עיצוב אסטרטגיות בקרת אנרגיה יעילה Pid בקרת כלי רכב חשמליים

מבוא לאנרגיה יעילה PID בקרת עבור תחנות EV צ'ינג

אימוץ מהיר של כלי רכב חשמליים (EVs) מעצב מחדש את הנוף האנרגיה העולמי.כפי שתשתית טעינה מרחיבה לתמוך במיליוני כלי רכב, הביקוש לפתרונות יעילים, אמינים וידידותיים לרשת הופך קריטי.אחת מטכניקות הבקרה היעילות ביותר עבור אופטימיזציה ביצועי תחנת טעינה היא דרישות סטנדרטיות-אינטרולטיביות-פרטיות (PID) שליטה.כאשר מיועדות ומכוונן, בקרים יכולים להפחית באופן משמעותי את תהליכי האנרגיה ה-ל-הטיפולים, ולצמצם את תהליכי ה-הטיפולים של מערכת התקני בקרת ה-יעילות, ה-יעילות של אלקטרוניקה, שיפור של אלקטרוניקה, וקידום ה-יעילות של מערכת ניהולית.

יעילות האנרגיה בטעינה EV אינה רק על צמצום צריכת החשמל - היא כוללת גם צמצום הביקוש לצריכת החשמל, למקסם את השימוש באנרגיה מתחדשת, ולהבטיח ניתוח בטוח בתנאים שונים של רשת.בקרי PID מציעים מנגנון משוב מוכח שניתן להתאים אישית כדי לעמוד במטרות אלה.על ידי הבנת העקרונות הבסיסיים וליישם טכניקות אופטימיזציה מודרניות, מהנדסים יכולים ליצור מערכות בקרה אשר יכולות ליצור ביצועים עם חיסכון באנרגיה.

הבנה של PID Control in EV Charging

בקר PID מבסס באופן קבוע ערך שגיאה כמו ההבדל בין נקודת סטאפ הרצוי (למשל, יעד טעינה נוכחי או מתח) לבין משתנה תהליך נמדד (נוכחי או מתח) ולאחר מכן הוא חל תיקון בהתבסס על שלושה תנאים: פרופורציונלי (P), אינטגראלי (I), וגזרה (D) בהקשר של טעינה, הבקר מאמת את הכוח - כגון DC-DC או ממירים מדויקים - כדי לשמור על פרמטרים מדויקים.

המונחים:

המונח היחסי מייצר פלט פרופורציה לשגיאה הנוכחית.רווח פרופורציונלי גבוה (Kp) מאפשר תגובה מהירה אך יכול להוביל לפתרון יתר וניתוק. עבור טעינה EV, שבו כימיה סוללה ומגבלות תרמיות הן רגישות, בחירה נכונה Kp מונעת ספייקטים מתחים שעלולים להזיק הסוללה או להפחית את תוחלת החיים שלה.

המונחים: integral Term

המונח האינטגראלי מצטבר שגיאות העבר כדי לחסל את מצב יציב של מערכות טעינה, זה חיוני לשמירה על זרם קבוע או מתח למרות שינויים עומס (למשל, כאשר כלי רכב מרובים מחוברים או כאשר ההתנגדות הפנימית הסוללה עולה כמו מצב המטען עולה). עם זאת, רוח אינטגרלית - מצב שבו החרוטטור מצטבר שגיאות במהלך השחיטה - אסור לעתים קרובות באמצעות טכניקות אנטי-windup.

המונחים:

מונח נגזר צופה שגיאה עתידית בהתבסס על קצב השינוי שלה, הוספת לחות למערכת.במטענים EV, פעולה נגזרת יכולה להחליק את הנטיות הנוכחיות הפתאומיות שנגרמו על ידי הפרעות רשת או מעבר עומס.עם זאת, היא גם מעצימה רעש גבוה, כך סינון הולם הוא הכרחי.

