Derin Öğrenme BMS Teknolojisi, Lityum İyon Pil Performansında Yeni Zirvelerin Kilidini Açıyor

Soyut

Pil Yönetim Sistemi (BMS), yüksek oranlı testler gibi zorlu koşullar altında pil performansını anlamak için çok önemlidir. Bu çalışma, yüksek hızlı testler sırasında NCA {{0}}S lityum iyon pil paketlerinin voltajı, akımı ve sıcaklığı gibi önemli parametrelerin sürekli izlenmesi, iletilmesi ve depolanması için yeni bir BMS önermektedir. Bu BMS, harici pil parametrelerini izleyerek pilin sağlık durumunu (deşarj kapasitesiyle ölçülür) tahmin etmek için derin öğrenme teknolojisini birleştirir. İki deney yapıldı: BMS fonksiyonunu doğrulamak için statik deney ve gerçek performansını değerlendirmek için gerçek çalışma koşulu deneyi (elektrikli tahrik araçlarında titreşimle yüksek büyütme kötüye kullanma testi). Sonuçlar, gerçek uçuş koşulları sırasında bataryanın tepe yüzey sıcaklığının 55 derece C'ye ulaştığını gösterdi; bu, statik testten daha yüksekti; Derin öğrenme kapasitesi tahmin algoritması, 0,04 Ah'lik ortalama kapasite sapmasını tespit ederek pil kapasitesini tahmin ederek doğru sağlık durumunu gösterdi. Bu BMS, kötüye kullanım testindeki gerçek durumu yansıtan etkili veri toplama ve tahmin yeteneklerini gösterir.

1. Giriş

Lityum iyon pillerin (LIB'ler) ve bunlarla ilgili teknolojilerin önemi:LIB'ler mevcut teknolojik alanda çok önemlidir ve elektrikli araçlarda, drone'larda ve taşınabilir elektronik cihazlarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Geleneksel pil teknolojisiyle karşılaştırıldığında LIB'ler, yüksek enerji yoğunluğu ve uzun çevrim ömrü gibi avantajlara sahiptir, ancak yaygın uygulamaları aynı zamanda pilin yaşlanmasıyla ilgili zorlukları da beraberinde getirir. Bu nedenle Sağlık Durumu (SOH), pil yaşlanmasının ölçülmesinde önemli bir parametredir. SOH'yi doğru bir şekilde tahmin etmek birçok zorlukla karşı karşıyadır ve pil yönetim sistemleri (BMS'ler), pil parametrelerinin doğru bir şekilde izlenmesi için çok önemlidir.

BMS'nin tasarımı ve ilgili göstergeleri:BMS'nin tasarımı genellikle belirli uygulamalarla ilgilidir ve SOH'ye ek olarak Şarj Durumu (SOC) ve Kalan Kullanım Ömrü (RUL) de pil sağlığının ortak göstergeleridir. Bu göstergelere ilişkin veriler genellikle derin öğrenme (DL) için veri sağlayabilen ancak büyük boyut, yüksek maliyet ve belirli pilleri hedefleme gibi sınırlamalara sahip olan özel veri toplama (DAQ) ayarlarından gelir. DL teknolojisini gelişmiş BMS ile entegre etmek, veri toplama yöntemlerinin zorluklarının üstesinden gelebilecek ve ölçeklenebilirlik sağlayabilecek umut verici bir yaklaşımdır.

LIB'lerin önemli parametreleri ve ilgili araştırma gereksinimleri:SOH, SOC, RUL ve C-oranının tümü LIB'lerin performansı için önemli parametrelerdir. C oranındaki artış pil kapasitesinde ve performansında düşüşe yol açacaktır. Mevcut veri toplama yöntemleri, karmaşık ayarlar ve belirsiz sensör doğruluğu gibi zorluklarla karşı karşıyadır ve bu nedenle, yüksek büyütme gibi çeşitli uygulama senaryolarında veri toplamak için yenilikçi taşınabilir BMS çerçevelerinin geliştirilmesini gerektirir. Bu çalışma, elektrikli tahrikin gerçek zamanlı izleme gereksinimlerini karşılayabilen, önceden geliştirilmiş Kapasite Azaltma Ağı (CD Net) DL modelini entegre eden kapsamlı bir BMS çerçevesi önermektedir. Veri toplama ve model entegrasyon yetenekleri deneylerle doğrulanmıştır.

2. BMS'nin Gelişimi

BMS geliştirmeye genel bakış:Önerilen BMS'nin pil sağlığı tahmini için gerekli anahtar verileri toplaması ve tahmine göre aksiyon alması için bir baskılı devre kartı geliştirildi. Geliştirilen BMS, pil sağlığı tahmini için gerçek çalışma durumu verilerini (pil voltajı, akım ve sıcaklık dahil) kullanır ve toplanan veriler, gerçek zamanlı tahmin için derin öğrenme (DL) modeline girilir.

