Μελέτη και κατασκευή διάταξης διαχείρισης συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος

Βαχτσιαβάνος, Φώτιος

Study and implementation of a battery management system for electric vehicles

Τμήμα Ηλεκτρολ. Μηχαν. και Τεχνολ. Υπολογ. (ΔΕ), Πανεπιστήμιο Πατρών

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται τη μελέτη ενός συστήματος διαχείρισης ενέργειας ηλεκτροχημικών συσσωρευτών ηλεκτροκίνητου οχήματος καθώς και την κατασκευή διάταξης εξίσορρόπησης της στάθμης φόρτισης τους. Η εργασία αυτή εκπονήθηκε στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη ενός συστήματος επίβλεψης και διαχείρισης ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Οι ηλεκτροχημικοί συσσωρευτές ιόντων λιθίου είναι αυτοί που έχουν επικρατήσει σήμερα στα ηλεκτρικά οχήματα εξαιτίας των πλεονεκτημάτων τους, η λειτουργία τους όμως σε μη ονομαστικές συνθήκες μπορεί να έχει ως συνέπεια την υποχρησιμοποίηση ακόμα και την καταστροφή τους. Για τον λόγο αυτό κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη ενός συστήματος το οποίο θα επιβλέπει τους συσσωρευτές και θα διαχειρίζεται την ενέργεια τους ώστε να εξασφαλίζεται η μέγιστη απόδοση ενέργειας και τη διατήρηση της υγείας τους σε υψηλά επίπεδα. Τελικός στόχος αυτής της διπλωματικής είναι η υλοποίηση μιας διάταξης εξίσορρόπησης της στάθμης φόρτισης των συσσωρευτών διαφορετική από όσες έχουν κατασκευαστεί στο παρελθόν στο Εργαστήριο Ηλεκτρομηχανικής Μετατροπής Ενέργειας, με σκοπό στο μέλλον να επιλεγεί η καλύτερη για να χρησιμοποιηθεί στο ηλεκτροκίνητο όχημα τύπου buggy που έχει κατασκευαστεί. Αρχικά έγινε συνοπτική αναφορά των διαφορετικών ειδών συσσωρευτών και των χαρακτηριστικών του κάθε είδους. Έπειτα παρουσιάστηκαν οι λόγοι που καθιστούν ένα σύστημα επίβλεψης και διαχείρισης ενέργειας αναγκαίο όχι μόνο σε ένα ηλεκτροκίνητο όχημα αλλά και σε οποιοδήποτε σύστημα τροφοδοτείται από συσσωρευτές. Στη συνέχεια αναλύθηκαν διάφορες διατάξεις που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη διαχείριση και την αναδιανομή της ενέργειας των ηλεκτροχημικών συσσωρευτών. Έπειτα, αφού επιλέχθηκε μία διάταξη με βάση τον Flyback μετατροπέα, έγινε η θεωρητική μελέτη του κυκλώματος τόσο για την λειτουργία της συνεχούς αγωγής όσο και για τη λειτουργία της ασυνεχούς αγωγής. Στην συνέχεια αναλύονται οι παράγοντες που επηρεάζουνε τη λειτουργία της διάταξης με μη ιδανικά στοιχεία καθώς και οι τρόποι λύσεις των προβλημάτων που αυτά δημιουργούν. Παράλληλα έγιναν οι προσομοιώσεις στο περιβάλλον Matlab/ Simulink ώστε να διαπιστωθεί η ορθή λειτουργία της διάταξης αλλά και για να βελτιωθεί η λειτουργία της διάταξης. Το επόμενο βήμα της παρούσας διπλωματικής περιελάμβανε την επιλογή και την κατασκευή των στοιχείων που αποτελούν τη διάταξή. Παράλληλα σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε η πλακέτα της διάταξης, ενώ έγινε και ο προγραμματισμός του μικροελεγκτή ο οποίος είναι υπεύθυνος για τον έλεγχο και τη σωστή λειτουργία της διάταξης. Τέλος πραγματοποιήθηκαν τα πειράματα ώστε να διαπιστωθεί η σωστή λειτουργία της διάταξης αλλά και για να εξαχθούν συμπεράσματα σχετικά με τα περιθώρια βελτίωσής της.

This diploma thesis focuses on the analysis and construction of a battery Management System for electric vehicles. This thesis elaborated in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion of the Department of Electrical and Computer Engineering at the University of Patras. The purpose of this thesis is to study a Battery Management System. Lithium-ion electrochemical accumulators are the ones that have prevailed today in electric vehicles due to their advantages, but their operation in non-nominal conditions may result in under-utilization and even destruction. For this reason, it is necessary to have a system that will oversee the batteries and manage their energy to ensure maximum energy efficiency and maintain their health at high levels. The final target of this diploma thesis is the implementation of a device for balancing the charge level of batteries, different from those previously built in the Laboratory of Electromechanical Energy Conversion, with the aim in the future to choose the best device for use in the electric vehicle that has been built. Initially, the different types of batteries and their characteristics were briefly reported. Then they were presented the reasons that make a Battery Management System necessary not only for an electric vehicle but also for any system powered by batteries. Various devices that can be used to manage and redistribute the energy of electrochemical batteries are then analyzed. Then, after selecting a device based on the Flyback converter, the theoretical study of the circuit was conducted both for the continuous current mode and the discontinuous current mode. Later, we analyze the factors that affect the operation of the device with non-ideal elements and the ways of solving the problems they create. At the same time simulations were made in the Matlab / Simulink environment to determine the correct operation of the device and to improve its operation. The next step of this thesis included the selection and construction of the elements that make up the device. At the same time, the board of the device was designed and constructed, while the programming of the microcontroller, which is responsible for the control and proper operation of the device. Finally, experiments were carried out to ascertain the proper functioning of the devise but also to draw conclusions about its scope for improvement.