יישומים בתחנת Charging

בקרים PID מועסקים בלולאות בקרה מרובות בתוך תחנת טעינה EV:

• (ב) ⁇ :0) שליטה: 1FLT (תיקון: 1) רשם את הטענה הנוכחית כדי לעקוב אחר פרופיל מוגדר מראש (מתח קבוע, קבוע או רב-שלבי).
• (ב) ⁇ :0) שליטה: 1FLT: 1 שמור על מתח אוטובוס DC עבור המרה על הסיפון.
• (ב) שליטה על פיתוי: 1FLT:1 ניהול אוהדי קירור או משאבות כדי למנוע חימום יתר של אלקטרוניקה חשמל וכבלים.
• תיקון גורם (PFC): 0(FLT:1) הבטחת גורם כוח לאחדות בשלבים AC-DC כדי להפחית את אובדן הכוח תגובתי.

האופי הלא ליניארי והזמן של סוללות EV - עקב ההזדקנות, הטמפרטורה ומצב המטען - גורם ל- PID סטטי להתעכב.

אסטרטגיות יעילות אנרגיה

פיתוח בקרת PID יעילה באנרגיה עבור טעינה EV דורש גישה רב פנים כי הולך מעבר בקרים קבועים קבוע-gain.התתתות הבאות מפרט שיטות מפתח.

שיטות כוונון אופטי

כוונון נכון הוא הבסיס של יעילות אנרגיה.שיטות קלאסיות נפוצות כוללות:

• (ב) שיטה ידנית של צעד אחר צעד המספקת רווחים ראשוניים, אך לעתים קרובות מניבה פתרון אגרסיבי רק אם הוא מכוון בצורה טובה.
• (ב) ⁇ :0) ,Cohen-Coon:FLT:1 A Process-reaction Method אופטימיזציה לדחיית עומס, שימושית בטעינה של חשמל.
• (FLT:0) אופטימיזציה מבוססת תוכנה: FLT3 כלים כמו PID Tuner של MATLAB או FLT:2Simulink Control DesignFLT 3) מאפשרים כוונון אוטומטי מבוסס על מודלים של מערכות.
• (FLT:0)Auto-tuning: FLT:1, בקרים דיגיטליים מודרניים מבצעים הדרכה מבוססת מס המיועד לזהות דינמיקת תהליכים ולהגדיר רווחים על זבוב, צמצום זמן ההגשה ולהתאים לאורכו של כבלים או לוויריאציות חיבור.

כאשר כוונון ליעילות אנרגיה, הפונקציה האובייקטיבית צריכה לכלול מדדים כמו חלק בלתי נפרד משגיאות מרובעות (ISE) מוכפלת על ידי צריכת חשמל, או סכום של מעקב אחר דיוק והפסדים.

בקרת PID

קבוע-gain PID אינו יכול להתמודד עם מגוון רחב של תנאי הפעלה בטעינה בעולם האמיתי (למשל, כימאים סוללה שונים, טמפרטורות מתחרות, תנודות מתח רשת) מאפשר התאמות פרמטר בזמן אמת:

• (FLT:0)Model Reference Fitive Control (MRAC): ההרחבה 1 (הבקר מתואם את הישגיו כך שהתנהגות הסגורה של מערכת הטעינה תואמת מודל התייחסות עם תכונות יעילות אנרגיה רצויות.
• (FLT:0)Gain Scheduling:FLT:1 , מגייסים הם מראש עבור אזורי הפעלה שונים (למשל, נמוך לעומת מצב גבוה של מטען, חורף לעומת טמפרטורות קיץ) ועברו על בסיס תנאים נמדדים.
• (FLT:0) ,Self-tuning Regulators (STRIR): 1 המערכת מזהה מודל תהליך מקוון ו- rethinks PID מקבל באמצעות מיקום קוטב או שיטות LQR. גישה זו יכולה להשיג שימוש באנרגיה כמעט-אופטימית על פני עומסים שונים.

PID מותאם לא רק חוסך אנרגיה על ידי צמצום של פתרון מיותרים וחנק, אלא גם מונע מתח תרמי על טעינת כבלים ומחברים, צמצום הפסדים התנגדות.

