Για εμπορικές μπαταρίες ιόντων λιθίου: Ανάλυση αλγόριθμου γρήγορης φόρτισης MCC βελτιστοποιημένος για μέτρηση τριών ηλεκτροδίων

Περίληψη

Αυτό το άρθρο προτείνει μια νέα μέθοδο που παρέχει έναν εξαιρετικά ακριβή αλγόριθμο φόρτισης πολλαπλών σταδίων σταθερού ρεύματος (MCC) που εξαρτάται από την κατάσταση φόρτισης για μπαταρίες ηλεκτρικών οχημάτων. Αυτός ο αλγόριθμος μειώνει σημαντικά τον χρόνο φόρτισης αποφεύγοντας την επιμετάλλωση λιθίου, ενώ δεν επιταχύνει τη διαδικασία γήρανσης. Αρχικά, με τη βοήθεια τεχνολογίας μέτρησης τριών ηλεκτροδίων, αναλύθηκε πειραματικά η σχέση μεταξύ του ρυθμού ρεύματος, της κατάστασης φόρτισης και της επιμετάλλωσης λιθίου και προτάθηκε ένας αλγόριθμος φόρτισης που βασίζεται στην εξάρτηση SOC (Κατάσταση Φόρτισης). Δεύτερον, ένας αλγόριθμος εκτίμησης SOC που βασίζεται σε εκτεταμένο φίλτρο Kalman αναπτύχθηκε σε περιβάλλον MATLAB/Simulink για την επίτευξη εκτίμησης SOC υψηλής ακρίβειας και ακριβή έλεγχο της διαδικασίας φόρτισης. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το ριζικό μέσο τετραγωνικό σφάλμα (RMSE) της εκτίμησης SOC είναι 1.08% και ο χρόνος φόρτισης μειώνεται κατά 30% στην περιοχή από 0% έως 80% SOC.

1. Εισαγωγή

Οι παράγοντες που επηρεάζουν το χρόνο φόρτισης και οι περιορισμοί των υφιστάμενων πρωτοκόλλων φόρτισης:Η παγκόσμια ποσότητα δημόσιας φόρτισης και το μερίδιο γρήγορης φόρτισης έχουν αυξηθεί την τελευταία δεκαετία, αλλά ο χρόνος φόρτισης δεν εξαρτάται μόνο από τη χωρητικότητα του φορτιστή, αλλά και από τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας, τις περιβαλλοντικές συνθήκες και τα πρωτόκολλα φόρτισης. Το τυπικό πρωτόκολλο φόρτισης για το LIB είναι η σταθερή τάση σταθερού ρεύματος (CC-CV), η οποία περιλαμβάνει δύο στάδια: σταθερό ρεύμα (CC) και σταθερή τάση (CV). Το μακρύ στάδιο CV περιορίζει τη μείωση του συνολικού χρόνου φόρτισης και το υψηλό ρεύμα φόρτισης μπορεί να οδηγήσει σε επιμετάλλωση λιθίου, επηρεάζοντας τη διάρκεια ζωής και την ασφάλεια της μπαταρίας. Επομένως, ο αντίκτυπος του πρωτοκόλλου φόρτισης στη διάρκεια ζωής της μπαταρίας δεν μπορεί να αγνοηθεί.

Ερευνητικό υπόβαθρο και πλεονεκτήματα του πρωτοκόλλου φόρτισης σταθερού ρεύματος πολλαπλών σταδίων:Προκειμένου να βελτιστοποιηθεί η ισορροπία μεταξύ του χρόνου φόρτισης, της απόδοσης και της διάρκειας ζωής της μπαταρίας, έχουν προταθεί πολλαπλά πρωτόκολλα φόρτισης, μεταξύ των οποίων το πρωτόκολλο φόρτισης σταθερού ρεύματος πολλαπλών σταδίων (MCC) έχει μελετηθεί ευρέως. Το πρωτόκολλο MCC μπορεί να μειώσει τον χρόνο φόρτισης και να παρατείνει τη διάρκεια ζωής της μπαταρίας και η μετάβαση σταδίου μπορεί να βασίζεται στο διάστημα SOC ή στο ανώτερο όριο τάσης. Η κύρια πρόκληση είναι να προσδιοριστεί ο βέλτιστος αριθμός σταδίων CC, ο τρέχων ρυθμός και οι συνθήκες μετατροπής για τη φόρτιση MCC, οι οποίες μπορούν να επιλυθούν χρησιμοποιώντας μεθόδους Taguchi, αλγόριθμους βελτιστοποίησης ή ανιχνεύοντας την επικάλυψη Li για τον προσδιορισμό της βέλτιστης λειτουργίας ρεύματος φόρτισης.

