Abstrak
Untuk memastikan prestasi bateri litium-ion yang lebih baik dalam aplikasi seperti kenderaan elektrik, adalah perlu untuk menggunakan sistem pengurusan bateri (BMS) untuk memantau statusnya. Untuk tujuan ini, alat bukan invasif diperlukan untuk memantau bateri pada skala elektrod. Artikel ini mencadangkan kaedah untuk mengekstrak maklumat elektrod (potensi keseimbangan, kapasiti dan kadar lithiation sebagai fungsi keadaan pengecasan bateri) daripada pengecasan dan nyahcas bateri. Model OCV pseudo telah digunakan untuk menentukan maklumat ini, yang boleh mengurangkan bias yang berkaitan dengan overvoltage bateri. Ketepatan parameter yang diperlukan dalam pengukuran purata OCV pseudo (antara nyahcas dan cas) bagi bateri lithium-ion LFP/grafit adalah lebih kurang 1 mV. Kaedah ini boleh digunakan untuk sebarang kimia bateri.
1. Pengenalan
Permintaan untuk pemantauan LIB:Penggunaan bateri litium-ion dalam aplikasi seperti kenderaan elektrik memerlukan sistem pengurusan bateri (BMS) untuk memantau statusnya bagi memastikan keselamatan, prestasi yang lebih baik dan jangka hayat yang panjang.
Kelemahan dan Penambahbaikan Pemantauan Tradisional:Secara tradisinya, LIB dipantau secara 'keseluruhan', tanpa sebarang maklumat tentang keadaan dalaman mereka. Malah, bateri litium-ion terdiri daripada beberapa komponen dalaman termasuk elektrod positif dan negatif, elektrolit, dan pemisah. Artikel ini bertujuan untuk memantau status elektrod LIB untuk kawalan yang lebih baik, dengan tumpuan pada penentuan kapasiti elektrod dan potensi keseimbangan sebagai fungsi keadaan pengecasan bateri (SOC).
Artikel ini memberikan gambaran keseluruhan kaedah:Kaedah berdasarkan model OCV pseudo dicadangkan untuk menentukan keadaan elektrod LIBS. Ciri-ciri kaedah ini adalah menggunakan nilai pengukuran purata OCV pseudo bateri dan lengkung rujukan purata potensi keseimbangan elektrod. Artikel ini menerangkan komposisi LIB pseudo OCV dalam Bahagian 2 dan menetapkan persamaan matematik yang berkaitan dengan parameter keadaan elektrod dan pseudo OCV; Dalam Bahagian 3, kaedah untuk menentukan parameter elektrod telah diperkenalkan; Keputusan kaedah ini dinilai dalam Bahagian 4.
2. Ciri OCV pseudo LIB
2.1 Definisi dan Pemodelan Pseudo OCV
Definisi:Pseudo OCV (pOCV) ialah voltan bateri apabila voltan lampau bateri (η) bersamaan dengan beberapa puluh milivolt (iaitu pada arus sangat rendah), dan OCV mewakili voltan keseimbangan bateri.
Faktor yang mempengaruhi:OCV berbeza mengikut keadaan cas (SOC) dan suhu T bateri, termasuk sumbangan pelbagai fenomena dalaman seperti kesan Ohmik (pengangkutan ion litium dalam elektrolit dan elektron dalam elektrod, penyambung elektrik luaran, dsb.) dan kesan dinamik (pemindahan dan penyebaran cas litium pada setiap elektrod). η juga dipengaruhi oleh suhu, SOC dan sejarah bateri (mengecas dan menyahcas bateri dan status kesihatannya), jadi pOCV juga berbeza dengan parameter ini. Artikel ini tertumpu terutamanya pada pergantungannya pada SOC, manakala parameter lain dianggap pemalar. SOC dikira menggunakan formula:
Kira, SOCinit ialah keadaan pengecasan awal, I ialah arus yang diukur, dan t mewakili masa.
2.2 Voltan seimbang
Penerangan:OCV bateri ialah perbezaan antara potensi keseimbangan (OCP) elektrod positif dan negatif. Subskrip PE dan NE mewakili elektrod positif dan negatif, masing-masing. x dan y ialah kadar litian elektrod, ditakrifkan sebagai nisbah keadaan casnya kepada kapasitinya. Kapasiti elektrod adalah berkaitan dengan reka bentuk khusus dan sifat elektrokimia mereka. OCP elektrod ialah jumlah elektrik yang diukur dalam keseimbangan berbanding dengan elektrod rujukan (biasanya menggunakan elektrod litium logam (Li+/Li) sebagai elektrod rujukan), yang berbeza secara tidak linear dengan kadar lithiasi dan dipengaruhi oleh penggunaan elektrod. sejarah (histeresis). Lengkung OCP boleh membentangkan satu atau lebih dataran tinggi, bilangannya bergantung pada komposisi kimia elektrod.