חיזוי והזנת אלגוריתמים

שילוב PID עם שליטה חיזוי יכול לצפות את הביקוש לאנרגיה עתידית ואת תנאי הרשת:

• (FLT:0Model Predictive Control (MPC) כתוסף PID:FLAC1 MPC מחשב פעולות שליטה עתידיות אופטימליות באופק, בעוד PID מטפל במעקב ברמה נמוכה. שכבת MPC יכולה לקבוע את הכוח ליישר עם דור השמש או מכסי רשת נמוכים.
• (FLT:0) Feedward Control: FLT:1 שימושים נמדדים הפרעות (למשל, מתח רשת dips או צעדים עומסים של כלי רכב אחרים) כדי ליישם אות מגובש לפני שה- PID מגיב.זה מקטין את התיקון הנדרש לולאה משוב, חיתוך אנרגיה שהושקעה על פני פתרון יתר.
• רשת נילי מלאכותי (ANN) משופרת PIDOVA:FLT:1 ANNs יכול לחזות התנהגות סוללה ולהתאים את נקודות ה- PID או רווחים בזמן אמת.

אסטרטגיות חיזוי הן בעלות ערך במיוחד בתרחישים של רכב ל-grid (V2G) שבו תחנת הטעינה חייבת גם לצייר וגם להזריק כוח.

אנרגיה-aware Setpoint

במקום להשתמש במטרות זרם או מתח קבועות, בחירת סטנקט דינמי יכולה להפחית באופן דרסטי את צריכת האנרגיה:

• (FLT:0Grid-aware הטעינה:FLT:1 Setpoints מותאם על בסיס תדירות רשת בזמן אמת, מתח או מחירים. במהלך הביקוש לפסגה, בקר מקטין בעדינות את הכוח, הימנעות משחורים ללא הפסקות פתאומיות לטעון.
• (FLT:0) שילוב אנרגיה מתחדשת: 1FLT כאשר אנרגיית השמש או הרוח בשפע, נקודת המוצא עולה כדי ללכוד אנרגיה עודף; כאשר פלט מחודש טיפות, הבקר יורד, צמצום ההסתמכות על ייצור דלק מאובנים.
• (FLT:0)חומרי שימור בריאות: FLT:1IR ראטים יותר (למשל, 0.5C במקום 1C) להפחית באופן משמעותי את אובדן האנרגיה עקב חימום התנגדות פנימית. PID יכול לאכוף את התעריפים הנינוחים הללו תוך השלמת המטען בחלון זמן שנבחר על ידי לקוחות.

אסטרטגיה זו לא רק מורידה את עלויות התפעול של התחנה, אלא גם תורמת ליציבות הרשת ולהפחתה בטביעת טביעת רגל פחמן.

דרישות ל- Energy-efficient PID

אסטרטגיות שליטה תרגומים לחומרה ותוכנה חזקות דורשות תשומת לב זהירה לכמה היבטים מעשיים.

חיישן ואיכות נתונים

המדידות הנמוכות הן חיוניות.הווה וחיישנים מתח עם דיוק 0.5% לפחות, תגובה מהירה (<1 ms), ובודד גליוני מונע שגיאות של טמפרטורות נפוצות (מתיקים או thermocouples) יש להציב קשרים בכבלים, IGBT מחמם, ואוויר מבולגן יכול לזהות כישלונות כי אחרת יובילו לשליטה לא יעילה או לא בטוחה.

שליטה קשה

Digital PID הוא בדרך כלל מיושם על מיקרובקרים (למשל, STM32, TI C2000) או DSPs (למשל, TMS320F28379F28379D) רץ ב 50-200 kHz עבור לולאות חשמל.

• PWM Timers (למשל, 16 סיביות) עבור התאמות מחזוריות מדויקות.
• מספר ADCs עבור דגימה בו זמנית של זרם ומתח.
• ממשקי CAN או Modbus לתקשורת עם מערכות ניהול סוללות (BMS) ובקרים ברמה העליונה.
• זיכרון לא רצוני לאחסון פרמטרים ונתוני קיטוב.