Η καινοτομία και η δομή του άρθρου αυτής της μελέτης

Σημείο καινοτομίας:Αυτή η μελέτη ενσωματώνει το όριο SOC που προέκυψε από πειράματα μπαταριών τριών ηλεκτροδίων με έναν εκτιμητή SOC υψηλής ακρίβειας για αλγόριθμο φόρτισης MCC, αναπτύσσοντας έναν επεκτάσιμο οδηγό ρεύματος φόρτισης για τυπικές μπαταρίες του εμπορίου, εξαλείφοντας την ανάγκη για φυσικό τρίτο ηλεκτρόδιο σε εφαρμογές και την ανάγκη για εκτενή δοκιμή μπαταρίας κατά το στάδιο ανάπτυξης του πρωτοκόλλου φόρτισης, με στόχο τη μείωση του χρόνου φόρτισης και την πρόληψη της επιταχυνόμενης γήρανσης της μπαταρίας που προκαλείται από γρήγορη φόρτιση.

Δομή αυτού του άρθρου:Πρώτον, ο βέλτιστος τρόπος φόρτισης σχεδιάζεται χρησιμοποιώντας τη μέθοδο των τριών ηλεκτροδίων και μια πειραματική μπαταρία τριών ηλεκτροδίων ανακατασκευάζεται από μια εμπορική μπαταρία 21700 NMC. Δεύτερον, αναπτύξτε έναν εκτεταμένο εκτιμητή SOC με βάση το φίλτρο Kalman (EKF) κατάλληλο για συστήματα διαχείρισης μπαταριών (BMS). Στη συνέχεια, πραγματοποιήστε δοκιμή μπαταρίας για να επαληθεύσετε την απόδοση της μεθόδου, πραγματοποιήστε δοκιμή γήρανσης και συγκρίνετε το πρωτόκολλο MCC με την τυπική φόρτιση CC-CV. Τέλος, δώστε ένα συμπέρασμα.

2. Υλικά και Μέθοδοι

Ηλεκτροχημική ανάλυση χαρακτηριστικών:Πραγματοποιήστε ανάλυση μέτρησης τριών ηλεκτροδίων στο ηλεκτρόδιο της εμπορικής κυλινδρικής μπαταρίας 21700 NMC. Αρχικά, αποφορτίστε την μπαταρία στο κατώτερο όριο τάσης μετά από 5 τυπικούς κύκλους σύμφωνα με τις προδιαγραφές του κατασκευαστή. Ανοίξτε την μπαταρία σε ένα κουτί γαντιών αργού, αφαιρέστε και επεξεργαστείτε τα ηλεκτρόδια και ετοιμάστε μια μπαταρία τριών ηλεκτροδίων. Λόγω των χαρακτηριστικών των υλικών ηλεκτροδίων LIB, απαιτούνται πρόσθετα ηλεκτρόδια αναφοράς για την παρακολούθηση των διεργασιών του ηλεκτροδίου εργασίας και του αντίθετου ηλεκτροδίου χωριστά. Τα ηλεκτροχημικά χαρακτηριστικά της πειραματικής μπαταρίας τριών ηλεκτροδίων είναι παρόμοια με εκείνα των εμπορικών μπαταριών. Προσδιορίζοντας την περιοχή επικάλυψης ηλεκτροδίου και την ειδική χωρητικότητα, πραγματοποιώντας δοκιμές σε διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης και εκφόρτισης, παρατηρώντας τα δυναμικά ανόδου και καθόδου, προσδιορίζοντας το κρίσιμο SOC της επιμετάλλωσης λιθίου σε διαφορετικούς ρυθμούς C και κανονικοποιώντας το πρωτόκολλο MCC ώστε να είναι εφαρμόσιμο σε εμπορικές μπαταρίες, το πείραμα διεξήχθη στους 25 βαθμούς C και θα χρειαστεί να επικυρωθεί υπό διαφορετικές περιβαλλοντικές συνθήκες στο μέλλον.

Μοντελοποίηση μπαταρίας και αναγνώριση παραμέτρων:Χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο ισοδύναμου κυκλώματος Thevenin (ECM) με έναν μόνο κλάδο RC για την προσομοίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών του LIB, οι παράμετροι του μοντέλου (συμπεριλαμβανομένης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, της ωμικής αντίστασης, της αντίστασης πόλωσης και της χωρητικότητας) προσδιορίζονται με ακρίβεια σε βήματα του 10% SOC σε διαφορετικές θερμοκρασίες και κατευθύνσεις εκφόρτισης φόρτισης μέσω της δοκιμής χαρακτηριστικών υβριδικής ισχύος παλμών (HPPC). Οι τιμές των παραμέτρων μεταγλωττίζονται σε έναν τρισδιάστατο πίνακα αναζήτησης για να τεθούν τα θεμέλια για την εκτίμηση SOC.

