بخشی از مقاله
چکیده-
این مقاله به ارائه یک سیستم کنترلی بهینه در حفاظت از بسته باطریهای لیتیوم-یون در مقابل جریان-ولتاژ بیشتر و کمتر از حد که ناشی از برخی اغتشاشات سیستمی میباشد، میپردازد . در سیستم ارائه شده از تقویت کنندههای عملیاتی جهت اندازهگیری جریان-ولتاژ استفاده شده است. مزیت کلیدی تکنیک ارائه داده شده کنترل لحظهای و مستقیم جریان-ولتاژ بوده و اشکال سیستمهای حفاظتی متداول را ندارد - یعنی عدم توانایی تفکیک نوع اغتشاشات وارده بر بسته باطری - . استفاده از تقویت کنندههای عملیاتی دقت اندازهگیری را تا حد زیادی افزایش و نویز را کاهش داده است. در نهایت این روش بر روی سیستم محافظتی یک بسته باطری در یک خودرو خورشیدی به صورت عملی آزمایش شده است. روش شرح داده شده تا حد قابل قبولی تحت حالات مختلفی از اغتشاشات کارآمد است.
کلید واژه- باطری لیتیوم-یون، تقویت کنندههای عملیاتی، سیستم مدیریت باطری - BMS - ، کنترل لحظهای و مستقیم.
-1 مقدمه
استفاده از سیستمهای الکتریکی که توان خود را از باطری های قابل شارژ تامین میکنند، مانند خودروها و وسائل نقلیه الکتریکی به سمتی میرود که در آیندهای نه چندان دور جایگزین مناسبی برای خودروهای با سوخت فسیلی خواهند شد. باطریها یک منبع انرژی پاک و ارزان هستند که اثر مخربی روی طبیعت ندارند. اما به علت هزینههای اولیه زیاد برای سیستمهای الکتریکی، باید به طور بهینه استفاده شوند. تعداد زیادی از مراحل راه اندازی این سیستمها صرف طراحی سلول باطری و ساخت آن میشود. با این که این اعمال بسیار مهم هستند، اما مورد دیگری نیز که اهمیت ویژهای دارد ارتقاء کارایی کلی سیستم و حفاظت از آن است.
یکی از زمینههای مورد علاقه و پرکاربرد در صنعت باطری، سیستم مدیریت و حفاظت از باطری - BMS - است. هدف استفاده از BMS اطمینان از تاثیر دلخواه و مطلوب شرایط داخلی و خارجی - اعم از نوع مصرف باطری، چیدمان باطریها، شرایط دمایی، ولتاژی، جریانی و ... - بر روی بسته باطری است .[1-4] با توجه به مشخصات غیر خطی منحنی جریان-ولتاژ - I-V - در یک باطری، مدیریت و حفاظت از آن در شرایط مختلف در برخی موارد کاری چالش برانگیز و پیچیده خواهد بود. موضوع وقتی پیچیدهتر میشود که سیستم باطری دچار آشفتگی ناگهانی شود و یا رفتاری پیش بینی نشده از خود نشان دهد - مانند افت ناگهانی ولتاژ و یا افزایش ناگهانی جریان - . هنگامی که یک بسته باطری تحت تاثیر یک اغتشاش پیشبینی نشده قرار میگیرد، در این حالت نمودار - I-V - آن دارای تغییرات شدیدی میشود که خارج از محدوده مجاز میباشد.[5]
یک اشکال که بر سیستمهای مدیریت باطری مرسوم وارد است، این است که این سیستمها تمایزی بین شرایط خطرساز قابل کنترل و غیر قابل کنترل قائل نمیشوند. به طور مثال در [6]، تنها یک سیستم هشداردهنده جهت حفاظت از بسته باطری در مقابل ولتاژ بیش از حد طراحی شده است تا کاربر با دریافت هشدار از طرف سیستم اقدام لازم را انجام دهد. در[7]، یک مدار محافظ در برابر ولتاژ بیشتر و کمتر از حد ارائه شده است. در این مدار ابتدا ولتاژ اندازهگیری شده باطری - توسط تقویت کنندههای عملیاتی - با یک ولتاژ مرجع مقایسه میشود و اگر ولتاژ باطری به یک ولتاژ آستانه رسیده باشد سیستم محافظ با فرمان دادن به گیت یک ترانزیستور مدار محافظی را وارد سیستم کرده و باطری را از سیستم خارج میکند. در این روش شرایط خطرساز تنها به معنای شارژ بیشتر و کمتر از حد تعریف شده است.
