Liitiumakulaadijate intelligentse juhtimisstrateegia jõudlus energiatõhususe ja ohutuse osas

Abstraktne

Liitiumioonakud on kaasaegse energia salvestamise valdkonnas üliolulised. Alates nende kommertsialiseerimisest 1990. aastatel on materjaliteaduse ja inseneriteaduse edusammud suurendanud nende võimsust, ohutust ja eluiga. Liitium-ioonakude dünaamilised omadused on aga keerulised ja nõuavad täiustatud laadimis- ja juhtimisstrateegiaid, et optimeerida jõudlust, ohutust ja eluiga. Selles artiklis pakutakse välja liitium-ioonaku laadimise kolme täiustatud juhtimismeetodi võrdlev analüüs: tugevdusõpe, häguloogika juhtimine ja traditsiooniline proportsionaalne integraalne tuletis (PID) juhtimine. Traditsiooniliste laadimismeetodite puhul on aku dünaamilise keerukusega raske toime tulla, mille tulemuseks on kehv jõudlus. See artikkel kasutab MATLAB Simulinki simulatsiooni, et hinnata neid intelligentseid juhtimisstrateegiaid, et parandada laadimise tõhusust, kiirust ja aku kasutusaega. Tulemused näitavad, et tugevdusõppel on tugev kohanemisvõime, häguloogika suudab tõhusalt toime tulla mittelineaarsete probleemidega, PID-juhtimise jõudlus on usaldusväärne ja arvutusressursside nõuded on madalad.

1. Sissejuhatus

Liitiumioonakude piirangud võrreldes traditsiooniliste laadimismeetoditega:Liitiumioonakude eelisteks on kõrge energiatihedus, pikk kasutusiga ja madal isetühjenemise kiirus, mis muudavad täielikult energia salvestamise ja kasutamise viisi ning muutuvad üheks kaasaegse ühiskonna põhitehnoloogiaks. Kuid traditsioonilised konstantse voolu ja konstantse pinge (CC/CV) laadimismeetodid ei suuda sageli liitiumioonakude dünaamilise keerukusega toime tulla, mille tulemuseks on halb laadimisjõudlus ja aku jõudluse võimalik halvenemine aja jooksul.

Sissejuhatus intelligentse juhtimisstrateegiasse

Väljakutsete lahendamiseks võrreldakse ja analüüsitakse selles artiklis liitium-ioonaku laadimise kolme peamist intelligentset juhtimismeetodit: tugevdusõpe (RL), hägusloogika juhtimine (FL) ja traditsiooniline proportsionaalne integraaltuletis (PID) juhtimine.

RL-kontroller õpib optimaalset juhtimisstrateegiat akumudeli ja toiteelektroonika seadmetega suheldes, kasutades väikest signaalimudelit energiaelektroonikaseadmete lihtsustamiseks ja treeningprotsessi tõhustamiseks. Premeerimisfunktsioonil põhineva närvivõrgu treenimine, et karistada voolu ja pinge hüppeid stabiilsema laadimisprotsessi nimel, eesmärgiga kontrollida aku sisendpinget. Hinnates vastust mitme interaktsiooni kaudu ja maksimeerides preemia väärtust, jälgides samal ajal aku olekut, saab praeguse väärtuse ja agressiivsete juhtimistoimingute alusel anda preemiaid või karistusi. Võib leida, et saab välja töötada laadimisstrateegia, mis minimeerib laadimisaega, energiatarbimist ja aku lagunemist, tagades samas ohutu töö.

FL-kontroller pakub paindlikku ja intuitiivset viisi ekspertteadmiste ja heuristiliste reeglite integreerimiseks laadimisprotsessi, määratledes keelemuutujad, nagu laadimise olek, temperatuur ja laadimiskiirus, ning kehtestades järeldusreeglid. Projekteeriti kaks FL-kontrollerit, millest üks reguleerib pinget stabiilsuse säilitamiseks erinevatel laadimiskõveratel ja teine ​​reguleerib voolu, et vältida liigseid naelu ja säilitada stabiilsed väärtused, mis suudavad paremini toime tulla liitium-ioonakude dünaamika mittelineaarsuse ja loomupärase määramatusega. parandab laadimisjõudlust ja pikendab aku kasutusiga.

