Abstrakts
Lai nodrošinātu labāku litija jonu akumulatoru darbību tādos lietojumos kā elektriskie transportlīdzekļi, ir jāizmanto akumulatoru pārvaldības sistēma (BMS), lai uzraudzītu to statusu. Šim nolūkam ir nepieciešami neinvazīvie instrumenti, lai uzraudzītu akumulatoru elektrodu skalā. Šajā rakstā ir piedāvāta metode elektrodu informācijas iegūšanai (līdzsvara potenciāls, kapacitāte un litācijas ātrums kā akumulatora uzlādes stāvokļa funkcijas) no akumulatora uzlādes un izlādes. Šīs informācijas noteikšanai tika izmantots pseido OCV modelis, kas var samazināt ar akumulatora pārspriegumu saistīto novirzi. Nepieciešamo parametru precizitāte LFP/grafīta litija jonu akumulatoru pseidoOCV vidējā (starp izlādi un uzlādi) mērījumā ir aptuveni 1 mV. Šo metodi var izmantot jebkurai akumulatora ķīmijai.
1. Ievads
Pieprasījums pēc LIB monitoringa:Litija jonu akumulatoru izmantošanai tādos lietojumos kā elektriskie transportlīdzekļi ir nepieciešama akumulatoru pārvaldības sistēma (BMS), lai uzraudzītu to statusu, lai nodrošinātu drošību, labāku veiktspēju un ilgu kalpošanas laiku.
Tradicionālās uzraudzības trūkumi un uzlabojumi:Tradicionāli LIB tika uzraudzīti kā “veselums”, bez jebkādas informācijas par to iekšējo stāvokli. Faktiski litija jonu akumulatori sastāv no vairākiem iekšējiem komponentiem, tostarp pozitīviem un negatīviem elektrodiem, elektrolīta un separatora. Šī raksta mērķis ir uzraudzīt LIB elektrodu statusu, lai nodrošinātu labāku kontroli, koncentrējoties uz elektrodu kapacitātes un līdzsvara potenciāla noteikšanu kā akumulatora uzlādes stāvokļa (SOC) funkcijām.
Šajā rakstā ir sniegts pārskats par šo metodi:LIBS elektrodu stāvokļa noteikšanai tiek piedāvāta metode, kuras pamatā ir pseidoOCV modelis. Šīs metodes īpašība ir izmantot akumulatora pseido OCV vidējo mērījumu vērtību un elektrodu līdzsvara potenciāla vidējo atsauces līkni. Raksta 2. sadaļā ir aprakstīts LIB pseido OCV sastāvs un izveidoti matemātiski vienādojumi, kas saistīti ar elektrodu stāvokļa parametriem un pseido OCV; 3. sadaļā tika ieviesta metode elektrodu parametru noteikšanai; Šīs metodes rezultāti tika novērtēti 4. sadaļā.
2. LIB pseidoOCV raksturojums
2.1. Pseido OCV definīcija un modelēšana
Definīcija:PseidoOCV (pOCV) ir akumulatora spriegums, kad akumulatora pārspriegums (η) ir vienāds ar vairākiem desmitiem milivoltu (ti, pie ļoti zemām strāvām), un OCV ir akumulatora līdzsvara spriegums.
Ietekmējošie faktori:OCV mainās atkarībā no akumulatora uzlādes stāvokļa (SOC) un temperatūras T, ieskaitot dažādu iekšējo parādību, piemēram, Ohmiskā efekta ieguldījumu (litija jonu transportēšana elektrolītā un elektronu transportēšana elektrodos, ārējie elektriskie savienotāji utt.) un dinamiskie efekti (litija lādiņu pārnešana un difūzija uz katra elektroda). η ietekmē arī temperatūra, SOC un akumulatora vēsture (akumulatora uzlāde un izlāde un tā veselības stāvoklis), tāpēc pOCV arī mainās atkarībā no šiem parametriem. Šis raksts galvenokārt koncentrējas uz tā atkarību no SOC, savukārt citi parametri tiek uzskatīti par konstantēm. SOC aprēķina, izmantojot formulu:
Aprēķiniet, SOCinit ir sākotnējais uzlādes stāvoklis, I ir izmērītā strāva, un t apzīmē laiku.
2.2 Līdzsvarots spriegums
Apraksts:Akumulatora OCV ir starpība starp pozitīvā un negatīvā elektroda līdzsvara potenciālu (OCP). Apakšindeksi PE un NE apzīmē attiecīgi pozitīvos un negatīvos elektrodus. x un y ir elektrodu litācijas ātrums, kas definēts kā to uzlādes stāvokļa attiecība pret kapacitāti. Elektrodu kapacitāte ir saistīta ar to īpašo konstrukciju un elektroķīmiskajām īpašībām. Elektroda OCP ir elektroenerģijas daudzums, ko mēra līdzsvarā attiecībā pret atsauces elektrodu (parasti izmantojot metāla litija elektrodu (Li+/Li) kā atsauces elektrodu), kas mainās nelineāri atkarībā no litācijas ātruma un ko ietekmē elektroda lietojums. vēsture (histerēze). OCP līknē var būt viens vai vairāki plato, kuru skaits ir atkarīgs no elektroda ķīmiskā sastāva.
