarni taqdim etadi. CC/CV zaryadlash jarayoni joriy nazorat bosqichini (bu erda oqim xavfsiz darajaga o'rnatiladi va batareya quvvati zaryadlash bilan ortadi, kuchlanishni boshqarish bosqichiga kirishdan oldin chegaraga etadi) va kuchlanishni nazorat qilish bosqichi (kuchlanish barqaror bo'lib qoladi). va batareya to'liq zaryadlanmaguncha oqim asta-sekin kamayadi), bu ortiqcha zaryadlashni oldini oladi, batareya bosimini kamaytiradi, qizib ketish xavfini kamaytiradi va batareyaning ishlash muddatini uzaytiradi. Baholangan nazorat strategiyalari 1-jadvalda jamlangan va keyinroq batafsil tanishtiriladi.

O'quv arxitekturasini mustahkamlash:Kuchaytiruvchi ta'lim boshqaruvchisi murakkab chiziqli bo'lmagan dinamikani boshqarish uchun tizim bilan o'zaro hamkorlik qilish orqali optimal strategiyani o'rganadi. Aktyorni tanqid qilish sxemasini qabul qilgan holda, aktyorlar tarmog'i harakatlarni tanlaydi va tanqidchilar tarmog'i fikr-mulohazalarni taqdim etish uchun harakatlarni baholaydi. Uzluksiz Gauss aktyor tarmog'i (CGAN) uzluksiz harakat bo'shliqlarini qayta ishlash uchun ishlatiladi va optimal strategiya Gauss taqsimot parametrlarini chiqarish orqali o'rganiladi. Uning arxitekturasi bir nechta to'liq bog'langan qatlamlarni o'z ichiga oladi va faollashtirish funktsiyasi asosan Modified Lineer Unit Function (RELU) hisoblanadi. MATLAB mustahkamlashni o'rganish asboblar to'plamini o'qitishga asoslanib, mukofot funktsiyasi kuchlanish xatosi, nazorat harakatlari va kuchlanishni kutilgan diapazonda ushlab turishni rag'batlantirish va og'ishlarni jazolash uchun kuchlanish kuzatuvlari asosida hisoblanadi. Konstantalarni o'rnatish orqali maksimal o'rganish effekti ta'minlanadi va maksimal o'rtacha mukofot 200 ta mashg'ulotdan so'ng erishiladi. Biroq, batareyaning sekin javobi parametrlarni sozlashni qiyinlashtiradi.

Noaniq arxitektura:Loyqa proportsional lotin (PD) kontrollerlari an'anaviy PD kontrollerlariga qaraganda tizimning nochiziqliligi va noaniqligini boshqarishda samaraliroq bo'lib, barqaror va aniq kuchlanish nazoratini ta'minlash uchun batareya xususiyatlarining o'zgarishiga moslashadi. Loyqa xulosa chiqarish tizimi Sugeno sxemasi yordamida tuzilgan, kuchlanish loyqa PD tomonidan boshqariladi va oqim loyqa PD+I tomonidan boshqariladi. Kirish xatolar va ularning hosilalarini qayta ishlash uchun normallashtirilgan uchburchak a'zolik funktsiyalari yordamida qayta ishlanadi va chiqish holatlarni boshqarish uchun uchta Sugeno normalizatsiya funktsiyasi yordamida qayta ishlanadi. Kirish diapazoni to'yinganlikni oldini olish uchun cheklangan va kirish va chiqish diapazonlari tegishli konstantalar bilan o'zgartiriladi.