חברת Firmware חייבת להתמודד עם הדגמת אנטי-windup, ייבוש פלט, ולהשיג העברה ללא פגע במהלך שינויים במצב הסתגלות.

פרוטוקולי תקשורת ואינטגרציה גרידוק

כדי לאפשר אסטרטגיות הסתגלות וחיזוי, תחנת הטעינה חייבת להחליף נתונים עם מערכות חיצוניות:

• (FLT:0)OCPP (פרוטוקול Open Charge Point Protocol): ההרחבה הראשונה של ה-II משמשת למעקב מרחוק, התאמה של נקודות סטקו ועדכוני קושחה.
• (ב) ,0) ISO 15118:FLT:1 Handles high-level טעינה שליטה, כולל V2G זרימת חשמל ותכניות טעינה חכמות.
• (FLT:0)IEC 61851: FLT:1IRECT פיילוט בסיסי בקרת אותות עבור בטיחות ומחזור חובה מודולציה.
• (FLT:0)Modbus TCP/RTU:03FLT:1) Common for Communications with Local Energy Management Systems (EMS) או בניית אוטומציה.

יש לקחת בחשבון את השקיפות בקישורי תקשורת אלה בעיצוב בקרה; פקודות איטיות או ג'ייטריות יכולות לערער על לולאה PID.

בטיחות וסטנדרטים

עיצובים יעילים באנרגיה לעולם לא להתפשר על בטיחות.המידע על קונסולת:0 (IEC 61851-103-1IRFLT:1 (טעינה חשמלית) ו- IEC 62196 (קישורים) הוא חובה.

• זיהוי פגמים ושילוב
• הגנה מוגזמת ומתרחבת מוטמעת בלוגיקה הבקרה (גבולות תוכנה בתוספת מערכי חומרה).
• ההרחבה: PID מגדירה באופן אוטומטי את הטמפרטורות הפנימיות מתקרבות לסף קריטי.
• כשל בטוח: אם חיישנים או תקשורת נכשלים, הבקר יורד לאפס כוח בחסד.

היתרונות של בקרת PID יעילה באנרגיה ב EV

אסטרטגיות אופטימיזציה של PID מניבות יתרונות עצומים על פני ממדים טכניים, כלכליים וסביבתיים.

צריכת אנרגיה מופחתת ועלויות תפעול

על ידי ביטול oscillations הנוכחי מיותר ופתרון יתר, PID יעיל אנרגיה יכול להפחית הפסדי טעינה על ידי 5-15% בהשוואה לבקרים מכוונים או קבוע-gain. עבור תחנת טעינה מהירה אשר מטפל 500 קילוואט ביום, ירידה של 10% מתורגמת כדי לחסוך 50 קילוואט - שווה ערך לכ-15 ק"ג של פליטות CO2 (בהתאם לשילוב) וחשבונות חשמל נמוך יותר.

מערכת מוגברת ורמות חיים

Smooth, היטב-damped שליטה מונעת את הספיצינור המתח כי תאי סוללה הלחץ ואת מכשירים חצי מוליכים כוח. סוללות ליתיום-יון דהורציה מהר יותר כאשר נחשפים להילוך גבוה הנוכחי; PID מכוונן כראוי ממשיך לקרוע בתוך גבולות מקובלים (בדרך כלל <5% של זרם nominal). זה מרחיב את חיי הסוללה ואת חיי מחזור החיים של IGBT או FET.

שיפור שילוב Grid ו- Renewable Utilization

בקרים PID מותאמים יכולים להגיב על שינויים בתדר רשת בתוך מילימטרים, מתן שירותי רגולציה בתדר ראשוניים. Energy-aware סטנקט דור מאפשר תחנת הטעינה לפעול כעומס גמיש, סופגת עודף של דור מתחדש במהלך תקופות שמש או רוחיות.זה לא רק מקטין את טביעת הרגל פחמן של התחנה אלא גם יכול לייצר הכנסות באמצעות תוכניות תגובה הביקוש.

