За комерцијалне литијум-јонске батерије: Анализа МЦЦ алгоритма брзог пуњења оптимизованог за мерење са три електроде

Абстрацт

Овај чланак предлаже нову методу која обезбеђује високо прецизан алгоритам пуњења за батерије електричних возила у зависности од стања пуњења у више фаза (МЦЦ). Овај алгоритам значајно скраћује време пуњења избегавајући литијумско облагање, а притом не убрзава процес старења. Прво, уз помоћ технологије мерења са три електроде, експериментално је анализиран однос између брзине струје, стања наелектрисања и литијумске превлаке и предложен је алгоритам пуњења заснован на зависности СОЦ (Стате оф Цхарге). Друго, СОЦ алгоритам за процену заснован на проширеном Калмановом филтеру је развијен у МАТЛАБ/Симулинк окружењу да би се постигла високо прецизна СОЦ процена и прецизна контрола процеса пуњења. Експериментални резултати показују да је просечна квадратна грешка (РМСЕ) СОЦ процене 1.08%, а време пуњења је смањено за 30% у опсегу од 0% до 80% СОЦ.

1. Увод

Фактори који утичу на време пуњења и ограничења постојећих протокола пуњења:Глобална јавна количина пуњења и удео брзог пуњења су се повећали у последњој деценији, али време пуњења не зависи само од капацитета пуњача, већ и од карактеристика батерије, услова околине и протокола пуњења. Стандардни протокол пуњења за ЛИБ је константна струја константног напона (ЦЦ-ЦВ), који укључује два степена: константну струју (ЦЦ) и константни напон (ЦВ). Дугачка ЦВ фаза ограничава смањење укупног времена пуњења, а висока струја пуњења може довести до литијумске превлаке, што утиче на век трајања батерије и безбедност. Због тога се не може занемарити утицај протокола пуњења на трајање батерије.

Позадина истраживања и предности вишестепеног протокола пуњења константном струјом:У циљу оптимизације равнотеже између времена пуњења, ефикасности и трајања батерије, предложени су вишеструки протоколи пуњења, међу којима је широко проучаван вишестепени протокол пуњења константном струјом (МЦЦ). МЦЦ протокол може смањити време пуњења и продужити животни век батерије, а његов прелаз на фазу може бити заснован на СОЦ интервалу или горњој граници напона. Главни изазов је одређивање оптималног броја ЦЦ степена, брзине струје и услова конверзије за МЦЦ пуњење, што се може решити коришћењем Тагуцхи метода, оптимизацијских алгоритама, или детекцијом Ли платинга за одређивање оптималног режима струје пуњења.

Иновација и структура чланка ове студије

Иновација:Ова студија интегрише СОЦ праг добијен из три експеримента са батеријама електрода са високо прецизним СОЦ естиматором за МЦЦ алгоритам пуњења, развијајући скалабилни водич за струју пуњења за стандардне комерцијалне батерије, елиминишући потребу за физичком трећом електродом у апликацијама и потребу за опсежним тестирање батерије током фазе развоја протокола пуњења, са циљем да се смањи време пуњења и спречи убрзано старење батерије узроковано брзим пуњењем.

Структура овог чланка:Прво, оптимални режим пуњења је дизајниран коришћењем методе са три електроде, а експериментална батерија са три електроде је реконструисана из комерцијалне 21700 НМЦ батерије; Друго, развити проширени Калманов филтер (ЕКФ) заснован СОЦ естиматор погодан за системе управљања батеријама (БМС); Затим спроведите тестирање батерије да бисте проверили перформансе методе, извршили тестирање старења и упоредили МЦЦ протокол са стандардним ЦЦ-ЦВ пуњењем; На крају дајте закључак.

2. Материјали и методе

Анализа електрохемијских карактеристика:Извршите анализу мерења са три електроде на електроди комерцијалне цилиндричне батерије 21700 НМЦ. Прво, испразните батерију до доњег граничног напона након 5 стандардних циклуса према спецификацијама произвођача. Отворите батерију у кутији за рукавице од аргона, уклоните и обрадите електроде и припремите батерију са три електроде. Због карактеристика ЛИБ електродних материјала, потребне су додатне референтне електроде за посматрање процеса радне електроде и контра електроде одвојено. Електрохемијске карактеристике експерименталне батерије са три електроде су сличне онима код комерцијалних батерија. Одређивањем површине премаза електроде и специфичног капацитета, спровођењем тестова при различитим брзинама пуњења и пражњења, посматрањем анодних и катодних потенцијала, одређивањем критичног СОЦ-а литијумске превлаке при различитим Ц-стопама и нормализацијом МЦЦ протокола како би био применљив на комерцијалне батерије, експеримент је спроведен на 25 степени Ц и мораће да буде валидиран у различитим условима животне средине у будућности.