Klassik PID arxitekturasi:Klassik proportsional integral lotin (PID) tekshirgichi oddiyligi, samaradorligi va ishonchli ishlashi tufayli batareyani zaryadlashda keng qo'llaniladi. Uni amalga oshirish va sozlash oson va real vaqtda zaryadlash shartlarini sozlashi va optimallashtirishi mumkin. U kuchlanish va oqimni aniq tartibga solish uchun proportsional, integral va lotin harakatlarni birlashtiradi. U kuchli universallikka ega va har xil batareya va zaryad stsenariylariga mos keladi. U arzon va past hisoblash resurslariga talablarga ega va o'rnatilgan tizimlar va arzon narxlardagi apparatni amalga oshirish uchun javob beradi. Uning arxitekturasi mos ravishda kuchlanish va oqimni boshqarish uchun faqat ikkita klassik kontrollerdan foydalanadi (ichki struktura bo'sh joy cheklovlari tufayli batafsil emas).

3. Lityum-ion batareyani zaryadlashni nazorat qilish strategiyasining ishlashini baholash

Tekshirgich parametrlarini sozlash:Mustahkamlovchi oʻrganish mukofoti funksiyasi evristik usullar orqali aniqlanadi va doimiylar (r1=200), (r2=-25), (p1=-10) va ((r1=200) olish uchun takroriy tajribalar orqali sozlanadi. p2=180). Loyqa kontroller (PD+I) joriy nazorat parametrlari (P=20), (D=0. 00000 1), (I{{8) bilan sinov va xato orqali parametrlarni qoʻlda sozlaydi. }}) va (K_D=0.297) va kuchlanishni boshqarish parametrlari (P=15), (D=0.0001) va (K_D=0.315). PID tekshirgichi optimal parametrlarni topish uchun MATLAB PID Tuner vositasi va neyron tarmog'idan foydalanadi, jumladan, oqim nazorati (P=15), (I {PID}=5), kuchlanishni boshqarish (P=22 .5), (I=4.9) va (D {PID}=0.03).

Nazoratchining ishlashini tahlil qilish

Baholash tomoni:Tekshirgichning ishlashini kuchlanish va oqimni tartibga solishning aniqligi, javob berish vaqti, barqarorlik va shovqinlarga qarshiligi nuqtai nazaridan baholang.

O'quvni mustahkamlash nazoratchisi:Neyron tarmog'iga asoslangan mustahkamlashni o'rganish boshqaruvchisi oqim nolga teng bo'lganda (5b-rasmda ko'rsatilganidek) oshib ketmasdan barqaror nominal kuchlanishga erishishi mumkin. Biroq, CC / CV nazoratini qo'llashda, kuchlanishning o'zgarishi mavjud oqimni tushunmaslik tufayli yuzaga keladi, bu esa batareyani zaryadlash vaqtida beqaror va pasayish oqimiga olib keladi. Yuklash tezligi eng tezdir, lekin elektron komponentlarga zarar etkazishi va batareyaning ishlash muddatini qisqartirishi mumkin bo'lgan jiringlash hodisasi mavjud. Amaliy ilovalarda ishlashni yaxshilash uchun aylanma oqimni hisobga olish kerak.

Loyqa boshqaruvchi:barqaror zaryadlashni ta'minlash uchun mo'ljallangan, uzoqroq zaryadlash va barqarorlashtirish vaqtlari bilan, lekin oqim va kuchlanishni boshqarish konvertatsiyasida keskin o'zgarishlar yo'q (5c-rasmda ko'rsatilganidek). Garchi xavfsizroq bo'lsa-da, u sekinroq va xulosa chiqarish qoidalarini sozlash orqali optimallashtirilishi mumkin.

PID tekshiruvi:U xatolarga tezda javob beradi, lekin kuchlanishdan oqimga o'tish vaqtida sezilarli shovqin va ortiqcha oqim hodisasiga ega (5b-rasmda ko'rsatilganidek). Uning ishlashi o'rtacha va operator tajribasiga tayanmaydi.

