Εκτίμηση ισχύος και ενέργειας πολλαπλής κλίμακας για υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας μπαταρίας ιόντων λιθίου και υπερπυκνωτών
Η μπαταρία ιόντων λιθίου (LIBs) έχει γίνει μια από τις βέλτιστες επιλογές για συστήματα αποθήκευσης ενέργειας (ESS) σε πολλούς τομείς, όπως τα ηλεκτρικά οχήματα (EV) και τα μικροδίκτυα.
Ωστόσο, ένα ESS που εξαρτάται μόνο από μπαταρίες έχει πολλά μειονεκτήματα:(1) Για να καλύψει τη ζήτηση αιχμής ισχύος, η πυκνότητα ισχύος των μπαταριών πρέπει να είναι αρκετά υψηλή. Αν και έχουν αναπτυχθεί μπαταρίες με υψηλή πυκνότητα ισχύος, το κόστος είναι πολύ υψηλότερο από τις κοινές. (2) Η βελτίωση ισχύος του ESS απαιτεί μπαταρίες μεγάλης κλίμακας και υψηλό ρεύμα εκφόρτισης, επομένως, οι μπαταρίες είναι πιο πιθανό να υποφέρουν από θερμική αστοχία, υπερβολική εκφόρτιση και άλλες βλάβες.
Από τη μία πλευρά, η θερμοκρασία θα πρέπει να ελέγχεται αυστηρά για να διασφαλίζεται η ασφάλεια υπό συνθήκες υψηλής ισχύος. Από την άλλη πλευρά, οι μεγάλοι χρόνοι λειτουργίας με ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης υψηλής ταχύτητας θα προκαλέσουν επιτάχυνση της γήρανσης και απώλεια χωρητικότητας. (3) Σε ορισμένες εφαρμογές (π.χ. EV, HEV, κ.λπ.), οι μπαταρίες συνήθως υποφέρουν από συχνή φόρτιση και αποφόρτιση, γεγονός που έχει δυσμενή επίδραση στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας. Προκειμένου να βελτιωθεί η λειτουργία του ESS, οι υπερπυκνωτές έχουν σχεδιαστεί για να ενσωματώνονται με μπαταρίες ως buffer, γεγονός που καθιστά αυτό το υβριδικό σύστημα αποθήκευσης ενέργειας (HESS) πιο ανθεκτικό στο χειρισμό των ρευμάτων υπέρτασης.
Στο LIB/υπερπυκνωτή HESS, ο υπερπυκνωτής παρέχει γρήγορη και αποτελεσματική παραγωγή ενέργειας λόγω της υψηλής πυκνότητας ισχύος και της υψηλής απόδοσης. Ωστόσο, οι υπερπυκνωτές έχουν χαμηλή ενεργειακή πυκνότητα, καθώς αποθηκεύουν ενέργεια μόνο με αντιδράσεις επιφανειακής προσρόφησης φορτισμένων ειδών σε υλικό ηλεκτροδίου. Ευτυχώς, το LIB έχει συμπληρωματικά χαρακτηριστικά με υψηλή ενεργειακή πυκνότητα αλλά σχετικά χαμηλή πυκνότητα ισχύος. Αυτός ο υβριδισμός θεωρείται καλύτερη χρήση από την ατομική χρήση LIB ή υπερπυκνωτών και παρέχει μεγάλο πλεονέκτημα σε σχέση με τις δύο συσκευές.
Για να εξασφαλιστεί η ασφαλής λειτουργία του HESS, είναι απαραίτητο ένα σύστημα διαχείρισης ενέργειας για την παροχή έξυπνων λειτουργιών, συμπεριλαμβανομένης της ακριβούς εκτίμησης καταστάσεων, της θερμικής διαχείρισης, της διάγνωσης σφαλμάτων κ.λπ. -Η φόρτιση και η υπερεκφόρτιση, η ακριβής και σε πραγματικό χρόνο εκτίμηση της ικανότητας ισχύος και της μέγιστης ενέργειας φόρτισης και εκφόρτισης είναι ζωτικής σημασίας και απαραίτητες στο σύστημα διαχείρισης ενέργειας.