Εκτίμηση κατάστασης χρέωσης:Η παραλλαγή SOC του LIB μπορεί να εκφραστεί ως συνάρτηση του χρόνου και η καταμέτρηση Coulomb είναι η βασική μέθοδος εκτίμησης που βασίζεται σε αυτό, αλλά υπάρχουν σφάλματα. Επομένως, χρησιμοποιείται ένα εκτεταμένο φίλτρο Kalman (EKF) για την εκτίμηση SOC. Το EKF επιλύει αποτελεσματικά τις προκλήσεις στην εκτίμηση SOC γραμμικοποιώντας μη γραμμικά συστήματα και συνδυάζοντας σήματα μέτρησης ρεύματος, τάσης και θερμοκρασίας. Ο αλγόριθμός του περιλαμβάνει δύο βασικά βήματα: την πρόβλεψη και την ενημέρωση. Με βάση τους ορισμούς Thevenin ECM και SOC, οι εξισώσεις διεργασίας και μέτρησης δίνονται στον τομέα διακριτού χρόνου. Το EKF υποθέτει ότι ο θόρυβος διεργασίας και ο θόρυβος μέτρησης είναι ανεξάρτητες διαδικασίες μηδενικού μέσου Gaussian θορύβου και γραμμικοποιεί τη συνάρτηση μέτρησης μέσω του πίνακα Jacobi.

Ανάλυση γήρανσης:Πραγματοποιήστε κυκλικές δοκιμές σε τρεις μπαταρίες χρησιμοποιώντας τυπικές διαδικασίες φόρτισης και δύο μπαταρίες χρησιμοποιώντας τον αλγόριθμο φόρτισης MCC, με δοκιμή χωρητικότητας και δοκιμή εσωτερικής αντίστασης συνεχούς ρεύματος (RiDC) κάθε 50 κύκλους. Η δοκιμή χωρητικότητας υιοθετεί το τυπικό πρόγραμμα φόρτισης CCCV για φόρτιση και εκφόρτιση σε ρεύμα 1C στην τάση κατώτερου ορίου. Η δοκιμή RiDC εφαρμόζει παλμούς ρεύματος 1C σε διαφορετικά επίπεδα SOC και μετρά την εσωτερική αντίσταση. Ο βαθμός γήρανσης της μπαταρίας περιγράφεται με τον υπολογισμό της κατάστασης υγείας (SOH) της μπαταρίας, η οποία ορίζεται ως ο λόγος της πραγματικής χωρητικότητας προς την αρχική χωρητικότητα αναφοράς. Η δοκιμή γήρανσης διεξάγεται μέχρι το τέλος της διάρκειας ζωής της μπαταρίας (80% SOH).

3. Αποτελέσματα

Αποτελέσματα ανάλυσης ηλεκτροχημικών χαρακτηριστικών

Αλλαγές στο δυναμικό του ηλεκτροδίου σε διαφορετικούς ρυθμούς C: Figure 4 shows the analysis results of the electrochemical characteristics of a three electrode battery at 25 ° C, used to determine the maximum charging rate dependent on SOC. Figure 4a shows the potential of the anode and cathode relative to the reference electrode and the overall battery potential during C/10 rate charging. During charging, the anode potential decreases while the cathode potential increases. At C/10 rate, the anode potential is not lower than 0V and there is no lithium plating. Figure 4b shows the variation of anode potential with SOC at different C-rates. The higher the C-rate, the greater the negative shift of anode potential. When C ≥ C/2, it may be lower than 0V, and as the C-rate increases, the maximum SOC at anode potential>0Το V μειώνεται σταδιακά. Σχεδιασμός πρωτοκόλλου φόρτισης MCC: Με βάση τα παραπάνω αποτελέσματα, σχεδιάστηκε μια καμπύλη φόρτισης σταθερού ρεύματος πολλαπλών σταδίων (MCC). Το Σχήμα 5 δείχνει τα στάδια φόρτισης που εξαρτώνται από το SOC και ο Πίνακας 3 συνοψίζει τις λεπτομέρειες κάθε σταδίου. Σε σύγκριση με το τυπικό πρωτόκολλο φόρτισης CCCV, το πρωτόκολλο MCC έχει ένα χρονικό πλεονέκτημα στο εύρος χαμηλής SOC, η φόρτιση στο 80% SOC είναι περίπου 30% ταχύτερη από την τυπική φόρτιση και η φόρτιση MCC είναι επίσης περίπου 10% ταχύτερη όταν είναι πλήρως φορτισμένη.