Моделирање батерије и идентификација параметара:Користећи Тхевенинов модел еквивалентног кола (ЕЦМ) са једном РЦ граном за симулацију електричних карактеристика ЛИБ-а, параметри модела (укључујући напон отвореног кола, омски отпор, поларизациони отпор и капацитивност) се тачно одређују у корацима од 10% СОЦ на различите температуре и правце пражњења кроз тестирање карактеристике хибридне пулсне снаге (ХППЦ). Вредности параметара се компајлирају у 3Д табелу за тражење како би се поставили темељ за процену СОЦ-а.

Процена стања наплате:СОЦ варијација ЛИБ-а може се изразити као функција времена, а Кулоново бројање је основна метода процене заснована на томе, али постоје грешке. Због тога се за процену СОЦ користи проширени Калманов филтер (ЕКФ). ЕКФ ефикасно решава изазове у процени СОЦ линеаризацијом нелинеарних система и комбиновањем сигнала мерења струје, напона и температуре. Његов алгоритам укључује два главна корака: предвиђање и ажурирање. На основу Тхевенин ЕЦМ и СОЦ дефиниција, једначине процеса и мерења су дате у домену дискретног времена. ЕКФ претпоставља да су процесна бука и мерна бука независни Гаусов шумни процес са нултом средином и линеаризује мерну функцију кроз Јацобијеву матрицу.

Анализа старења:Спроведите циклично тестирање на три батерије користећи стандардне процедуре пуњења и две батерије користећи МЦЦ алгоритам пуњења, са тестирањем капацитета и испитивањем унутрашњег отпора једносмерне струје (РиДЦ) сваких 50 циклуса. Тест капацитета усваја стандардни ЦЦЦВ програм пуњења за пуњење и пражњење при 1Ц струји до доњег граничног напона. РиДЦ тест примењује импулсе струје 1Ц на различитим нивоима СОЦ и мери унутрашњи отпор. Степен старења батерије се описује израчунавањем здравственог стања (СОХ) батерије, које се дефинише као однос стварног капацитета и почетног референтног капацитета. Тест старења се спроводи до краја века трајања батерије (80% СОХ).

3. Резултати

Резултати анализе електрохемијских карактеристика

Промене у потенцијалу електроде при различитим Ц-стопама: 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>0В се постепено смањује. Дизајн МЦЦ протокола за пуњење: На основу горе наведених резултата, дизајнирана је вишестепена крива пуњења константне струје (МЦЦ). Слика 5 приказује фазе пуњења зависне од СОЦ-а, а Табела 3 сумира детаље сваке фазе. У поређењу са стандардним ЦЦЦВ протоколом пуњења, МЦЦ протокол има временску предност у ниском СОЦ опсегу, пуњење до 80% СОЦ је око 30% брже од стандардног пуњења, а МЦЦ пуњење је такође око 10% брже када је потпуно напуњено.

Идентификација параметара и резултати моделирања батерије

Одређивање параметара модела:Анализирајте резултате ХППЦ теста у Матлабу и користите функцију „фминсеарцх()“ да бисте одредили параметре напона, отпора и капацитивности отвореног кола модела батерије на различитим температурама и нивоима СОЦ. Анализирајте утицај температуре на капацитет батерије, уградите резултате теста капацитета у 2Д табелу за тражење у вези са температуром и откријте да СОЦ има ограничен утицај на параметре модела. Да поједноставимо, размотрите то као константу у формули.

Валидација модела:Модел батерије и СОЦ естиматор се потврђују потпуним пражњењем тест батерије, након чега следи тестирање динамичке струје при различитим брзинама пуњења и СОЦ нивоима. Симулирајте исту секвенцу теста у МАТЛАБ/Симулинк окружењу и упоредите је са експерименталним подацима користећи процену средње квадратне грешке (РМСЕ). РМСЕ симулације напона је 7,09 мВ. Иако постоји значајна грешка када је батерија потпуно испражњена, перформансе модела су робусне и могу прецизно ухватити динамику напона батерије под различитим условима оптерећења.