Sensör ölçümü

Akım ve gerilim ölçümü:Yüksek taraf akım sensörü INA219, bir şönt direnç takılarak akımı ölçmek için kullanılır. Yüksek akım senaryolarına uyum sağlamak için, varsayılan 0.1 Ω şönt direnci, bir 0.01 Ω dirençle değiştirilerek mevcut ölçüm aralığının ± 32A'ya ulaşması sağlanır.

Sıcaklık ölçümü:PT100 Adafruit MAX31865 sensörü sıcaklık ölçümü için düşük güç tüketimi, yüksek doğruluk ve stabiliteye sahip olarak seçilmiştir. Sıcaklık ve direnç arasındaki ilişkiyi elde etmek için Callendar van Dusen denklemi kullanılır. Dört pilin sırasıyla yüzey sıcaklığını ve ortam sıcaklığını ölçmek için beş sensör kullanılır ve kalibrasyon yapılır.

Cihaz kontrolü:Veri kaydetme, ön işleme ve aktarma yeteneklerine sahip olan denetleyici olarak Arduino Uno Rev 2 Wi Fi devre kartını seçin. Dahili 5V regülatörü aracılığıyla sensör ağına güç sağlar ve SPI protokolünü kullanarak sensör ile mikro denetleyiciyi birbirine bağlar.

SOH tahmini:BMS tarafından toplanan voltaj ve sıcaklık verileri bilgisayara iletilir ve mevcut veriler Coulomb sayma yöntemiyle akünün şarj durumunu (SOC) hesaplamak için kullanılır. SOC, pilin nominal kapasitesi ve kimyasal bileşimi ile birlikte pilin deşarj kapasitesini tahmin etmek ve SOH'yi hesaplamak için CD Net modeline girilir. CD Net modeli, tahmin için optimize edilmiş ve işlenmiş belirli yapılara sahip sinir ağlarının bir kombinasyonunu kullanır.

3. Deneysel kurulum

Deneysel kuruluma genel bakış:Seri bağlı dört adet 18650 Sony VTC 6 pilden oluşan bir pil paketi, NCA kimyasal sistemi kullanılarak test edildi. Bireysel pillerin ve pil paketlerinin ilgili özellikleri tanıtıldı.

Zemin testi:Amaç, yeni geliştirilen BMS'nin elektrikli tahrik araçlarına uygulanmadan önce performansını analiz etmektir. Yük olarak NEWARE Powerwall CT-4004-20V20A sistemini kullanın, BMS'yi pil takımına bağlayın ve yükleyin, her pil takımının voltajını, akımını ve yüzey sıcaklığını izleyin ve verileri BMS'ye kaydedin. Pilin ortasına bir RTD sensörü yerleştirin ve sıcaklık kaydında tutarlılığı sağlamak için pil takımının yönünü kaydedin. NASA'nın küçük uydular için yaptığı sertifika deneyine benzer bir döngü düzeniyle 42 şarj ve deşarj döngüsü gerçekleştirin.

Hava testi:Yer testinden sonra, yüksek hızlı deşarj koşulları altında veri toplamak için 20 şarj deşarj döngüsü için bir elektrikli uçak (FLYWOO Explorer drone) kullanılarak gerçekleştirilir. Uçağın ilgili parametrelerine giriş, pil paketi 3D baskılı bir brakete monte edilmiştir, BMS üsttedir, şarj protokolü yer testleriyle tutarlıdır, ancak deşarj döngüsü rastgeledir. Tahliye sırasında uçak yerden yaklaşık 1 feet yüksekliktedir. BMS akü voltajının 10V'a ulaştığını gösterdiğinde deşarj durur ve araç şarj edilmeden önce 0,167 saat dinlendirilir.

4. Sonuçlar ve Tartışma

Sonuç Tartışmasının Özeti:Yeni geliştirilen BMS (CD Net model tahmini dahil) kullanılarak elde edilen sonuçları ve önemli bulguları sunar. Yeni geliştirilen BMS, statik ve dinamik akü yüklerinden veri toplayarak CD Net gibi DL modelleriyle sorunsuz bir şekilde entegre olarak teknolojik gelişmelere uyum sağlama esnekliği sağlıyor.

Zemin testi sonuçları

Gerilim eğrisi ölçümü:BMS'nin ve test ekipmanının (BAn) 42 şarj ve deşarj döngüsünün voltaj-zaman verileri benzerdir. BMS verilerinin başlangıçta gecikmesi olmasına rağmen, sonunda ikisi arasında 0,2V ortalama sapmayla yakınsar. Deşarj eğrisinin sabit voltaj kısmı, SOH ile ilişkiyi incelemek için kullanılabilir ve sapma, veri iletim hızı ve dahili saatteki farklılıklardan kaynaklanır.