Αναγνώριση παραμέτρων και αποτελέσματα μοντελοποίησης μπαταρίας

Προσδιορισμός παραμέτρων μοντέλου:Αναλύστε τα αποτελέσματα της δοκιμής HPPC στο Matlab και χρησιμοποιήστε τη συνάρτηση "fminsearch()" για να προσδιορίσετε τις παραμέτρους τάσης, αντίστασης και χωρητικότητας ανοιχτού κυκλώματος του μοντέλου μπαταρίας σε διαφορετικές θερμοκρασίες και επίπεδα SOC. Αναλύστε την επίδραση της θερμοκρασίας στη χωρητικότητα της μπαταρίας, ενσωματώστε τα αποτελέσματα της δοκιμής χωρητικότητας σε έναν πίνακα 2D αναζήτησης που σχετίζεται με τη θερμοκρασία και ανακαλύψτε ότι το SOC έχει περιορισμένη επίδραση στις παραμέτρους του μοντέλου. Για απλοποίηση, θεωρήστε το ως σταθερά στον τύπο.

Επικύρωση μοντέλου:Το μοντέλο της μπαταρίας και ο εκτιμητής SOC επικυρώνονται με πλήρη αποφόρτιση της δοκιμαστικής μπαταρίας, ακολουθούμενη από δοκιμή δυναμικού ρεύματος σε διαφορετικούς ρυθμούς φόρτισης και επίπεδα SOC. Προσομοιώστε την ίδια ακολουθία δοκιμών σε περιβάλλον MATLAB/Simulink και συγκρίνετε τη με πειραματικά δεδομένα χρησιμοποιώντας αξιολόγηση ριζικού μέσου τετραγώνου σφάλματος (RMSE). Το RMSE της προσομοίωσης τάσης είναι 7,09 mV. Αν και υπάρχει σημαντικό σφάλμα όταν η μπαταρία είναι πλήρως αποφορτισμένη, η απόδοση του μοντέλου είναι ισχυρή και μπορεί να καταγράψει με ακρίβεια τη δυναμική τάσης της μπαταρίας υπό διαφορετικές συνθήκες φορτίου.

Αποτελέσματα του εκτιμητή SOC με βάση το EKF:Επαληθεύστε τον εκτιμητή SOC με βάση το EKF στους 25 βαθμούς C και συγκρίνετε την τιμή SOC που υπολογίζεται από τον αλγόριθμο EKF με την τιμή SOC αναφοράς που λήφθηκε με τη μέθοδο μέτρησης Coulomb. Το ρεύμα δοκιμής έχει ανάλυση 1 mA και ακρίβεια 0,1%. Στο αρχικό στάδιο, υπήρξε απόκλιση μεταξύ του εκτιμώμενου SOC από το EKF και του SOC αναφοράς. Καθώς η δοκιμή προχώρησε γρήγορα, το RMSE ήταν 1,08%. Ο αλγόριθμος ήταν σε θέση να παρακολουθεί με ακρίβεια το SOC, ειδικά κατά τη φάση φόρτισης, και μπορούσε να ελέγξει με ακρίβεια το ρεύμα φόρτισης.

Αποτελέσματα απόδοσης γήρανσης του αλγόριθμου φόρτισης MCC

Αποτελέσματα τεστ γήρανσης:Το Σχήμα 10 δείχνει τα αποτελέσματα του τεστ γήρανσης. Δοκιμάστηκαν τρεις τυπικές μπαταρίες φόρτισης και δύο μπαταρίες φόρτισης MCC και η απόκλιση μεταξύ κάθε ομάδας μπαταριών μπορεί να αγνοηθεί. Κατά το πρώιμο στάδιο της δοκιμής γήρανσης (έως και 90% SOH), ο ρυθμός γήρανσης της φόρτισης MCC είναι ελαφρώς πιο αργός. Όταν λαμβάνεται υπόψη η μέση τιμή, οι φορτισμένες μπαταρίες MCC φτάνουν το 80% SOH στο τέλος της διάρκειας ζωής τους περίπου 50 κύκλους νωρίτερα από τις τυπικές φορτισμένες μπαταρίες, αλλά η συνολική επίδραση στο ρυθμό γήρανσης δεν είναι σημαντική. Η μπαταρία που φορτίστηκε από το MCC έδειξε μια ελαφρά μείωση του SOH μετά από 850 κύκλους λόγω διακοπής της δοκιμής.