Резултати СОЦ проценитеља на основу ЕКФ:Верификујте СОЦ проценитељ заснован на ЕКФ на 25 степени Ц и упоредите СОЦ вредност процењену ЕКФ алгоритмом са референтном СОЦ вредношћу добијеном Кулоновом методом бројања. Испитна струја има резолуцију од 1 мА и тачност од 0.1%. У почетној фази, дошло је до одступања између процењеног СОЦ-а од стране ЕКФ-а и референтног СОЦ-а. Како је тестирање брзо напредовало, РМСЕ је био 1,08%. Алгоритам је био у стању да прецизно прати СОЦ, посебно током фазе пуњења, и могао је прецизно да контролише струју пуњења.

Резултати перформанси старења МЦЦ алгоритма пуњења

Резултати теста старења:Слика 10 приказује резултате теста старења. Тестирана су три стандардна пуњења и две МЦЦ пуњиве батерије, а одступање између сваке групе батерија се може занемарити. Током ране фазе тестирања старења (до 90% СОХ), стопа старења МЦЦ пуњења је нешто спорија. Када се узме у обзир средња вредност, МЦЦ напуњене батерије достижу 80% СОХ на крају свог животног века око 50 циклуса раније од стандардно напуњених батерија, али укупан ефекат на брзину старења није значајан. Батерија коју пуни МЦЦ показала је благи пад СОХ након 850 циклуса због прекида тестирања.

Резултат промене унутрашњег отпора:На слици су приказане промене у укупном унутрашњем отпору (Р ₀+Р ₁) батерије под два протокола пуњења на 25 степени Ц и 50% СОЦ. Разлика у почетном отпору и вредности СОХ је због различитог времена складиштења батерије. Унутрашњи отпор батерија са оба начина пуњења благо се смањивао у раним фазама старења, а затим се повећавао са старењем. МЦЦ алгоритам пуњења није изазвао додатно литијумско превлачење, што је у складу са резултатима теста капацитета, што указује да МЦЦ алгоритам одржава интегритет карактеристика старења батерије.

4. Дискусија и резиме

Истраживачки допринос технологији пуњења батерије МЦЦ:Интеграцијом високо прецизних СОЦ процењивача и њиховом применом на комерцијалне цилиндричне батерије (НМЦ батерија хемија), доприноси се технологији пуњења МЦЦ батерија. Успешна интеграција је олакшала пренос прецизних СОЦ прагова добијених из експеримента са три електродне батерије на ниво комерцијалних батерија, побољшавајући практичне примене и премошћивајући јаз између експерименталних увида и индустријске имплементације.

МЦЦ алгоритам за пуњење оптимизован за старење:Уведен је МЦЦ алгоритам за пуњење оптимизован за старење, зависан од СОЦ-а, који смањује време пуњења без убрзавања деградације батерије смањењем ризика од литијумске превлаке. Наглашена је важност комбиновања техника електрохемијске анализе, моделирања и процене за решавање кључних изазова у пуњењу батерија, а СОЦ је коришћен као параметар преноса како би се осигурало да се лабораторијски резултати могу проширити на индустријске примене.

Предности режима пуњења и протокола:Оптимални начин пуњења се може одредити помоћу експерименталних батерија са три електроде, а потенцијал аноде се може пратити да би се открило литијумско превлачење. Предложени МЦЦ протокол пуњења у комбинацији са СОЦ прагом добијеним из експеримената је стабилнији у поређењу са традиционалним МЦЦ протоколима заснованим на напону, и на њега мање утичу фактори као што су промене температуре и електрохемијска хистереза.

Улога и експериментални резултати СОЦ проценитеља:Развијен је СОЦ проценитељ заснован на проширеном Калмановом филтеру (ЕКФ), са РМСЕ од 1,08%, погодан за системе управљања батеријама (БМС). Експериментални резултати показују да у поређењу са традиционалном методом пуњења константном струјом константног напона (ЦЦ-ЦВ), овај метод може смањити време за достизање 80% СОЦ за 30% без убрзавања процеса старења.