در سامانههای ذخیرهسازی انرژی مبتنی بر باتریهای لیتیوم-یون، یکی از چالشهای مهم بهرهبرداری و افزایش طول عمر باتری، ایجاد عدم تعادل میان سلولهای مختلف یک ماژول یا بسته باتری است. به دلیل تفاوتهای ذاتی در فرآیند تولید، ظرفیت واقعی سلولها، مقاومت داخلی، شرایط حرارتی و همچنین نحوه شارژ و دشارژ، سلولهای یک بسته باتری به مرور زمان دارای مقادیر متفاوتی از وضعیت شارژ (State of Charge یا SOC) میشوند. این اختلاف میتواند باعث کاهش ظرفیت قابل استفاده مجموعه، افزایش تنش حرارتی و الکتریکی و در نهایت کاهش عمر مفید سیستم ذخیرهسازی انرژی شود.
در این شبیهسازی، نحوه پیادهسازی یک روش بالانس سلولی غیرفعال برای یک بسته باتری لیتیوم-یون مورد بررسی قرار میگیرد. هدف اصلی این فرآیند کاهش اختلاف وضعیت شارژ میان سلولها و رساندن آنها به مقادیر تقریباً یکسان است. الگوریتم بالانس زمانی فعال میشود که بسته باتری در حالت بدون بار قرار داشته باشد و اختلاف وضعیت شارژ میان سلولها از یک مقدار آستانه از پیش تعیینشده بیشتر شود.
مروری بر ساختار مدل
مدل مورد استفاده شامل یک ماژول باتری لیتیوم-یون است که از چندین سلول متصل به صورت سری و موازی تشکیل شده است. این ساختار امکان شبیهسازی رفتار الکتریکی و حرارتی مجموعه باتری را فراهم میکند. کاربر میتواند پیش از اجرای شبیهسازی، تعداد سلولهای سری و موازی را مشخص کرده و همچنین نوع سلولهای مورد استفاده را انتخاب کند.
در این مدل چهار نوع مختلف سلول قابل انتخاب هستند:
- سلول کیسهای (Pouch)
- سلول قوطیشکل (Can)
- سلول استوانهای فشرده (Compact Cylindrical)
- سلول استوانهای معمولی (Regular Cylindrical)
در این شبیهسازی، ماژول باتری از ده سلول کیسهای تشکیل شده است که به صورت سری به یکدیگر متصل شدهاند. این آرایش یکی از پیکربندیهای رایج در بستههای باتری مورد استفاده در خودروهای الکتریکی و سامانههای ذخیرهسازی انرژی محسوب میشود.
درگاههای ورودی و خروجی ماژول باتری
ماژول باتری دارای چندین درگاه ورودی و خروجی است که امکان کنترل و پایش عملکرد سیستم را فراهم میکنند. خروجی SOC اطلاعات مربوط به وضعیت شارژ هر سلول را ارائه میدهد. خروجی Temp نیز دمای هر سلول را در طول شبیهسازی نمایش میدهد.
درگاه Amb برای تعیین دمای محیط استفاده میشود و شرایط حرارتی خارجی را به مدل اعمال میکند. همچنین دو ترمینال الکتریکی مثبت و منفی با نامهای pos و neg برای اتصال ماژول به مدارهای خارجی در نظر گرفته شدهاند.
از سوی دیگر، ورودی FlwR نرخ جریان سیال خنککننده را تعیین میکند و ورودی FlwT دمای ورودی سیال خنککننده را مشخص مینماید. ورودی SW نیز وضعیت کلیدهای مورد استفاده در مدار بالانس سلولی را تعیین میکند و مشخص میسازد که هر مقاومت بالانس در مدار قرار بگیرد یا از مدار خارج شود.
پارامترهای اصلی مدل باتری
برای دستیابی به یک مدل دقیق، مجموعهای از پارامترهای الکتریکی، حرارتی و هندسی برای سلولها تعریف میشوند. یکی از مهمترین این پارامترها بردار دما است که محدوده دماهای مورد استفاده در جدولهای مشخصه باتری را تعیین میکند.
ظرفیت نامی سلول نیز در قالب پارامتر Single Cell Ahr Rating تعریف میشود. این ظرفیت میتواند تابعی از دما باشد و برای هر نقطه دمایی مقدار متفاوتی داشته باشد.
