ایکٹو بیٹری بیلنسنگ: موثر بیٹری مینجمنٹ سسٹم کی بنیادی ڈرائیونگ فورس کا تجزیہ

خلاصہ

الیکٹرک گاڑیوں کے میدان میں، بیٹری مینجمنٹ سسٹمز (BMS) کی کارکردگی اور بیٹریوں کی موثر زندگی کلیدی تحفظات ہیں۔ بیٹری پیک کی سروس لائف کو بہتر بنانے کے لیے، وقتاً فوقتاً بیٹریوں میں توازن رکھنا ضروری ہے۔ روایتی طور پر، بیٹری بیلنسنگ بنیادی طور پر غیر فعال توازن ٹیکنالوجی پر انحصار کرتی ہے، جو بیٹریوں کے درمیان توازن حاصل کرنے کے لیے اضافی توانائی کو تھرمل توانائی میں تبدیل کرتی ہے۔ تاہم، یہ طریقہ نہ صرف گرمی کے انتظام کے مسائل کا باعث بنتا ہے، بلکہ بیٹری پیک کی مجموعی کارکردگی کو بھی کم کر دیتا ہے۔

یہ مضمون ایک جدید فعال توازن کی حکمت عملی تجویز کرتا ہے جو BMS کی کارکردگی کو بہتر بنانے کے لیے Kalman فلٹر الگورتھم کا استعمال کرتا ہے، مؤثر طریقے سے غیر فعال توازن ٹیکنالوجی کی خامیوں کو دور کرتا ہے۔ بنیادی مقصد ایک ایسا نظام بنانا ہے جو بیٹری کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ کو یکساں طور پر منظم کر سکے، اس طرح بیٹری کی عمر میں اضافہ ہو۔ سسٹم نے ایک فعال بیلنسنگ سرکٹ ڈیزائن کیا ہے جو ہر بیٹری کی حالت کا درست اندازہ لگانے کے لیے کلمان فلٹر الگورتھم کا استعمال کرتا ہے اور اس کی بنیاد پر بہترین چارجنگ اور ڈسچارج کرنٹ کا حساب لگاتا ہے، تاکہ بیٹریوں کے درمیان موثر توازن حاصل کیا جا سکے۔

تحقیقی پس منظر، منصوبہ اور نتائج

1. تحقیقی پس منظر اور محرک

الیکٹرک گاڑیوں کی ترقی کا پس منظر اور بیٹری مینجمنٹ سسٹم کی اہمیت: آٹوموبائل سے نکلنے والے اخراج کی وجہ سے ماحولیاتی آلودگی اور ایندھن کی قیمتوں میں اضافے پر عالمی توجہ الیکٹرک گاڑیوں کی تعیناتی کی ضرورت کو اجاگر کرتی ہے۔ بیٹری مینجمنٹ سسٹمز (BMS) کی اختراع نے برقی گاڑیوں کو مستقبل کی نقل و حمل کے لیے ایک طاقتور امیدوار بنا دیا ہے، لیکن BMS کے پاس اب بھی کارکردگی اور بھروسے کو بڑھانے کے لیے بہتری کے لیے بہت سے شعبے باقی ہیں۔

بیٹری مینجمنٹ سسٹم کے اہم عناصر اور چیلنجز

SOC اور SOH تخمینہ کی اہمیت: BMS کے قابل بھروسہ اور موثر آپریشن کے لیے بیٹری کے چارج کی حالت (SOC) اور صحت کی حالت (SOH) کا درست اندازہ لگانا بہت ضروری ہے۔ SOC بیٹری کی دستیاب صلاحیت کو اس کی پوری طرح سے چارج ہونے والی حالت کے مطابق ماپتا ہے، جب کہ SOH بیٹری کی عمر بڑھنے کی ڈگری کی نشاندہی کرتا ہے، جو کہ موجودہ مکمل چارج شدہ حالت اور مینوفیکچرنگ ریاست کے درمیان توانائی ذخیرہ کرنے کی صلاحیت میں فرق کو ظاہر کرتا ہے۔