איכות חיים מורחבת וגמישות

רכיבה על אופניים היא גורם מרכזי של כשל באלקטרוניקה כוח.על ידי הימנעות תנודות זרם אגרסיביות ו minimizing overheating, ניהול תרמי מבוסס PID (שליטה מהירות משאבה קרירה או סלפי) שומר על טמפרטורות רכיב יציב ונמוך, להכפיל את הזמן הממוצע בין כישלונות (MTBF) של מודולים הטעינה.בנוסף, אזהרות תחזוקה חיזוי יכול להשתלב בתוך קושחית הבקרה.

נושאים מתקדמים: הדור הבא של אסטרטגיות PID

עבור מפתחים המבקשים אפילו יעילות גבוהה יותר, כמה ארכיטקטורות מתקדמות שליטה צוברות מערכת.

לוגיקה מטושטשת PID

בקרים לוגיים פוזי יכולים לאחד ידע מומחה על התנהגות הטעינה - לדוגמה, "אם הטמפרטורה גבוהה והנוכחית היא שלילית, להפחית את Kp באופן משמעותי" בשילוב עם PID מסורתי, מפקחים סחרחורים מתאימים באופן קבוע מבלי לדרוש מודל מתמטי. גישה זו עובדת היטב עבור פרופילים לא לינאריים.

Reinforcement Learning (RL) עבור PID Tuning

סוכני RL יכולים ללמוד אופטימלי PID להשיג באמצעות אינטראקציה בין ניסוי וטרור עם מערכת הטעינה או סימולציה.עם הזמן, הסוכן מגלה מדיניות המפחיתה את תפקוד התגמול המשלב שימוש באנרגיה, מהירות טעינה ובטיחות.עבודה עדכנית הוכיחה RL-tuned PID Outperforms Ziegler-Nichols על ידי 20% חיסכון באנרגיה עבור מטען DC מהיר.

גנטיקה ואופטימיזציה של PID

סימולציה של זמן אמתית גבוהה של תחנת הטעינה - מאפשרת בדיקות ואופטימיזציה לא מקוונת של פרמטרים PID תחת אלפי תרחישים.הרווחים המתקבלים יכולים להיות פרוסים ישירות לבקר הפיזי, המבטיחים יעילות אנרגיה בכל התנאים הצפויים.

מקרה מחקר: הפעלת תחנת טעינה מהירה

תחנת טעינה מהירה של 50 קילוואט DC בקליפורניה השתמש במקור קבוע-gain PID מכוון עם Ziegler-Nichols. לאחר התקנת בקר PID אדפטיטיבי (התזמון מבוסס על טמפרטורה מכוננת וטמפרטורת המחבר), צריכת האנרגיה של התחנה עבור וואטווראז'ה נמסר על ידי 12%. Peak כוח מופחת על ידי 8% בשעות אחר הצהריים החמות, מניעת רשת מעבר לעומס במשך פחות.

תוצאות בעולם האמיתי אלה מדגישות את החשיבות של מעבר ליישום PID פשטני.כפי שאימוץ EV מאיץ, בקרת יעילות אנרגיה תהפוך לגורם שונה תחרותי עבור מפעילי תחנת טעינה.

מסקנה

תכנון אסטרטגיות בקרת אנרגיה יעילה עבור תחנות טעינה EV הוא אתגר הנדסי רב פנים המשפיע ישירות על עלויות תפעול, יציבות רשת וקיימות סביבתית. על ידי אימוץ אלגוריתמים אופטימליים, אלגוריתמים הסתגלות, ייצור חיזוי קדימה, ומערכת אנרגיה, מהנדסים יכולים לפתוח רווחים משמעותיים יעילות, יישום דורש תשומת לב זהירה דיוק, יכולות השקעה, תקני תקשורת, ובטיחות.

(ב) ראו את ה-FLT:0) ,(PID ControllerFal Reve) מאמר ליסודות, את ה-FLT:2Control Engineering Guide to PID כוונון טכניקות כוונון 3, ואת סדרת IEC 61851 של IEC:5 לתקנות טעינה.