بردار وضعیت شارژ یا SOC محدودهای از مقادیر بین صفر تا یک را مشخص میکند که پارامترهای الکتریکی سلول بر اساس آن تعریف شدهاند. ولتاژ مدار باز سلول، مقاومت اهمی داخلی، مقاومت قطبش و ثابت زمانی نیز به صورت ماتریسهایی وابسته به دما و وضعیت شارژ تعریف میشوند.
مدل همچنین ویژگیهای حرارتی سلول از جمله جرم حرارتی، هدایت حرارتی و ضریب انتقال حرارت به محیط را در نظر میگیرد. این پارامترها نقش مهمی در پیشبینی رفتار دمایی باتری در شرایط کاری مختلف ایفا میکنند.
ویژگیهای هندسی سلولها
بسته به نوع سلول انتخابی، ابعاد هندسی متفاوتی برای مدل تعریف میشود. برای سلولهای کیسهای و قوطیشکل، پارامترهایی مانند ارتفاع، عرض و ضخامت مورد استفاده قرار میگیرند. در مقابل، برای سلولهای استوانهای پارامتر قطر سلول تعریف میشود.
در صورت استفاده از سلولهای استوانهای، تعداد سلولهای قرارگرفته در یک ردیف نیز مشخص میشود تا ساختار فیزیکی ماژول به شکل مناسبی مدلسازی گردد.
مدلسازی مقاومتهای جانبی
در یک بسته باتری واقعی، مقاومتهای متعددی در مسیر جریان وجود دارند که شامل مقاومت زبانههای اتصال سلول، باسبارها، کابلها و نقاط جوش میشوند. برای مدلسازی این اثرات، پارامتری تحت عنوان مقاومت کل تجهیزات جانبی تعریف شده است.
این مقاومت مجموع تمامی مقاومتهای موجود در مسیر جریان را نمایش داده و در محاسبات افت ولتاژ و تولید حرارت مورد استفاده قرار میگیرد.
مکانیزم بالانس سلولی غیرفعال
یکی از مهمترین بخشهای این شبیهسازی، پیادهسازی مکانیزم بالانس سلولی غیرفعال است. در این روش از مقاومتهای موازی با سلولها استفاده میشود تا انرژی اضافی سلولهایی که دارای وضعیت شارژ بالاتری هستند به صورت حرارت تلف شود.
هنگامی که اختلاف وضعیت شارژ میان سلولها از حد تعیینشده فراتر رود، الگوریتم کنترلی فعال میشود. در این شرایط کلید مربوط به سلولهایی که دارای وضعیت شارژ بالاتر هستند بسته شده و مقاومت بالانس در مدار قرار میگیرد.
عبور جریان از این مقاومت باعث تخلیه تدریجی سلولهای دارای شارژ بیشتر میشود. این فرآیند تا زمانی ادامه پیدا میکند که وضعیت شارژ تمامی سلولها به مقادیر تقریباً یکسان برسد.
در این مدل، گزینه Cell Balancing روی حالت Passive تنظیم شده است. پس از انتخاب این گزینه، پارامترهای زیر در دسترس قرار میگیرند:
- مقدار مقاومت بالانس
- مقاومت کلید در حالت بسته
- هدایت کلید در حالت باز
- آستانه عملکرد کلید
این پارامترها رفتار دقیق مدار بالانس را تعیین میکنند و نقش مهمی در سرعت و دقت فرآیند بالانس دارند.
مدل خنککاری باتری
به منظور شبیهسازی دقیق شرایط حرارتی، مدل از یک سیستم خنککاری نیز پشتیبانی میکند. نرخ انتقال حرارت میان سلولها و سیال خنککننده به صورت یک جدول سهبعدی تعریف میشود که تابع دما، نرخ جریان سیال و موقعیت سلول در ماژول است.
این اطلاعات معمولاً از تحلیلهای پیشرفتهای مانند دینامیک سیالات محاسباتی استخراج میشوند. در این شبیهسازی، نرخ انتقال حرارت مؤثر برابر صفر در نظر گرفته شده است تا تمرکز اصلی بر روی عملکرد الگوریتم بالانس سلولی باشد.