Ishlash ko'rsatkichlari tahlili:Kirish DC/DC konvertorining kuchlanishni boshqarish harakatini tahlil qiling, o'rtacha kvadrat (RMS) qiymatini hisoblang va mustahkamlashni o'rganish boshqaruvchisining RMS qiymati biroz yuqoriroq ekanligini aniqlang, bu uning boshqaruv harakati sezilarli darajada o'zgarishini va sezgirligini ko'rsatadi. kichik o'zgarishlar. Barcha kontrollerlar uchun akkumulyator oqimining RMS qiymatini baholash 0.3A doimiy qiymatiga olib keldi, bu boshqaruv strategiyalari va harakatlaridagi farqlarga qaramay, barcha kontrollerlar chiqish oqimini kutilgan diapazonda ushlab turishga muvaffaq bo'lganligini ko'rsatdi. . Bu shuni anglatadiki, mustahkamlashni o'rganish boshqaruvchisining kuchlanishni nazorat qilish harakatlari juda katta farq qilsa-da, bu tizimning xavfsiz va samarali ishlashi uchun hal qiluvchi ahamiyatga ega bo'lgan chiqish oqimining barqarorligi va mustahkamligiga ta'sir qilmaydi.

4. Lityum-ionli batareyani zaryadlashni nazorat qilish strategiyasining natijalarini muhokama qilish

Kontroller simulyatsiyasini bajarish vaqti va chiqish o'zgarishi:2-jadvaldagi natijalar simulyatsiyalardan olingan bo'lib, unda har bir kontroller 6 soniyaga konfiguratsiya qilingan, mustahkamlashni o'rganish (RL) kontrolleri eng uzun bajarish vaqti 21046 soniyaga ega. Lityum-ionli batareyalarning kuchlanishi va oqimini tartibga solish uchun ishlatiladigan boshqa kontrollerlar bilan solishtirganda, RL tekshirgichi katta chiqish o'zgarishiga ega va hatto kichik buzilishlar bo'lsa ham, qo'ng'iroq hodisalari (yuqori chastotali tebranishlarni boshqarish harakatlari) paydo bo'lishi mumkin. Haqiqiy quvvatli elektron qurilmalarga qo'llanilganda, u 0,02V kuchlanish o'zgarishi bilan batareya va konvertor komponentlarining haddan tashqari qizishi, sensor shovqini va batareyaning ishlash muddatini qisqartirishi mumkin. Tekshirish moslamasini yaxshilash va tebranishni kamaytirish uchun boshqaruvchi chiqishiga past o'tkazuvchan filtr qo'shilishi, neyron tarmoq arxitekturasini o'zgartirish yoki gibrid boshqaruv usuli (masalan, neyron tarmog'i chiqishini sozlash uchun PID yoki loyqa kontroller) bo'lishi mumkin. ishlatilgan.

Nazoratchining moslashuvchanligi va ishlash xususiyatlari:RL kontrollerlari turli vaziyatlarga yuqori moslashish qobiliyatiga ega, chunki ular shovqinlarga nisbatan sezgirroqdir. Biroq, chiqish o'zgarishlari ularning ko'proq stsenariylarga moslashish qobiliyatini yaxshilash, zaryadlash samaradorligini oshirish va yuzaga kelishi mumkin bo'lgan beqarorlikning oldini olish uchun agent tayyorlashga ko'proq parametrlarni kiritish zarurligini ko'rsatadi. Fuzzy kontrollerlar o'zlarining xulosa chiqarish qoidalari tufayli yuqori oqim cho'qqilari va sekin zaryad tezligidan qochishga qaratilgan; PID tekshiruvi chiqish signalini o'zgartirish orqali xatolarga javob beradi va dinamik o'zgarishlarga moslasha oladi.