بیٹری پیک ڈیزائن میں چیلنج اور توازن کے تقاضے: ایک محفوظ اور توانائی کی بچت کرنے والے بیٹری پیک کو ڈیزائن کرنا انتہائی مشکل کام ہے، کیونکہ اس کے لیے سینکڑوں وولٹ ڈی سی وولٹیج اور سینکڑوں کلو واٹ پاور کی ضرورت ہوتی ہے، جس میں سیریز اور متوازی بیٹریوں کی ایک بڑی تعداد شامل ہوتی ہے۔ تاہم، مینوفیکچرنگ کے نقائص اور عمر بڑھنے کی وجہ سے، بیٹری کے پیرامیٹرز آپس میں نہیں ملتے، جس سے بیٹری پیک کی موثر صلاحیت کم ہو جاتی ہے۔ لہذا، ہر بیٹری کی توانائی کو مکمل طور پر استعمال کرنے کے لیے BMS اور ایکسٹرنل بیلنسنگ سرکٹس کی ضرورت ہے۔ بیٹری بیلنسنگ سرکٹس کو غیر فعال اور فعال توازن میں تقسیم کیا گیا ہے۔ غیر فعال توازن بیٹری کی توانائی کو شنٹ ریزسٹرس کے ذریعے تھرمل انرجی میں تبدیل کرتا ہے تاکہ زیادہ چارجنگ کو روکا جا سکے، جبکہ فعال توازن بیٹریوں کے درمیان براہ راست توانائی کی منتقلی کے لیے DC/DC کنورٹرز یا پاور ٹرانسفر کے دیگر طریقوں کا استعمال کرتا ہے۔ ایک فعال بیلنسنگ سرکٹ کو لاگو کرنے سے بیٹری پیک کی حفاظت، استحکام، چارجنگ اور ڈسچارج کی کارکردگی اور توانائی کے استعمال کی کارکردگی کو بہتر بنایا جا سکتا ہے۔

2. ایک منصوبہ تجویز کریں۔

مجموعی طور پر فن تعمیر اور کام کا اصول: مجوزہ اسکیم آرکیٹیکچر (تصویر 1 دیکھیں) میں SOC تخمینہ (توسیع شدہ کلمان فلٹر الگورتھم کا استعمال کرتے ہوئے)، BMS کنٹرولر، اور فعال مساوات سرکٹ شامل ہیں۔ کنٹرولر ہر بیٹری کے SOC کو محسوس کرتا ہے اور اعلی SOC بیٹریوں سے کم SOC بیٹریوں میں چارج منتقل کرنے کے لیے ایکٹو بیلنسنگ سرکٹ کو سگنل بھیجتا ہے، بالآخر بیٹری پیک میں ہر بیٹری کے چارج کو متوازن کرتا ہے۔

SOC تخمینہ کا طریقہ

توسیعی کالمن فلٹر الگورتھم کا عمل: ایس او سی تخمینہ توسیعی کالمن فلٹر الگورتھم کو اپناتا ہے، جو ایک بار بار چلنے والا عمل ہے جو آلہ اور تخمینہ میں شور اور غلطیوں پر غور کرتا ہے۔ سب سے پہلے، بیٹری کی مختلف صفات اور ان کے انحصار کا تعین کریں، اور بیٹری کے مساوی سرکٹ ماڈل کو ڈیزائن کرنے کے لیے ایک lumped پیرامیٹر ماڈل استعمال کریں۔

کرچوف کے وولٹیج قانون (KVL) کا استعمال کرتے ہوئے سرکٹ کا تجزیہ کرتے ہوئے، ٹرمینل وولٹیج کی مساوات اخذ کی گئی ہے:

بیٹری SOC اور سرکٹ کرنٹ کے درمیان تعلق کی بنیاد پر RC برانچ مساوات اخذ کرنے کے لیے کرچوف کے موجودہ قانون (KCL) کا اطلاق:

ایک مسلسل ٹائم سٹیٹ اسپیس ماڈل قائم کریں، پھر اسے ڈسکریٹ ٹائم سٹیٹ اسپیس ماڈل میں تبدیل کریں (کوریلیشن میٹرکس اور ویکٹرز پر کارروائی کرنے کے لیے بند فارم ڈسکریٹائزیشن فارمولے کا استعمال کرتے ہوئے)، اور آخر میں SOC تخمینہ کے لیے Kalman فلٹر الگورتھم کا اطلاق کریں (بشمول ریاستی مساوات اور پیمائش کی مساوات، شور ایک آزاد صفر مطلب گاوسی عمل ہے، حساب میں وقت کی تازہ کاری اور پیمائش کی تازہ کاری شامل ہے اقدامات)۔

بک بوسٹ کنورٹر کا اصول: ایک بک بوسٹ کنورٹر ایک DC-DC کنورٹر ہے، اور آؤٹ پٹ وولٹیج ان پٹ وولٹیج سے کم یا زیادہ ہو سکتا ہے۔ جب سوئچ آن ہوتا ہے (MOSFET بند، ڈائیوڈ آف)، انڈکٹر توانائی کو ذخیرہ کرتا ہے۔ جب سوئچ آف کر دیا جاتا ہے (MOSFET بند کر دیا جاتا ہے، ڈایڈڈ آن کیا جاتا ہے)، انڈکٹر لوڈ پر توانائی جاری کرتا ہے، اور آؤٹ پٹ وولٹیج بڑھ جاتا ہے۔ اس کے ورکنگ موڈ کو دو صورتوں میں تقسیم کیا گیا ہے۔

ایکٹو بیلنسنگ سرکٹ کا ورکنگ میکانزم: ایکٹو بیلنسنگ سرکٹ میں، کنٹرولر بیٹریوں کے درمیان SOC کے عدم توازن کو محسوس کرتا ہے، چارج ٹرانسفر کی سمت کا تعین کرتا ہے، اور سوئچ کو کنٹرول کرنے کے لیے PWM سگنل بھیجتا ہے۔ اگر کنٹرولر کو پتہ چلتا ہے کہ اوپر کی بیٹری N کو نیچے کی بیٹری N-1 میں توانائی منتقل کرنے کی ضرورت ہے، تو یہ سوئچ S2N کو سگنل بھیجتا ہے۔ انڈکٹر کے زیادہ سے زیادہ قدر تک توانائی ذخیرہ کرنے کے بعد، سوئچ بند ہو جاتا ہے، انڈکٹر وولٹیج کو الٹ دیا جاتا ہے، اور ڈایڈڈ D_N-1 کو آگے بڑھایا جاتا ہے۔ توانائی کو ڈایڈڈ کے ذریعے N-1 بیٹری میں منتقل کیا جاتا ہے، اور اس کے برعکس۔

3. نقلی نتائج

SOC تخمینہ الگورتھم کی توثیق: Matlab میں، توسیع شدہ Kalman فلٹر الگورتھم کے ذریعے تخمینہ لگایا گیا SOC وقت کے منحنی خطوط کے ساتھ اصل SOC سے مطابقت رکھتا ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ بیٹری SOC کا تخمینہ لگانے کے لیے الگورتھم کا کامیابی سے استعمال کیا گیا ہے۔