تنظیمات اولیه شبیهسازی
در ابتدای شبیهسازی، دمای محیط برابر با 25 درجه سانتیگراد در نظر گرفته شده است. همچنین هیچ جریان خارجی از بسته باتری عبور نمیکند و سیستم در حالت بدون بار قرار دارد.
وضعیت شارژ اولیه سلولها یکسان نیست. سلول اول دارای کمترین مقدار وضعیت شارژ بوده و نسبت به سایر سلولها دچار عدم تعادل است. این شرایط اولیه به گونهای انتخاب شدهاند که عملکرد الگوریتم بالانس به وضوح قابل مشاهده باشد.
علاوه بر این، مقدار نرخ جریان خنککننده FlwR برابر با 0.001 تنظیم شده است که نشاندهنده حداقل میزان جریان سیال است. ورودی FlwT نیز مقدار صفر دارد و بنابراین دمای سیال ورودی با دمای محیط برابر خواهد بود.
الگوریتم کنترلی بالانس سلولها
الگوریتم کنترلی به صورت مداوم وضعیت شارژ تمامی سلولها را پایش میکند. زمانی که اختلاف حداقل وضعیت شارژ میان سلولها از مقدار 0.05 درصد بیشتر شود و بسته باتری در حالت بدون بار قرار داشته باشد، فرآیند بالانس آغاز میشود.
در این مرحله، تمامی سلولها به جز سلولی که کمترین وضعیت شارژ را دارد، وارد فرآیند تخلیه از طریق مقاومتهای بالانس میشوند. در نتیجه، سلولهای پرشارژتر به تدریج انرژی خود را از دست میدهند و وضعیت شارژ آنها به سلول ضعیفتر نزدیک میشود.
این فرآیند بدون نیاز به انتقال مستقیم انرژی میان سلولها انجام میشود و به همین دلیل به عنوان روش بالانس غیرفعال شناخته میشود.
نتایج شبیهسازی
نتایج حاصل از ثبت دادههای Simscape نشان میدهد که جریان باتری در طول فرآیند تقریباً صفر باقی میماند زیرا بسته باتری در حالت بدون بار قرار دارد. با این حال، جریانهای کوچکی از طریق مقاومتهای بالانس عبور میکنند که باعث تخلیه تدریجی سلولهای دارای شارژ بیشتر میشود.
نمودار وضعیت شارژ سلولها نشان میدهد که اختلاف میان سلولها به تدریج کاهش پیدا کرده و تمامی سلولها به سمت یک مقدار مشترک همگرا میشوند. همچنین نمودار اختلاف حداکثر وضعیت شارژ کاهش پیوسته عدم تعادل موجود در بسته باتری را نمایش میدهد.
سیگنالهای کنترلی کلیدها نیز عملکرد صحیح الگوریتم را تأیید میکنند. تمامی سلولها به جز سلول اول که دارای کمترین وضعیت شارژ است، کلید بالانس فعال دارند و انرژی اضافی خود را از طریق مقاومتهای موازی تخلیه میکنند.
بر اساس نتایج شبیهسازی، تمامی سلولهای ماژول در زمانی کمتر از 2400 ثانیه، معادل حدود 45 دقیقه، به مقادیر تقریباً یکسانی از وضعیت شارژ میرسند. این نتیجه نشاندهنده عملکرد موفق الگوریتم بالانس سلولی غیرفعال در کاهش اختلاف شارژ میان سلولهای بسته باتری است.
جمعبندی
این شبیهسازی نحوه پیادهسازی و ارزیابی یک سیستم بالانس سلولی غیرفعال برای بسته باتری لیتیوم-یون را نشان میدهد. استفاده از مقاومتهای بالانس و یک الگوریتم کنترلی ساده باعث میشود اختلاف وضعیت شارژ میان سلولها به تدریج از بین برود و عملکرد کلی باتری بهبود یابد.
مدل ارائهشده علاوه بر رفتار الکتریکی، اثرات حرارتی، ویژگیهای هندسی سلولها، سیستم خنککاری و تغییرات پارامتری را نیز در نظر میگیرد و بستری مناسب برای تحلیل و توسعه سامانههای مدیریت باتری در کاربردهای صنعتی، خودروهای الکتریکی و ذخیرهسازی انرژی فراهم میسازد.
همه چیز، یکجا، آماده دانلود!
لینک دانلود ویژه اعضا سایت