Kedudukan dalam LIB sebenar:Rajah 3 menunjukkan elektrod OCP (berbanding dengan kadar lithiation) dan lengkung OCV bateri (berbanding SOC bateri) dalam LIB sebenar. Apabila SOC bateri meningkat (semasa mengecas), x meningkat dan y berkurangan kerana ion litium berpindah dari elektrod positif ke elektrod negatif (bertentangan semasa nyahcas). Oleh itu, lengkung OCPPE dalam Rajah 3 diterbalikkan berbanding dengan Rajah 2. Cbat ialah kapasiti bateri, ditakrifkan sebagai nilai maksimum SOC (apabila bateri dicas atau dinyahcas sepenuhnya), ybat, 100% ialah kadar lithiation PE apabila bateri dicas sepenuhnya (apabila SOCmax=Cbat), xbat, 0% ialah kadar lithiation NE apabila bateri telah dinyahcas sepenuhnya (apabila SOCmin=0 Ah), dan had minimum (2.5 V) dan maksimum (3.6 V) voltan bateri sepadan dengan keadaan bateri yang dinyahcas dan dicas sepenuhnya.
Untuk LIB sebenar, elektrod tidak boleh digunakan sepenuhnya. Apabila bateri dicas sepenuhnya, kadar litian ybat PE adalah menghampiri 100% (iaitu 1-ybat, 100% menghampiri 1, seperti yang ditunjukkan dalam Rajah 3). Apabila bateri dinyahcas sepenuhnya, kadar lithiation xbat NE juga menghampiri 0%. Secara umumnya, kapasiti reka bentuk CNE NE adalah lebih besar daripada kapasiti CPE PE, jadi lengkung OCPNE (dalam Ah) dalam Rajah 3 adalah lebih besar daripada OCPPE. Kapasiti ultra besar NE menghalang kadar litiannya x daripada mencapai 1 dalam LIB sebenar, mengelakkan OCPnya daripada menurun kepada 0 V Li+/Li (lihat Rajah 3, x=1), iaitu nilai potensi tindak balas (dipanggil penyaduran litium) yang LIB tidak mahu berlaku. Daripada Rajah 3, hubungan antara SOC bateri, x, dan y boleh diwujudkan, membolehkan pengiraan SOC bateri menggunakan persamaan (3) dan (4). Persamaan (5) dan (6) mewakili x dan y berdasarkan SOC dan parameter lain. Selain itu, elektrod OCP boleh disepadukan ke dalam ungkapan pOCV dengan mencampurkan persamaan (2) dan (1).
3. Kaedah pengecaman keadaan elektrod
Parameter dan Pengukuran:Dalam bahagian sebelumnya, telah dijelaskan bahawa parameter yang mentakrifkan keadaan elektrod (elektrod OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE dan CPE) semuanya disertakan dalam OCV pseudo bateri. Untuk menentukan parameter ini, ukuran nyahcas atau cas bateri pOCV dan elektrod rujukan lengkung OCP boleh digunakan untuk mengenal pasti parameter melalui pemasangan kuasa dua terkecil tak linear.
Data input dan fungsi objektif:Data input termasuk mengkaji hubungan antara nilai ukuran pseudo OCV dan SOC bateri semasa mengecas dan menyahcas, untuk mendapatkan purata nilai ukuran pseudo OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Daripada Rajah 4 (b), boleh diperhatikan bahawa lebihan voltan keluk nyahcas meningkat ke arah SOC rendah, manakala voltan lebihan keluk cas meningkat ke arah SOC tinggi. Oleh itu, ∆ η meningkat daripada SOC bateri rendah dan tinggi. Hanya fokus pada kawasan yang merangkumi tiga platform (lihat Rajah 4 (a)), di mana maklumat berguna boleh diekstrak, dan ∆ η adalah tiga kali lebih kecil daripada voltan lebihan nyahcas dan cas. Di samping itu, dapat diperhatikan bahawa terdapat peralihan platform yang ketara antara keluk pOCV dan OCV. Dengan membandingkan nilai purata pOCV dan OCV, anjakan sangat berkurangan, yang mengesahkan bahawa seperti yang dijangkakan, sumbangan ∆ η dalam purata pOCV boleh diabaikan.
