Абстрацт
Да би се обезбедиле боље перформансе литијум-јонских батерија у апликацијама као што су електрична возила, неопходно је користити систем за управљање батеријама (БМС) за праћење њиховог статуса. У ту сврху су потребни неинвазивни алати за праћење батерије на скали електрода. Овај чланак предлаже метод за издвајање информација о електроди (равнотежни потенцијал, капацитет и брзина литирања као функције стања напуњености батерије) из пуњења и пражњења батерије. За одређивање ове информације коришћен је псеудо ОЦВ модел, који може смањити пристрасност у вези са пренапоном батерије. Тачност потребних параметара у мерењу псеудо ОЦВ просека (између пражњења и пуњења) ЛФП/графит литијум-јонских батерија је приближно 1 мВ. Ова метода се може користити за било коју хемију батерија.
1. Увод
Потреба за праћењем ЛИБ-ова:Употреба литијум-јонских батерија у апликацијама као што су електрична возила захтева систем управљања батеријама (БМС) за праћење њиховог статуса како би се осигурала безбедност, боље перформансе и дуг животни век.
Недостаци и побољшања традиционалног надгледања:Традиционално, ЛИБ-ови су праћени као 'целина', без икаквих информација о њиховом унутрашњем стању. У ствари, литијум-јонске батерије се састоје од неколико унутрашњих компоненти укључујући позитивне и негативне електроде, електролит и сепаратор. Овај чланак има за циљ праћење статуса електрода ЛИБ-ова ради боље контроле, са фокусом на одређивање капацитета електроде и равнотежног потенцијала као функције стања напуњености батерије (СОЦ).
Овај чланак даје преглед методе:Предлаже се метода заснована на псеудо ОЦВ моделу за одређивање стања ЛИБС електрода. Карактеристика ове методе је коришћење просечне мерне вредности псеудо ОЦВ батерије и просечне референтне криве потенцијала равнотеже електроде. Чланак описује састав ЛИБс псеудо ОЦВ у одељку 2 и успоставља математичке једначине које се односе на параметре стања електроде и псеудо ОЦВ; У одељку 3 представљен је метод за одређивање параметара електрода; Резултати ове методе су процењени у одељку 4.
2. ЛИБ псеудо ОЦВ карактеристике
2.1 Дефиниција и моделирање псеудо ОЦВ
дефиниција:Псеудо ОЦВ (пОЦВ) је напон батерије када је пренапон батерије (η) једнак неколико десетина миливолти (тј. при веома малим струјама), а ОЦВ представља равнотежни напон батерије.
Фактори утицаја:ОЦВ варира у зависности од стања напуњености (СОЦ) и температуре Т батерије, укључујући допринос различитих унутрашњих појава као што је омски ефекат (транспорт литијум јона у електролиту и електрона у електродама, спољни електрични конектори, итд.) и динамички ефекти (пренос и дифузија литијумских наелектрисања на свакој електроди). На η такође утичу температура, СОЦ и историја батерије (пуњење и пражњење батерије и њен здравствени статус), тако да пОЦВ такође варира у зависности од ових параметара. Овај чланак се углавном фокусира на његову зависност од СОЦ-а, док се остали параметри сматрају константама. СОЦ се израчунава помоћу формуле:
Израчунајте, СОЦинит је почетно стање пуњења, И је измерена струја, а т представља време.
2.2 Балансирани напон
Опис:ОЦВ батерије је разлика између равнотежних потенцијала (ОЦПс) позитивне и негативне електроде. Индекси ПЕ и НЕ представљају позитивне и негативне електроде, респективно. к и и су брзине литирања електрода, дефинисане као однос њиховог стања наелектрисања и њиховог капацитета. Капацитет електрода је повезан са њиховим специфичним дизајном и електрохемијским својствима. ОЦП електроде је количина електричне енергије измерена у равнотежи у односу на референтну електроду (обично користећи металну литијумску електроду (Ли+/Ли) као референтну електроду), која варира нелинеарно са брзином литирања и на коју утиче употреба електроде историја (хистереза). ОЦП крива може представљати један или више платоа, чији број зависи од хемијског састава електроде.