Nazoratchining chiqishi samaradorligini baholash:O'rtacha o'rtacha kvadrat (RMS) qiymati uchta kontrollerning chiqish ish faoliyatini baholash uchun ishlatilgan va natijalar shuni ko'rsatdiki, barcha kontrollerlar tomonidan saqlanadigan o'rtacha kuchlanish batareyaning nominal kuchlanishiga o'xshash bo'lib, bu haddan tashqari zaryadlanishning oldini olish va batareyaning oldini olish uchun juda muhimdir. haddan tashqari qizib ketish. Joriy nazorat nuqtai nazaridan, barcha kontrollerlar mos yozuvlar qiymatiga juda qisqa javob vaqtida haddan tashqari oshib ketmasdan erishishlari mumkin va tashqi shovqinlarga yaxshi tolerantlikka ega. Kuchlanishni nazorat qilish nuqtai nazaridan, tekshirgich doimiy ravishda mos yozuvlar qiymatiga etib borishi mumkin, zaryadlash davrini yakunlash uchun oqimni nolga yetguncha asta-sekin kamaytiradi. Biroq, shuni ta'kidlash kerakki, RL-ga asoslangan kontrollerlar zaryadlashning yakuniy bosqichida oqimdagi engil tebranishlarni boshdan kechirishi mumkin, joriy qiymat va nol o'rtasida o'zgarib turadi va barqarorlikni yaxshilash uchun qo'shimcha sozlashlarni talab qilishi mumkin.

5. Xulosa

PID boshqaruvchisi

Afzalliklari:Oddiyligi va samaradorligi bilan mashhur, u kuchlanish va oqimni tartibga solishda yaxshi ishlaydi va ko'plab ilovalarda tez va barqaror javob beradi.

Kamchilik:Murakkab batareyaning dinamik xususiyatlari bilan ishlashda nisbatan zaif moslashuvchanlik, bu yuqori dinamik optimallashtirishga erishishni qiyinlashtiradi.

Loyqa boshqaruvchi

Afzalliklari:Til o'zgaruvchilari va xulosa chiqarish qoidalarini belgilash orqali tajriba boshqaruv jarayoniga birlashtiriladi, bu batareyaning nochiziqliligi va noaniqligini yaxshiroq boshqarishi mumkin, bu tizimni muayyan vaziyatlarga moslashishga va turli ish sharoitlarida barqaror ishlashga imkon beradi. Xulosa qilish qoidalarini dastur talablariga muvofiq sozlash zaryadlash samaradorligini ma'lum darajada optimallashtirishi mumkin.

Kamchiliklari:Dizayn asosan qoidalar va tajribaga tayanadi, rivojlanish murakkab va zaryadlash tezligi nisbatan sekin, bu dastur stsenariylarida tez zaryadlash uchun yuqori talablarga javob bermasligi mumkin.

Mustahkamlash o'rganishga asoslangan nazoratchi

Afzalliklari:Tizim bilan o'zaro aloqada bo'lish orqali optimal strategiyani o'rganishi mumkin, kichik buzilishlar uchun kuchli ishlov berish qobiliyatiga ega, o'zgaruvchan sharoitlarga dinamik ravishda moslasha oladi, ishlashni doimiy ravishda optimallashtiradi va turli yuk sharoitlariga yuqori moslashuvchanlikka ega. Murakkab va doimiy o'zgaruvchan batareyani zaryadlash stsenariylarida u zaryadlashning aniqligi va samaradorligini samarali oshirishi mumkin, ayniqsa yuqori zaryadlash moslashuvchanligi va moslashuvchanligini talab qiladigan ilovalar uchun mos keladi.

Kamchiliklari:Katta hajmdagi hisoblash resurslarini, uzoq o'qitish vaqtini talab qiladi, masalan, ushbu tadqiqotda eng uzun bajarish vaqti. Trening jarayoni murakkab va mukofotlash funktsiyalarini sinchkovlik bilan loyihalashni va neyron tarmoq arxitekturasini sozlashni talab qiladi, aks holda jiringlash muammolari kabi beqaror hodisalar yuzaga kelishi mumkin. Aniqlikni oshirish uchun murakkabroq neyron tarmoq arxitekturasi talab qilinadi, bu esa hisoblash yukini va simulyatsiya vaqtini yanada oshiradi.