PID-kontroller suudab tasakaalustada selliseid tegureid nagu laadimisaeg, energiatõhusus ja aku tervisekaitse, reguleerides ja optimeerides laadimiskõverat.

2. Liitium-ioonakude laadimise juhtimisstrateegiate uurimismeetodid

MATLAB Simulinki simulatsiooniplatvormi eelised ja aku omadused:MATLAB Simulink pakub võimsat platvormi liitiumioonakude laadimissüsteemide analüüsimiseks ja optimeerimiseks. Liitiumioonakud on muutunud eelistatud valikuks mitmesugustes rakendustes tänu oma suurele energiatihedusele (tagab kõrge energia ja kaalu suhte, sobib kaasaskantavatele elektroonikaseadmetele ning piiratud ruumi ja kaaluga elektrisõidukitele), madalale isetühjenemiskiirusele (sobib pikaks ajaks tähtajaline energia salvestamine), täiustatud ringlussevõtu tehnoloogia ja väike keskkonnamõju (säästlikum ja keskkonnasõbralikum).

Keskmise väikese signaali muunduri modelleerimine:Liitium-ioonaku energiaülekandesüsteemide jaoks on vaja tõhusat disaini. Selles uuringus kasutatakse isoleeritud alalis-alalisvoolu muunduri ahelat (edasimuundur sarnaneb alalis-alalisvoolu muunduri topoloogiaga ja sisaldab trafot, mis tagab elektriisolatsiooni ja suurendab aku ohutust). Ahela käitumist iseloomustatakse teise järgu edastusfunktsioonina, kasutades väikese signaali mudeli kriteeriumi, ja madala signaali (madal Q) lähendust kasutatakse analüüsi lihtsustamiseks, mille tulemuseks on muunduri mudeli edastusfunktsioon, mis sisaldab toimimist ja teisendussuhet. Muundur simuleerib ideaalsete komponentide kasutamist tõhususe parandamiseks ja analüüsib kahte stsenaariumi: koormuseta ja liitium-ioonaku laadimisega. Koormatuseta tingimustes on ülekandefunktsioon ning muunduri pinge ja voolu trendid sarnased, kuid muunduri väljund võngub. Koormustingimustes seisneb peamine erinevus stabiliseerimisajas. Edastusfunktsiooni idealiseerimine paneb süsteemi kiiremini reageerima, kuid lõplik väljundväärtus on ühtlane ja ülekandefunktsiooni kasutamine võib simulatsiooni aega oluliselt lühendada.

Juhtimisarhitektuuri kirjeldus:Juhtimisstrateegia põhineb MATLAB Simulinki liitiumioonaku mudelil, mis pakub üksikasjalikke tehnilisi parameetreid aku jõudluse täpseks simuleerimiseks ja analüüsiks. CC/CV laadimisprotsess sisaldab voolu reguleerimise etappi (kus vool seatakse ohutule tasemele ja aku pinge tõuseb laadimisega, saavutades läve enne pinge reguleerimisetappi sisenemist) ja pinge juhtimise etappi (kus pinge jääb stabiilseks ja vool väheneb järk-järgult, kuni aku on täielikult laetud), mis võib vältida ülelaadimist, vähendada aku rõhku, vähendada ülekuumenemise ohtu ja pikendada aku eluiga. Hinnatud kontrollistrateegiad on kokku võetud tabelis 1 ja neid tutvustatakse üksikasjalikult hiljem.