Позиција у стварном ЛИБ-у:Слика 3 приказује ОЦП електроде (у поређењу са брзином литирања) и криве ОЦВ батерије (у поређењу са СОЦ батерије) у стварном ЛИБ-у. Како се СОЦ батерије повећава (током пуњења), к се повећава, а и смањује јер се литијум јони преносе са позитивне електроде на негативну електроду (супротно током пражњења). Због тога је ОЦППЕ крива на слици 3 обрнута у поређењу са сликом 2. Цбат је капацитет батерије, дефинисан као максимална вредност СОЦ (када је батерија потпуно напуњена или испражњена), ибат, 100% је брзина литирања ПЕ када је батерија потпуно напуњена (када је СОЦмак=Цбат), кбат, 0% је стопа литирања НЕ када је батерија потпуно испражњена (када је СОЦмин=0 Ах), а минимална (2,5 В) и максимална (3,6 В) граница напона батерије одговарају потпуно испражњеном и напуњеном стању батерије, респективно.
За стварне ЛИБ, електроде се не могу у потпуности искористити. Када је батерија потпуно напуњена, стопа литирања ибат ПЕ је близу 100% (тј. 1-ибат, 100% близу 1, као што је приказано на слици 3). Када је батерија потпуно испражњена, брзина литирања кбат НЕ је такође близу 0%. Уопштено говорећи, пројектни капацитет ЦНЕ НЕ је већи од капацитета ЦПЕ ПЕ, тако да је крива ОЦПНЕ (у Ах) на слици 3 већа од оне ОЦППЕ. Ултра велики капацитет НЕ спречава његову брзину литирања к да достигне 1 у стварном ЛИБ-у, избегавајући да његов ОЦП падне на 0 В Ли+/Ли (види слику 3, к=1), што је потенцијална вредност реакције (назива се литијумска обрада) да ЛИБ не жели да се догоди. Са слике 3, може се успоставити однос између СОЦ батерије, к и и, омогућавајући израчунавање СОЦ батерије помоћу једначина (3) и (4). Једначине (5) и (6) представљају к и и на основу СОЦ и других параметара. Додатно, електродни ОЦП се може интегрисати у пОЦВ експресију мешањем једначина (2) и (1).
3. Метода препознавања стања електроде
Параметри и мерење:У претходном одељку је појашњено да су сви параметри који дефинишу стање електроде (ОЦП електрода, кбат, 0%, ибат, 100%, ЦНЕ и ЦПЕ) укључени у псеудо ОЦВ батерије. За одређивање ових параметара, мерења пражњења или пуњења пОЦВ батерије и ОЦП криве референтне електроде могу се користити за идентификацију параметара кроз нелинеарну прилагодбу најмањих квадрата.
Улазни подаци и циљна функција:Улазни подаци обухватају проучавање односа између мерних вредности псеудо ОЦВ и СОЦ батерије током пуњења и пражњења, како би се добила просечна вредност мерења псеудо ОЦВ (пОЦВавг.меас (СОЦ)). Са слике 4 (б) може се приметити да пренапон криве пражњења расте према ниском СОЦ, док пренапон криве пуњења расте ка високом СОЦ. Стога, ∆ η расте и од ниске и од високе батерије СОЦ. Фокусирајте се само на област која укључује три платформе (погледајте слику 4 (а)), где се могу извући корисне информације, а ∆ η је три пута мањи од пренапона пражњења и пуњења. Поред тога, може се приметити да постоји значајан помак платформе између пОЦВ и ОЦВ криве. Упоређивањем просечних вредности пОЦВ и ОЦВ, померање је у великој мери смањено, што потврђује да се очекивано допринос ∆ η у просечном пОЦВ може занемарити.