ایکٹو بیلنسنگ سرکٹ کی افادیت کا اندازہ: بک بوسٹ کنورٹر کے ساتھ ایک فعال بیلنسنگ سرکٹ کے متلاب سمولیشن ماڈل کا استعمال کرتے ہوئے، اوپری اور زیریں بیٹریوں کی ابتدائی SOC بالترتیب 23% اور 20% پر سیٹ کی گئی تھی۔ تخروپن کے بعد، بالترتیب 21.39% اور نچلی بیٹریوں کا حتمی متوازن SOC بالترتیب 21.39% اور 21.4% تھا، جو ابتدائی اوسط SOC کے قریب تھا اور کامیابی کے ساتھ چارج بیلنسنگ حاصل کر لی۔ انڈکٹنس ویلیو، سائیکل، اور ڈیوٹی سائیکل جیسے پیرامیٹرز کو تبدیل کرنے سے، یہ پتہ چلا کہ بیلنسنگ ٹائم اور فائنل بیلنسنگ SOC کے درمیان ٹریڈ آف ہے۔ مثال کے طور پر، جب انڈکٹنس ویلیو کم ہوتی ہے، سائیکل بڑھ جاتا ہے، یا ڈیوٹی سائیکل تبدیل ہوتا ہے، بیلنس کا وقت اور حتمی SOC اس کے مطابق بدل جائے گا۔ خاص طور پر، انڈکٹنس ویلیو جتنی چھوٹی ہوگی، سائیکل اتنا ہی بڑا ہوگا، اور ڈیوٹی سائیکل ایک مخصوص حد کے اندر تبدیل ہوگا، بیلنس کا وقت اتنا ہی کم ہوگا، لیکن حتمی SOC بھی کسی حد تک متاثر ہوگا۔

خلاصہ

ایکٹیو بیلنسنگ ٹیکنالوجی پر تحقیق: یہ مضمون بیٹری پیک میں واحد بیٹری چارج لیول بیلنس کی ایکٹیو بیلنسنگ ٹیکنالوجی پر فوکس کرتا ہے۔ پروجیکٹ کی تکمیل کے دوران، ایک فعال بیلنسنگ سرکٹ ڈیزائن کیا گیا تھا اور متوقع نتائج حاصل کرنے کے لیے سرکٹ سمولیشن کا انعقاد کیا گیا تھا۔

SOC تخمینہ کے طریقوں کا انتخاب: ایک سے زیادہ واحد بیٹری SOC تخمینہ کے طریقوں کا مطالعہ کیا گیا، اور توسیع شدہ کلمان فلٹر کا طریقہ بالآخر نان لائنر پیرامیٹرز کا تخمینہ لگانے میں درستگی کی وجہ سے اپنایا گیا۔

تحقیق کی توثیق: مجموعی طور پر، پروجیکٹ نے بیٹری کی کارکردگی کو بہتر بنانے اور حفاظتی خطرات کو کم کرنے میں فعال توازن کی تاثیر کو کامیابی سے ظاہر کیا ہے۔ سمولیشن کے ذریعے، فعال بیلنسنگ سرکٹ مختلف ابتدائی SOC والی بیٹریوں کے لیے اوسط SOC کے قریب توازن کی حالت حاصل کر سکتا ہے، جس سے ظاہر ہوتا ہے کہ یہ بیٹری کی کارکردگی کو مؤثر طریقے سے بہتر بنا سکتا ہے اور حفاظتی خطرات کو کم کر سکتا ہے جو بیٹری کے عدم توازن کی وجہ سے ہو سکتے ہیں۔

مخصوص تقاضوں پر غور کرنے کی اہمیت: مطالعہ بیٹری سسٹمز اور ایپلی کیشنز کی مخصوص ضروریات پر غور کرنے کی ضرورت پر بھی زور دیتا ہے جب سب سے موزوں فعال توازن کے نظام کا تعین کیا جائے۔ مختلف بیٹری سسٹمز (جیسا کہ مختلف قسم کی بیٹریوں پر مشتمل بیٹری پیک اور مختلف ایپلیکیشن منظرناموں میں بیٹری کے استعمال کے تقاضے) میں فعال توازن کے نظام کے لیے مختلف تقاضے ہو سکتے ہیں، جیسا کہ توازن رفتار، توازن کی درستگی، توانائی کی کمی، وغیرہ پر مختلف زور۔ بہترین کارکردگی اور حفاظت کو حاصل کرنے کے لیے اصل صورت حال کے مطابق موزوں ترین فعال توازن کی اسکیم کا انتخاب کرنے کی ضرورت ہے۔