Langkah-langkah algoritma:Rajah 5 menunjukkan langkah-langkah algoritma yang berbeza, menggunakan fungsi pengoptimuman kuasa dua terkecil tak linear lsqnonlin perisian Matlab. Parameter xbat, 0% dan ybat, 100% dihadkan antara 0 dan 1 dan dimulakan kepada sifar. CNE dan CPE dimulakan kepada Cbat dan dihadkan seperti berikut: untuk CNE, antara Cbat dan 1.4Cnom; Untuk CPE, ia adalah antara Cbat dan 1.2Cnom (Cnom ialah kapasiti bateri yang disediakan oleh pengilang). Dalam algoritma, anggaran OCP elektrod diwakili sebagai fungsi SOC bateri dengan cara berikut:
4. Keputusan dan Perbincangan
Persediaan percubaan:Bagi menilai kaedah yang dicadangkan, kajian telah dijalankan ke atas LIB Sistem A123. Bateri mempunyai kapasiti nominal (Cnom) 2.3Ah dan berbentuk silinder (saiz 18650), terdiri daripada elektrod negatif grafit dan elektrod positif LFP. Dalam kajian ini, keputusan awal ujian pengukuran pOCV yang dijalankan pada cas C/25 (92mA) dan nyahcas C/25 menunjukkan bahawa kapasiti bateri Cbat adalah lebih kurang 93% daripada Cnom. Ujian ini dijalankan pada suhu bilik (25 darjah C) dan voltan minimum dan maksimum bateri adalah terhad kepada 2.5V dan 3.6V, masing-masing.
Paparan keputusan:Rajah 6 menunjukkan keputusan penggunaan kaedah ini dalam kajian bateri. Dalam Rajah 6 (a), purata lengkung OCP elektrod bateri sepadan dengan kawasan antara dua garisan menegak tak selanjar berwarna hitam. Anggaran purata OCV (OCVest.avg) (lengkung hijau) mewakili perbezaan antara lengkung OCPavg, PE dan OCPavg, NE dalam rantau ini. Daripada Rajah 6 (b), boleh diperhatikan bahawa dalam anggaran lengkung OCVest.avg, cerun ke arah voltan tinggi antara dua platform terakhir adalah terlicin disebabkan oleh kelancaran OCPNE, lengkung purata (lihat Rajah 6 (a)) . Secara keseluruhannya, anggaran lengkung OCVest.avg lebih hampir kepada purata nilai ukuran pOCV. Ralat purata kuasa dua (RMSE) antara purata ukuran pOCV dan anggaran purata OCV adalah kurang daripada 1mV (lebih kurang 0.87mV), yang boleh diterima.
Keputusan parameter:Kadar litian yang diperolehi xbat, {{0}}% dan ybat, 100% hampir sama dengan 0.024 (nilai yang hampir dengan 0). Nilai kapasiti CPE dan CNE adalah 10% dan 30% lebih besar daripada nilai Cbat, masing-masing (iaitu elektrod positif dan negatif dalam bateri tidak digunakan masing-masing kira-kira 10% dan 30%). Nilai CNE adalah lebih kurang 24% lebih tinggi daripada CPE. Dari perspektif fizikal, kita boleh perhatikan bahawa susunan magnitud empat parameter ini adalah bermakna. Kemudian, nilai ini boleh digunakan untuk menentukan OCP elektrod sebagai fungsi SOC bateri untuk pengecasan dan nyahcas, masing-masing daripada lengkung rujukan elektrod OCP menggunakan persamaan (8) dan (9).
5. Rumusan
Ringkasan Kaedah:Artikel ini mencadangkan kaedah untuk mengekstrak potensi keseimbangan, kapasiti, dan kadar litian elektrod LIB sebenar. Kaedah ini menggunakan model OCV pseudo dan menentukan parameter ini melalui pemasangan kuasa dua terkecil tak linear. Ia dicapai dengan mengkaji purata (antara cas dan nyahcas) pengukuran LIB pseudo OCV dan lengkung rujukan OCP elektrod.
Prospek permohonan:Kaedah ini telah digunakan untuk LFP/grafit LIB komersial, dan keputusan yang diperolehi adalah memuaskan dari segi ketepatan. Ia boleh digunakan dengan mudah untuk mendiagnosis LIB dengan menjejaki evolusi parameter yang ditentukan semasa hayat bateri, terutamanya kapasiti elektrod (CPE dan CNE) dan kadar lithiation (ybat, 100% dan xbat, 0%).