Akım eğrisi ölçümü:BMS ve BAn'ın mevcut verileri bir bütün olarak eşleştirilir ve deşarj ve şarj aşamalarındaki akım değişiklikleri kurallara uygun olarak yapılır. Ancak mevcut dönüşüm aşamasında BMS okuma verilerinin gecikmesi bazı sapmalara neden olur. Büyük sapma veri noktaları kaldırıldıktan sonra ortalama sapma daha küçüktür ve mevcut okuma, voltaj okumasından daha doğrudur.

Sıcaklık eğrisi ölçümü:Dört pilin yüzey sıcaklığını izleyin ve şarj ve deşarj işlemi sırasında sıcaklığın kademeli olarak arttığını ve sabit akım şarjının sonunda en yüksek noktasına ulaştığını görün. Daha sonra sabit voltajda şarj ve deşarj sırasında sıcaklık değişir. Pil paketindeki dördüncü pil nispeten yüksek bir sıcaklığa sahiptir ve BMS her pilin sıcaklık farklarını algılayıp görüntüleyebilir. Pil yönetimi için sıcaklık anormallikleri kullanılabilir.

Hava testi sonuçları

Akım ve gerilim eğrilerinin ölçümü:Drone'un uçuşu sırasında akım rastgele değişir ve BMS, yüksek oranlı deşarj akımını doğru bir şekilde kaydedebilir. Deşarj akımı test sayısı arttıkça artar ve deşarj işlemi sırasında voltaj 16,8V'tan 10V'a düşer. Akım ve voltaj, uçuş sırasında uçuş tutumunun ayarlanmasından etkilenir.

Sıcaklık eğrisi ölçümü:Hava testi sırasında pilin yüzey sıcaklığı, yaklaşık 55 derece C'lik maksimum sıcaklıkla yer testi sırasındaki sıcaklıktan daha yüksektir. Şarj işlemi sırasında sıcaklık düşme eğilimindedir ve boşaltma işlemi sırasında sıcaklık kademeli olarak artar. Farklı piller arasında sıcaklık farklılıkları vardır ve sıcaklık dalgalanmaları uçuş tutumu ayarlamalarından etkilenir.

Derin öğrenme topluluğu sonuçları:Yer testlerinde pil kapasitesi giderek azaldı ve CD Net modeli, BMS tarafından kaydedilen Coulomb sayım kapasitesine benzer şekilde 5. döngüden itibaren kapasiteyi tahmin etti. Modelin tahmini nispeten doğruydu; Coulomb sayma kapasitesi havadan yapılan testler sırasında kararsızdı ancak model yine de 0.046Ah ortalama farkla tahminde bulunabildi. Coulomb sayma yöntemiyle ölçülen kapasiteyi modelin öngörülen kapasitesiyle karşılaştırarak, pillerin Sağlık Durumunu (SOH) tahmin etmek için kullanılabilen BMS ve DL modellerinin başarılı entegrasyonu doğrulandı.

5. Özet

Araştırma bulgularının özeti:Elektrikli tahrik araçlarının fiili çalışma koşulu verilerinin toplanması, LIB'lerin yüksek oranda boşaltılması gibi zorlu koşullar altında çalışabilen taşınabilir bir BMS gerektirir. Bu araştırma, verileri kaydetmek, iletmek ve almak için uç ve bulut çerçevelerini kullanan ve CAN veri yolu ve uç bilgisayarlara dayalı geleneksel yöntemlerin yerine yüksek hızlı deşarjı yönetebilen yeni bir BMS mimarisi önermektedir.

Test sonuçlarının özeti:Zemin ve hava testleri yapıldı ve akünün yüzey sıcaklığı, deşarj sabit akım aşamasının sonunda en yüksek seviyeye ulaştı. Hava testinde pilin yüzey sıcaklığı daha da yüksek çıktı ve maksimum yaklaşık 55 derece C'ye ulaştı. Sıcaklık artışı, pilin yaşlanması ve SOC değişiklikleri gibi faktörlerden kaynaklanabilir ve aşırı sıcaklık pilin arızalanmasına yol açabilir. Yerde 42 ve havada 20 döngü boyunca yüzey sıcaklığı giderek arttı.

Model tahmin sonuçları:CD Net modeli, toplanan verileri kullanarak gerçek çalışma koşulları altında pilin Sağlık Durumunu (SOH) tahmin eder. Modelin yer testindeki bir sonraki döngü için kapasite tahmini, {{0}},026 Ah ortalama sapmayla nispeten doğrudur; Hava testi sırasında kapasite dalgalanmaları olmasına rağmen tahmin edilen ortalama fark 0,046 Ah idi ve BMS, mevcut voltaj sensörlerinin eşik aralığı dahilinde verileri etkili bir şekilde toplayabildi.