در[8]، یک روش برای حفاظت از جریان بیش از حد ارائه شده که در آن از اندازه گیری ولتاژ نیز استفاده شده است، به طوری که اگر جریانی بیش از حد از باطری کشیده شود سیستم با قطع کلید محافظ به اندازهگیری ولتاژ بسته باطری پرداخته و اگر ولتاژ در بازه مجاز باشد دوباره به وصل کردن کلید میپردازد. در[9]، یک سیستم محافظ باطری در مقابل جریان بیش از حد طراحی شده است، در این سیستم هدف، حفاظت از برخی المانها مانند ترانزیستورهای موجود در کنترلر موتور در مقابل جریانکشی بیش از حد به هنگام رخ دادن اتصالکوتاه در مصرفکننده است، به طوری که روش محافظتی در این مدل بر روی سرعت هرچه بیشتر قطع کلید محافظ باطری قبل از آنکه برخی اجزاء کنترلر موتور آسیب ببینند تاکید دارد. در تمامی تکنیکهای شرح داده شده هدف، حفاظت از باطری و یا اجزاء سیستم میباشد.
اما موضوعی که در این تکنیکها به آن اشاره نشده توجه به وضعیت و شرایط مصرفکننده و یا بار است. یعنی در برخی موارد بحرانی باید سیستم هوشمندانهتر عمل کند. به طور مثال هنگامی که یک خودرو الکتریکی در حین حرکت با یک شیب افزایشی تند مواجه میشود موتور محرک خودرو توان بیشتری را از شبکه تامین انرژی - باطری - طلب میکند. همین امر سبب میشود جریان دریافتی از بسته باطری به طور ناگهانی و ضربهای افزایش یابد. اکثر سیستم های مرسوم ذکر شده به محض مواجه شدن با این وضعیت، خروجی بسته باطری را قطع کرده و موتور خاموش میشود. و این در حالی است که خاموش شدن موتور در این وضعیت امری خطرآفرین و مخرب است. در سیستم حفاظتی بهینه در این مقاله، سعی شده تا راه حلی معرفی گردد تا سیستم ابتدا اغتشاش وارده را شناسایی کرده و سپس اقدام لازم را انجام دهد، تا این عمل از قطع ناگهانی ارتباط بین بسته باطری و موتور جلوگیری کند. در سیستم ارائه شده از مدارات اندازهگیری جریان-ولتاژ مبتنی بر تقویت کنندههای عملیاتی استفاده شده است. تقویت کنندههای عملیاتی جزء پرکاربردترین مدارات در اندازهگیری جریان-ولتاژ بوده که به خاطر نویز پذیری پایین و دقت بالا میتوانند نتیجه مطلوبی را به همراه داشته باشند.[10]
-2 مدل سازی
در این آزمایش از باطری Panasonic NCR-18650PF با ساختار شیمیایی 2 ازخانواده لیتیوم-یون استفاده شده است.[11-12] از آنجا که مدل سازی باطری توسط روابط شیمیایی آن بسیار پیچیده و زمانبر است از مدل مداری شکل 1 جهت مدل سازی استفاده می شود. این مدل از دو خازن - , - و از سه مقاومت - , , - تشکیل شده است. خازن دارای کمترین میزان ظرفیت خازنی بوده و اثرات سطحی باطری توسط این خازن مدل میشود. خازن مولفه وابسته به مشخصههای شیمیایی و شارژ باطری بوده که بیشترین میزان ظرفیت را به خود اختصاص داده است، که سطح شارژ از روی ولتاژ این خازن تعیین میشود. مقاومتهای - , , - به ترتیب نشاندهنده مقاومت ترمینال، مقاومت پایانه و مقاومت خازنی هستند، , نیز به ترتیب ولتاژ خازن های , را نشان میدهند. رابطه 1 مدل ریاضی مدار شکل 1 را مدل میکند که وابستگی ولتاژ باطری را به المانهای داخلی آن نمایان میکند.[13]
شکل2 نمودار رفتار ولتاژ باطری را نسبت به تغییرات جریان در چهار محدودهی جریانی نشان میدهد، همانطور که از نمودار مشخص است در جریان بالا - منحنی - 2,0 CA ولتاژ ابتدا از سطح 4,2 V به سطح 3,7 V شدیدا کاهش یافته و سپس با یک شیب تند نسبت به حالتهای قبلی به سمت ولتاژ آستانه پایین - 2, 5 V - میل کرده است، این رویداد طول عمر و راندمان باطری را به شدت تحت تاثیر قرار داده و به آن آسیب می رساند که باید این محدوده کاری کنترل شود. پس از آشنایی با رفتار باطری نوبت به طراحی بسته باطری میرسد، در این آزمایش بر اساس جریان و ولتاژ نامی موتور، یک بسته باطری متشکل از 418 عدد سلول NCR-18650PF در 38 مجموعه 11تایی 11 - عدد سلول به صورت موازی - مورد استفاده قرار گرفته است، که بیشترین ولتاژ قابل ارائه آن 160 V ، کمترین آن120 V و بیشترین جریان قابل عرضه آن 30 A میباشد.