Αποτέλεσμα αλλαγής εσωτερικής αντίστασης:Το σχήμα δείχνει τις αλλαγές στη συνολική εσωτερική αντίσταση (R₀+R1) της μπαταρίας κάτω από δύο πρωτόκολλα φόρτισης στους 25 βαθμούς C και 50% SOC. Η διαφορά στην αρχική αντίσταση και στην τιμή SOH οφείλεται στους διαφορετικούς χρόνους αποθήκευσης της μπαταρίας. Η εσωτερική αντίσταση των μπαταριών και με τις δύο μεθόδους φόρτισης μειώθηκε ελαφρώς στα πρώτα στάδια της γήρανσης και στη συνέχεια αυξήθηκε με τη γήρανση. Ο αλγόριθμος φόρτισης MCC δεν προκάλεσε πρόσθετη επιμετάλλωση λιθίου, κάτι που συνάδει με τα αποτελέσματα της δοκιμής χωρητικότητας, υποδεικνύοντας ότι ο αλγόριθμος MCC διατηρεί την ακεραιότητα των χαρακτηριστικών γήρανσης της μπαταρίας.

4. Συζήτηση και Περίληψη

Ερευνητική συμβολή στην τεχνολογία φόρτισης μπαταρίας MCC:Με την ενσωμάτωση εκτιμητών SOC υψηλής ακρίβειας και την εφαρμογή τους σε εμπορικές κυλινδρικές μπαταρίες (χημεία μπαταριών NMC), συνεισφέρεται στην τεχνολογία φόρτισης MCC μπαταρίας. Η επιτυχημένη ενσωμάτωση διευκόλυνε τη μεταφορά των ακριβών ορίων SOC που προέκυψαν από πειράματα μπαταριών τριών ηλεκτροδίων στο εμπορικό επίπεδο μπαταρίας, βελτιώνοντας τις πρακτικές εφαρμογές και γεφυρώνοντας το χάσμα μεταξύ των πειραματικών γνώσεων και της βιομηχανικής εφαρμογής.

Βελτιστοποιημένος αλγόριθμος φόρτισης MCC:Παρουσιάζεται ένας βελτιστοποιημένος αλγόριθμος φόρτισης MCC που εξαρτάται από τη γήρανση, ο οποίος μειώνει τον χρόνο φόρτισης χωρίς να επιταχύνει την υποβάθμιση της μπαταρίας μειώνοντας τον κίνδυνο επιμετάλλωσης λιθίου. Τονίστηκε η σημασία του συνδυασμού τεχνικών ηλεκτροχημικής ανάλυσης, μοντελοποίησης και εκτίμησης για την αντιμετώπιση βασικών προκλήσεων στη φόρτιση της μπαταρίας και το SOC χρησιμοποιήθηκε ως παράμετρος μεταφοράς για να διασφαλιστεί ότι τα εργαστηριακά αποτελέσματα μπορούν να επεκταθούν σε βιομηχανικές εφαρμογές.

Τα πλεονεκτήματα της λειτουργίας φόρτισης και του πρωτοκόλλου:Ο βέλτιστος τρόπος φόρτισης μπορεί να προσδιοριστεί μέσω πειραματικών μπαταριών τριών ηλεκτροδίων και το δυναμικό ανόδου μπορεί να παρακολουθηθεί για την ανίχνευση επιμετάλλωσης λιθίου. Το προτεινόμενο πρωτόκολλο φόρτισης MCC σε συνδυασμό με το όριο SOC που λαμβάνεται από πειράματα είναι πιο σταθερό σε σύγκριση με τα παραδοσιακά πρωτόκολλα MCC με βάση την τάση και επηρεάζεται λιγότερο από παράγοντες όπως οι αλλαγές θερμοκρασίας και η ηλεκτροχημική υστέρηση.

Ο ρόλος και τα πειραματικά αποτελέσματα του εκτιμητή SOC:Αναπτύχθηκε ένας εκτιμητής SOC βασισμένος σε εκτεταμένο φίλτρο Kalman (EKF), με RMSE 1,08%, κατάλληλος για Συστήματα Διαχείρισης Μπαταριών (BMS). Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι σε σύγκριση με την παραδοσιακή μέθοδο φόρτισης σταθερής τάσης σταθερού ρεύματος (CC-CV), αυτή η μέθοδος μπορεί να μειώσει το χρόνο για να φτάσει το 80% SOC κατά 30% χωρίς να επιταχύνει τη διαδικασία γήρανσης.