Õppimise arhitektuuri tugevdamine:Tugevdusõppe kontroller õpib optimaalse strateegia süsteemiga suhtlemise kaudu selgeks, et käsitleda keerulist mittelineaarset dünaamikat. Võttes kasutusele näitlejakriitiku skeemi, valib näitlejate võrgustik tegevused ja kriitikute võrgustik hindab tegevusi tagasiside andmiseks. Pidevate tegevusruumide töötlemiseks kasutatakse pidevat Gaussi näitlejavõrku (CGAN) ja optimaalset strateegiat uuritakse Gaussi jaotusparameetrite väljastamise teel. Selle arhitektuur sisaldab mitut täielikult ühendatud kihti ja aktiveerimisfunktsioon on enamasti modifitseeritud lineaarse üksuse funktsioon (RELU). Tuginedes MATLAB-i tugevdusõppe tööriistakasti koolitusele, arvutatakse tasu funktsioon pingevea, juhtimistoimingute ja pinge vaatluste põhjal, et ergutada pinge hoidmist eeldatavas vahemikus ja karistada kõrvalekaldeid. Konstantide seadmisega tagatakse maksimaalne õppimisefekt ning maksimaalne keskmine tasu saavutatakse pärast 200 treeningringi. Aku aeglane reaktsioon muudab aga parameetrite häälestamise keeruliseks.

Hägune arhitektuur:Hägusad proportsionaalsed tuletised (PD) kontrollerid on tõhusamad süsteemi mittelineaarsuse ja määramatuse käsitlemisel kui traditsioonilised PD kontrollerid, kohandudes aku omaduste muutustega, et tagada stabiilne ja täpne pinge juhtimine. Hägune järeldussüsteem on konstrueeritud Sugeno skeemi abil, mille pinget juhib hägune PD ja voolu reguleerib hägune PD + I. Sisend töödeldakse vigade ja nende tuletiste käsitlemiseks normaliseeritud kolmnurkse liikmelisuse funktsioonide abil ning väljundit töödeldakse kolme Sugeno normaliseerimisfunktsiooni abil olekute käsitlemiseks. Sisendvahemikku piiratakse küllastumise vältimiseks ning sisend- ja väljundvahemikke muudetakse asjakohaste konstantidega.

Klassikaline PID arhitektuur:Klassikalist proportsionaalse integraalse tuletise (PID) kontrollerit kasutatakse selle lihtsuse, tõhususe ja usaldusväärse jõudluse tõttu aku laadimisel laialdaselt. Seda on lihtne rakendada ja häälestada ning see saab laadimistingimusi reaalajas reguleerida ja optimeerida. See ühendab pinge ja voolu täpseks reguleerimiseks proportsionaalsed, integraalsed ja tuletistoimingud. Sellel on tugev universaalsus ja see sobib erinevate aku- ja laadimisstsenaariumide jaoks. Sellel on madalad kulud ja vähesed arvutusressursinõuded ning see sobib manussüsteemide ja odava riistvararakenduse jaoks. Selle arhitektuur kasutab vastavalt pinge ja voolu juhtimiseks ainult kahte klassikalist kontrollerit (sisemine struktuur ei ole ruumipiirangu tõttu üksikasjalik).

3. Liitium-ioonaku laadimise kontrollistrateegia toimivuse hindamine

Kontrolleri parameetrite häälestamine:Õppimise tasu tugevdamise funktsioon määratakse heuristiliste meetoditega ja konstante kohandatakse korduvate katsetega, et saada (r1=200), (r2=-25), (p1=-10) ja ( p2=180). Hägukontroller (PD+I) reguleerib parameetreid käsitsi katse-eksituse meetodil, praeguste juhtimisparameetritega (P=20), (D=0. 00000 1), (I{{8) }}), ja (K_D=0.297) ning pinge juhtimise parameetrid (P=15), (D=0.0001) ja (K_D=0.315). PID-kontroller kasutab MATLAB PID Tuneri tööriista ja närvivõrku, et leida optimaalsed parameetrid, sealhulgas voolu juhtimine (P=15), (I {PID}=5), pinge juhtimine (P=22). .5), (I=4.9) ja (D {PID}=0.03).