-3 روش پیشنهادی
با توجه به رفتار مدلسازی شده در بخش 2 جهت جلوگیری از کاهش طول عمر بسته باطری و افزایش راندمان کلی سیستم نیاز به یک واحد نظارتی و کنترلی به منظور قرار دادن نقطه کاری باطری در ناحیه ایمن و پربازده ضروری میباشد[14]، از اینرو یک سیستم حفاظت از باطری پیشنهاد شده است، این سیستم شامل دو بخش نرم افزاری و سخت افزاری میباشد که بر اساس نوع پارامترهای بسته باطری و اغتشاشات احتمالی طراحی میشود. در ادامه ابتدا پارامترهای سیستم معرفی و بعد از بررسی اغتشاش در سیستم، به طراحی سخت افزاری و نرم افزاری پرداخته شده است.
-1-3 پارامترهای سیستم
دو پارامتر اساسی در سیستم ارائه شده، جریان و ولتاژ بسته باطری میباشند. برای جریان و ولتاژ دو آستانه بالا و پایین تعریف میشود، و همانطور که اشاره شد در این آزمایش برای ولتاژ، میزان آستانه بالا 160 V و آستانه پایین 120 V میباشد، ولتاژ بیشتر از آستانه بالا را ولتاژ بیش از حد و ولتاژ کمتر از آستانه پایین را ولتاژ کمتر از حد و یا ولتاژ مرگ باطری مینامند .[15] برای جریان، فقط آستانه بالا مهم است چرا که تنها جریان بیش از حد میتواند برای باطری خطرآفرین باشد، در این آزمایش این جریان 30 A در نظر گرفته شده است. این دو پارامتر نقش اساسی را در طراحی سیستم کنترلی ایفا میکنند و تنها تغییر آنها است که میتواند سیستم حفاظت از باطری را تحریک کند. در واقع این دو پارامتر ورودیهای حلقه کنترلی را تشکیل میدهند که در قسمت طراحی نرم افزار مورد نیاز است. زمانی که هر یک از پارامترها از محدودهی تعریف شده توسط حلقه کنترلی تجاوز کنند سیستم بلافاصله آگاه شده و پس از درک علت به حل آن میپردازد. در بخش کنترلی محدودهای برای پارامترها تعریف شده است. که این محدوده برای ولتاژ، بین 125 V تا 158V و برای جریان، بین 0A تا 30 A میباشد. زمانی که ولتاژ از 158 V بیشتر و از 125 V کمتر شود و یا اگر جریان بیشتر از 30 A شود سیستم اقدامات لازم را جهت تنظیم پارامترها به محدوده مجاز انجام میدهد.
-2-3 اغتشاش در سیستم
اغتشاش در یک سیستم اغلب هنگامی رخ می دهد که بروز یک خطا ظرفیت توانی سیستم را کاهش دهد. بروز خطا میتواند ناشی از نقص فنی در مصرفکننده و یا بسته باطری باشد که بر روی پارامترهای سیستم تاثیرگذار خواهد بود. به طور مثال بروز خطا ممکن است باعث افت شدید و ناگهانی ولتاژ شود. اغلب، این افت ناگهانی هنگامی رخ می دهد که سیستم تامین کننده انرژی - باطری - دارای ذخیره توان کافی جهت رفع نیازهای بار مصرف کننده - موتور - نباشد. هر چقدر کمبود توان بیشتر باشد افتولتاژ نیز بیشتر خواهد بود. نهایتاً ولتاژ به نقطهای میرسد که بازگشت به حالت اولیه امکان پذیر نبوده و سیستم دچار فروپاشی میگردد که در باطری اصطلاحا مرگ باطری نامیده میشود، این واقعه می تواند بین 1 تا 5 دقیقه بعد از بروز خطا رخ دهد.[16] متغیرهای مختلفی میتوانند بر افت شدید ولتاژ تاثیر گذار باشند، برای مثال زوایا و شیب جاده در حین حرکت خودروی الکتریکی میتواند در افت ولتاژ موثر باشند. یک سیستم کنترلی محافظ بهینه میتواند با شناسایی اغتشاشات وارده بر سیستم از فروپاشی دائمی در بسته باطری جلوگیری کند. شکلهای 3 و 4 نمودارهای ولتاژ و جریان بسته باطری یک خودرو خورشیدی را نشان میدهد که در شرایط مختلف جادهای طی یک روز ثبت شده است.