Σε αυτή την εργασία, παρουσιάζεται μια προσέγγιση βασισμένη σε μοντέλα πολλαπλής κλίμακας ισχύος και πρόβλεψης μέγιστης ενέργειας φόρτισης/εκφόρτισης (βλ. εικ. 1). Επεξεργάζεται μια ρητή ανάλυση της ικανότητας ισχύος και της μέγιστης πρόβλεψης ενέργειας φόρτισης/εκφόρτισης με πολλαπλούς περιορισμούς όπως ρεύμα, τάση και κατάσταση φόρτισης (SOC). Προκειμένου να ξεπεραστούν τα σφάλματα εκτίμησης που προκαλούνται από τους θορύβους των αισθητήρων, το εκτεταμένο φίλτρο Kalman χρησιμοποιείται για την ικανότητα ισχύος και την πρόβλεψη ενέργειας. Η ικανότητα φόρτισης και εκφόρτισης και η μέγιστη ενέργεια φόρτισης και εκφόρτισης αξιολογούνται ποσοτικά βάσει διαφορετικών χρονοδιαγραμμάτων δυναμικού χαρακτηρισμού.
Στο πρώτο μέρος της ανάλυσης αναπτύσσεται το πλαίσιο μοντέλου του υβριδικού συστήματος LIB και υπερπυκνωτών, το οποίο αποτελείται από τρία μέρη:το LIB, τον υπερπυκνωτή και τον μετατροπέα DC/DC. Στη συνέχεια, εισάγεται το μαθηματικό εργαλείο για την αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου. Ο αλγόριθμος βάσει δεδομένων της μεθόδου αναδρομικών ελαχίστων τετραγώνων με παράγοντα λήθης εξηγείται λεπτομερώς.
Στο δεύτερο μέρος της ανάλυσης, η πρόβλεψη ικανότητας ισχύος σε πολλαπλές χρονικές κλίμακες λαμβάνοντας υπόψη πολλαπλούς περιορισμούς έχει συζητηθεί τόσο για τους LIBs όσο και για τους υπερπυκνωτές. Στην εκτίμηση της ικανότητας ισχύος, μία από τις εστίες είναι η εκτίμηση κατάστασης του SOC. Δεδομένου ότι το φίλτρο Kalman έχει εφαρμοστεί εκτενώς στο πεδίο της εκτίμησης κατάστασης του συστήματος, το οποίο παρέχει έναν αποτελεσματικό αναδρομικό τρόπο για την πρόβλεψη παραμέτρων, το φίλτρο Kalman χρησιμοποιείται για την πρόβλεψη ισχύος. Τέλος, η μέγιστη ενέργεια φόρτισης/εκφόρτισης για τα LIB και τους υπερπυκνωτές υπολογίζεται με βάση τα αποτελέσματα πρόβλεψης ικανότητας ισχύος.
Στο τελευταίο μέρος της ανάλυσης, για την επικύρωση της ακρίβειας των αναπτυγμένων μοντέλων και της ευρωστίας της προτεινόμενης μεθόδου πρόβλεψης ισχύος και ενέργειας, πραγματοποιούνται τα πειράματα επικύρωσης κάτω από διαφορετικά χρονοδιαγράμματα δυναμικού χαρακτηρισμού και αναλύονται τα αποτελέσματα. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι οι ακριβείς προβλεπόμενες τιμές τάσης μπορούν να ληφθούν από τα παρουσιαζόμενα μοντέλα και τον αλγόριθμο αναγνώρισης παραμέτρων. Συγκρίνεται η μέγιστη ενέργεια φόρτισης και εκφόρτισης με διαφορετικές χρονικές κλίμακες τόσο για τα LIB όσο και για τον υπερπυκνωτή. Από τα αποτελέσματα, μπορούμε να συμπεράνουμε ότι η πρόβλεψη με μικρές χρονικές κλίμακες έχει μικρότερες απόλυτες τιμές μέγιστης ενέργειας φόρτισης και εκφόρτισης, πράγμα που σημαίνει ότι η εκτίμηση της μέγιστης ενέργειας φόρτισης και εκφόρτισης για μεγάλο χρονικό διάστημα δεν είναι κατάλληλη για μακροχρόνιες εφαρμογές, διαφορετικά η μπαταρία θα είναι υπερβολική φορτισμένο ή υπερβολικά αποφορτισμένο.
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Multi-timescale Power and Energy Assessment of Lithium-ion Battery and Supercapacitor Hybrid System using Extended Kalman Filter, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Journal of Πηγές ενέργειας . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Yujie Wang, Xu Zhang, Chang Liu, Rui Pan και Zonghai Chen από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας.