Kontrolleri jõudluse analüüs

Hindamise aspekt:Hinda kontrolleri jõudlust pinge ja voolu reguleerimise täpsuse, reageerimisaja, stabiilsuse ja häirete vastu võitlemise osas.

Tugevdamise õppekontroller:Närvivõrgupõhine tugevdusõppe kontroller suudab saavutada stabiilse nimipinge ilma ülelöögita, kui vool on null (nagu on näidatud joonisel 5b). CC/CV juhtimise rakendamisel tekivad aga pingekõikumised olemasoleva voolu mittemõistmise tõttu, mille tulemuseks on ebastabiilne ja aku laadimise ajal vähenev vool. Laadimiskiirus on kõige kiirem, kuid esineb helina nähtus, mis võib kahjustada elektroonilisi komponente ja lühendada aku kasutusaega. Praktilistes rakendustes on jõudluse parandamiseks vaja arvestada ringlusvooluga.

Hägune kontroller:kavandatud säilitama stabiilset laadimist, pikema laadimis- ja stabiliseerimisajaga, kuid ilma voolu ja pinge juhtimise muundamise hüppeta (nagu on näidatud joonisel 5c). Kuigi see on ohutum, on see aeglasem ja seda saab optimeerida, kohandades järeldusreegleid.

PID-kontroller:See reageerib kiiresti vigadele, kuid sellel on märkimisväärsed häired ja ülevoolu nähtus pinge üleminekul voolule (nagu on näidatud joonisel 5b). Selle jõudlus on mõõdukas ja ei sõltu operaatori kogemustest.

Toimivusnäitajate analüüs:Analüüsige sisendi DC/DC muunduri pinge juhtimist, arvutage ruutkeskmise (RMS) väärtus ja leidke, et tugevdusõppe kontrolleri RMS väärtus on veidi kõrgem, mis näitab, et selle juhtimistegevus muutub oluliselt ja on tundlik väikesed muudatused. Kõigi kontrollerite aku voolu RMS-väärtuse hindamine andis tulemuseks konstantse väärtuse 0,3 A, mis näitab, et vaatamata juhtimisstrateegiate ja -toimingute erinevustele suutsid kõik kontrollerid hoida väljundvoolu eeldatavas vahemikus. . See tähendab, et kuigi tugevdusõppe kontrolleri pinge reguleerimise toimingud on väga erinevad, ei mõjuta see väljundvoolu stabiilsust ja järjepidevust, mis on süsteemi ohutuks ja tõhusaks tööks ülioluline.

4. Liitium-ioonaku laadimise kontrollistrateegia tulemuste arutelu

Kontrolleri simulatsiooni täitmise aeg ja väljundi varieeruvus:Tabelis 2 toodud tulemused saadi simulatsioonidest, kus iga kontroller oli konfigureeritud 6 sekundiks, kusjuures tugevdamise õppimise (RL) kontrolleril oli pikim täitmisaeg 21046 sekundit. Võrreldes teiste liitium-ioonakude pinge ja voolu reguleerimiseks kasutatavate kontrolleritega, on RL-kontrolleril suurem väljundi kõikumine ja isegi väikeste häirete korral võivad tekkida helinanähtused (kõrgsageduslikud võnkejuhtimistoimingud). Kui seda rakendatakse tegelikele toiteelektroonikatele, võib see põhjustada aku ja muunduri komponentide ülekuumenemist, anduri müra ja aku tööea lühenemist, kui pinge kõikumine on 0,02 V. Kontrolleri täiustamiseks ja vibratsiooni vähendamiseks saab kontrolleri väljundile lisada madalpääsfiltri, muuta närvivõrgu arhitektuuri või kasutada hübriidjuhtimismeetodit (nt PID või hägukontroller närvivõrgu väljundi reguleerimiseks). kasutatud.

