طرح پژوهشی بهبود کارآیی باتری‌های لیتیومی با موفقیت انجام شد

به گزارش خبرگزاری مهر به نقل از پژوهشگاه فضایی ایران، طرح پژوهشی مشترک دانشگاهی پژوهشکده سامانه‌های ماهواره پژوهشگاه فضایی با پردیس فنی دانشگاه تهران که با عنوان «بهبود عملکرد ایمن باتری لیتیوم یونی از طریق کنترل حلقه‌بسته شارژ و تخلیه بر مبنای پیش‌بینی سطح توان باتری» در قالب پایان‌نامه دکتری تعریف شده بود، با موفقیت به پایان رسید.

باتری به‌عنوان یکی از مهم‌ترین اجزای سیستم‌های الکتریکی و الکترونیکی به‌شمار می‌رود و نقش عمده‌ای در تأمین انرژی تجهیزات الکترونیکی قابل حمل، سیستم‌های پزشکی، صنعتی، ماهواره‌ها و فضاپیماها و خودروهای الکتریکی و هیبریدی ایفا می‌کند. از این‌رو، نوع و ساختار بسته باتری تأثیر به‌سزایی روی عملکرد و هزینه سیکل عمر این تجهیزات و به‌ویژه خودروهای الکتریکی دارد.

باتری‌های لیتیومی به دلیل چگالی انرژی و چگالی توان بالا به‌عنوان یکی از بهترین کاندیدها برای سیستم‌های ذخیره انرژی در خودروهای الکتریکی شناخته می‌شوند. این در حالی است که عمر و قابلیت اطمینان باتری‌های لیتیومی وابستگی شدیدی به نحوه استفاده و مدیریت آن‌ها دارد و سیستم مدیریت باتری در این زمینه از اهمیت ویژه ای برخوردار است.

هدف از این طرح پژوهشی، ارائه راهکاری به‌منظور بهبود کارآیی مجموعه باتری در عین حفظ عملکرد ایمن آن است. این مهم به وسیله کنترل حلقه بسته شارژ و تخلیه باتری بر مبنای پیش‌بینی سطح توان باتری صورت پذیرفته است. در این راستا، الگوریتمی مرکب از روش کنترل پیش‌بین مدل و یک کنترلر مبتنی بر منطق فازی طراحی شد که در کنار فراهم آوردن حداکثر توان‌دهیِ ایمن برای مجموعه باتری، تخمین‌های دقیقی برای سطح توان پک باتری با در نظر گرفتن اثر عمر و نابالانسی سلول‌ها ارائه می‌کند.

در راهکار پیشنهادی این طرح، ابتدا یک تخمین پایه برای سطح توان مجموعه باتری با استفاده از روش کنترل پیش‌بینی مدل و بر اساس اطلاعات سلولِ نو ارائه و سپس، اثر عمر و نابالانسی سلول‌‎ها با استفاده از یک کنترل نامبتنی بر مدل و به‌واسطه ارتباط حلقه بسته بین سیستم مدیریت باتری و واحدکنترل خودرو جبران‌سازی شد. یک میز تست تجربی نیز متشکل از نمونه‌های نو و مستعمل از سلول لیتیوم فسفات آهن (LiFePO۴) طراحی و ساخته شد که داده‌های مستخرج از سلول نو برای توسعه الگوریتم پیشنهادی و داده‌های سلول مستعملِ نمونه برای صحه‌گذاری در بستر تست مدل-در-حلقه مورد استفاده قرار گرفت.

مطالعه موردی نیز روی یک اتوبوس هیبرید الکتریکی سری صورت گرفت. نتایج شبیه‌سازی مدل-در-حلقه در سیکل رانندگی نشان داد که روش پیشنهادی قادر است به‌واسطه ارائه تخمین‌های دقیقی برای سطح توان مجموعه باتری، حداکثر توان‌دهی در شارژ و تخلیه را در کنار حفظ محدوده عملکردی ایمنِ ولتاژ و جریان سلول‌ها فراهم آورد و نیز مجموعه دانش کسب شده به شکل اصولی می‌تواند در کاربردهای فضایی به‌خصوص در زیرسیستم توان الکتریکی ماهواره‌ها، سطح نشین‌ها و سطح نوردها به‌کار گرفته شود.

از جمله دستاوردهای این طرح پژوهشی می‌توان به ارائه تخمین‌های دقیق برای سطح توان پک باتری، افزایش ایمنی باتری با وجود مستعمل بودن یا آسیب دیدگی یک یا چند سلول باتری و امکان دریافت / اعمال حداکثر توان در فرآیندهای شارژ و تخلیه اشاره کرد.