Кораци алгоритма:Слика 5 приказује различите кораке алгоритма, користећи нелинеарну функцију оптимизације најмањих квадрата лскнонлин из Матлаб софтвера. Параметри кбат, 0% и ибат, 100% ограничени су између 0 и 1 и иницијализовани на нулу. ЦНЕ и ЦПЕ су иницијализовани на Цбат и ограничени на следећи начин: за ЦНЕ, између Цбат и 1.4Цном; За ЦПЕ, то је између Цбат и 1.2Цном (Цном је капацитет батерије који обезбеђује произвођач). У алгоритму, процењени ОЦП електроде је представљен као функција СОЦ батерије на следећи начин:
4. Резултати и дискусија
Експериментално подешавање:Да би се проценила предложена метода, студија је спроведена на ЛИБ-у компаније А123Системс. Батерија има номинални капацитет (Цном) од 2,3 Ах и цилиндричног је облика (величина 18650), састоји се од графитне негативне електроде и ЛФП позитивне електроде. У овој студији, почетни резултати тестова мерења пОЦВ спроведених при пуњењу Ц/25 (92мА) и пражњењу Ц/25 показали су да је капацитет батерије Цбат био приближно 93% од Цном. Ови тестови су спроведени на собној температури (25 степени Ц), а минимални и максимални напон батерије су били ограничени на 2,5 В и 3,6 В, респективно.
Приказ резултата:На слици 6 приказани су резултати примене ове методе у проучавању батерија. На слици 6 (а), просечна ОЦП крива електроде батерије одговара области између две дисконтинуалне вертикалне линије у црној боји. Процењени просечни ОЦВ (ОЦВест.авг) (зелена крива) представља разлику између ОЦПавг, ПЕ и ОЦПавг, НЕ кривих унутар региона. Са слике 6 (б), може се приметити да је у процењеној кривој ОЦВест.авг, нагиб ка високом напону између последње две платформе изглађен због глаткоће ОЦПНЕ, авг криве (видети слику 6 (а)) . Све у свему, процењена крива ОЦВест.авг је ближа просечној вредности мерења пОЦВ. Средња квадратна грешка (РМСЕ) између просечног мерења пОЦВ и процењеног просечног ОЦВ је мања од 1мВ (приближно 0.87мВ), што је прихватљиво.
Резултати параметара:Добијене стопе литирања кбат, {{0}}% и ибат, 100% су скоро једнаке 0,024 (вредност близу 0). Вредности капацитета ЦПЕ и ЦНЕ су 10% и 30% веће од вредности Цбат, респективно (тј. позитивне и негативне електроде у батерији се не користе за око 10%, односно 30%). Вредност ЦНЕ је приближно 24% већа од вредности ЦПЕ. Из физичке перспективе, можемо приметити да је ред величине ова четири параметра значајан. Затим се ове вредности могу користити за одређивање ОЦП електроде као функције СОЦ батерије за пуњење и пражњење, респективно, из референтне криве ОЦП електроде помоћу једначина (8) и (9).
5. Резиме
Резиме методе:Овај чланак предлаже метод за издвајање равнотежног потенцијала, капацитета и брзине литирања стварних ЛИБс електрода. Метода користи псеудо ОЦВ модел и одређује ове параметре преко нелинеарног уклапања најмањих квадрата. То се постиже проучавањем просечног (између пуњења и пражњења) мерења ЛИБс псеудо ОЦВ и референтне криве ОЦП електроде.
Изгледи примене:Ова метода је примењена на комерцијални ЛФП/графит ЛИБ, а добијени резултати су задовољавајући у погледу тачности. Може се лако користити за дијагностиковање ЛИБ-ова праћењем еволуције параметара утврђених током трајања батерије, посебно капацитета електрода (ЦПЕ и ЦНЕ) и стопе литирања (ибат, 100% и кбат, 0%).