Kontrolleri kohandatavus ja jõudlusnäitajad:RL-kontrolleritel on kõrge kohanemisvõime erinevate olukordadega, kuna need on häirete suhtes tundlikumad. Kuid väljundi muutused viitavad vajadusele lisada agentide koolitusse rohkem parameetreid, et parandada nende võimet kohaneda rohkemate stsenaariumitega, suurendada laadimise tõhusust ja vältida võimalikku ebastabiilsust. Hägusate kontrollerite eesmärk on vältida suuri voolutippe ja aeglast laadimiskiirust nende järeldusreeglite tõttu; PID-kontroller reageerib vigadele väljundsignaali muutmisega ja suudab kohaneda dünaamiliste muutustega.

Kontrolleri väljundi jõudluse hindamine:Kolme kontrolleri väljundvõimsuse hindamiseks kasutati ruutkeskmist (RMS) väärtust ja tulemused näitasid, et kõigi kontrollerite keskmine pinge oli sarnane aku nimipingega, mis on ülioluline ülelaadimise ja aku vältimise seisukohalt. ülekuumenemine. Voolujuhtimise osas suudavad kõik kontrollerid jõuda kontrollväärtuseni väga lühikese reageerimisajaga ja neil on hea taluvus väliste häirete suhtes. Pinge juhtimise osas võib kontroller jõuda pidevalt kontrollväärtuseni, vähendades laadimistsükli lõpuleviimiseks järk-järgult voolu, kuni see jõuab nullini. Siiski tuleb märkida, et RL-põhistel kontrolleritel võib laadimise viimases etapis esineda kergeid võnkumisi voolus, mis kõikuvad voolu väärtuse ja nulli vahel ning stabiilsuse parandamiseks võivad vaja minna täiendavaid reguleerimisi.

5. Kokkuvõte

PID kontroller

Eelised:Tuntud oma lihtsuse ja tõhususe poolest, toimib see hästi pinge ja voolu reguleerimisel ning suudab paljudes rakendustes pakkuda kiiret ja stabiilset reaktsiooni.

Puudus:Suhteliselt nõrk kohanemisvõime keeruliste aku dünaamiliste omadustega tegelemisel, mistõttu on raske saavutada väga dünaamilist optimeerimist.

Hägune kontroller

Eelised:Keelemuutujate ja järeldusreeglite määratlemisega integreeritakse kogemus juhtimisprotsessi, mis suudab paremini käsitleda aku mittelineaarsust ja ebakindlust, võimaldades süsteemil kohaneda konkreetsete olukordadega ja töötada stabiilselt erinevates töötingimustes. Järeldusreeglite kohandamine vastavalt rakenduse nõuetele võib laadimisjõudlust teatud määral optimeerida.

Puudused:Disain tugineb suuresti reeglitele ja kogemustele, arendus on keeruline ja laadimiskiirus on suhteliselt aeglane, mis ei pruugi rakendusstsenaariumides vastata kiirlaadimise kõrgetele nõuetele.

Tugevdusõppel põhinev kontroller

Eelised:See suudab õppida optimaalset strateegiat süsteemiga suhtlemise kaudu, sellel on tugev töötlemisvõime väikeste häirete korral, see suudab dünaamiliselt kohaneda muutuvate tingimustega, optimeerida pidevalt jõudlust ja on kõrge kohanemisvõimega erinevate koormustingimustega. Keeruliste ja pidevalt muutuvate akulaadimisstsenaariumide korral võib see tõhusalt parandada laadimise täpsust ja tõhusust, eriti sobides rakendustele, mis nõuavad suurt laadimispaindlikkust ja kohanemisvõimet.

Puudused:Nõuab suurt hulka arvutusressursse, pikka koolitusaega, näiteks pikim täitmisaeg selles uuringus. Koolitusprotsess on keeruline ja nõuab tasuliste funktsioonide hoolikat kavandamist ja närvivõrgu arhitektuuri kohandamist, vastasel juhul võivad tekkida ebastabiilsed nähtused, näiteks helinaprobleemid. Täpsuse parandamiseks on vaja keerukamat närvivõrgu arhitektuuri, mis suurendab veelgi arvutuskoormust ja simulatsiooni aega.