Pozīcija faktiskajā LIB:3. attēlā parādītas elektroda OCP (salīdzinājumā ar litācijas ātrumu) un akumulatora OCV līknes (salīdzinājumā ar akumulatora SOC) faktiskajā LIB. Palielinoties akumulatora SOC (uzlādes laikā), x palielinās un y samazinās, jo litija joni pāriet no pozitīvā elektroda uz negatīvo elektrodu (pretēji izlādes laikā). Tāpēc OCPPE līkne 3. attēlā ir apgriezta, salīdzinot ar 2. attēlu. Cbat ir akumulatora jauda, kas definēta kā maksimālā SOC vērtība (kad akumulators ir pilnībā uzlādēts vai izlādējies), ybat, 100% ir PE litācijas ātrums, kad akumulators ir pilnībā uzlādēts (ja SOCmax=Cbat), xbat, 0% ir NE litācijas ātrums, kad akumulators ir pilnībā izlādējies (kad SOCmin=0 Ah), un akumulatora sprieguma minimālā (2,5 V) un maksimālā (3,6 V) robeža atbilst attiecīgi pilnībā izlādētam un uzlādētam akumulatora stāvoklim.
Faktiskajiem LIB elektrodus nevar pilnībā izmantot. Kad akumulators ir pilnībā uzlādēts, PE litācijas ātrums ybats ir tuvu 100% (ti, 1-ybat, 100% tuvu 1, kā parādīts 3. attēlā). Kad akumulators ir pilnībā izlādējies, arī NE litācijas ātrums xbat ir tuvu 0%. Vispārīgi runājot, NE projektētā jauda CNE ir lielāka par PE kapacitātes CPE, tāpēc OCPNE līkne (Ah) 3. attēlā ir lielāka nekā OCPPE. Īpaši lielā NE jauda neļauj tā litācijas ātrumam x sasniegt 1 faktiskajā LIB, izvairoties no tā OCP pazemināšanās līdz 0 V Li+/Li (sk. 3. attēlu, x=1), kas ir reakcijas potenciālā vērtība. (ko sauc par litija pārklājumu), kas LIB nevēlas notikt. No 3. attēla var noteikt saistību starp akumulatora SOC, x un y, ļaujot aprēķināt akumulatora SOC, izmantojot vienādojumus (3) un (4). Vienādojumi (5) un (6) attēlo x un y, pamatojoties uz SOC un citiem parametriem. Turklāt elektrodu OCP var integrēt pOCV izteiksmē, sajaucot vienādojumus (2) un (1).
3. Elektrodu stāvokļa atpazīšanas metode
Parametri un mērījumi:Iepriekšējā sadaļā tika paskaidrots, ka parametri, kas nosaka elektroda stāvokli (OCP elektrods, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE un CPE), ir iekļauti akumulatora pseido OCV. Lai noteiktu šos parametrus, var izmantot akumulatora pOCV izlādes vai uzlādes mērījumus un atsauces elektrodu OCP līknes, lai identificētu parametrus, izmantojot nelineāru mazāko kvadrātu montāžu.
Ievaddati un mērķa funkcija:Ievaddati ietver saistību izpēti starp pseido OCV mērījumu vērtībām un akumulatora SOC uzlādes un izlādes laikā, lai iegūtu vidējo pseido OCV mērījumu vērtību (pOCVavg.meas (SOC)). No 4. (b) attēla var novērot, ka izlādes līknes pārspriegums palielinās virzienā uz zemu SOC, savukārt uzlādes līknes pārspriegums palielinās pretī augstam SOC. Tāpēc ∆ η palielinās gan no zema, gan augsta akumulatora SOC. Koncentrējieties tikai uz apgabalu, kurā ietilpst trīs platformas (sk. 4. (a) attēlu), kur var iegūt noderīgu informāciju, un ∆ η ir trīs reizes mazāks par izlādes un uzlādes pārspriegumu. Turklāt var novērot, ka pastāv ievērojama platformas maiņa starp pOCV un OCV līknēm. Salīdzinot pOCV un OCV vidējās vērtības, nobīde ir ievērojami samazināta, kas apstiprina, ka, kā gaidīts, ∆ η ieguldījumu vidējā pOCV var ignorēt.
Algoritma soļi:5. attēlā parādīti dažādi algoritma soļi, izmantojot Matlab programmatūras nelineāro mazāko kvadrātu optimizācijas funkciju lsqnonlin. Parametri xbat, 0% un ybat, 100% ierobežoti no 0 līdz 1 un inicializēti līdz nullei. CNE un CPE tiek inicializēti uz Cbat un ierobežoti šādi: CNE gadījumā starp Cbat un 1.4Cnom; CPE gadījumā tas ir no Cbat līdz 1,2 Cnom (Cnom ir akumulatora jauda, ko nodrošina ražotājs). Algoritmā aprēķinātais elektrods OCP tiek attēlots kā akumulatora SOC funkcija šādā veidā:
4. Rezultāti un diskusija
Eksperimentālā iestatīšana:Lai novērtētu piedāvāto metodi, pētījums tika veikts ar A123Systems LIB. Akumulatora nominālā jauda (Cnom) ir 2,3 Ah, un tā ir cilindriska forma (izmērs 18650), kas sastāv no grafīta negatīvā elektroda un LFP pozitīvā elektroda. Šajā pētījumā sākotnējie pOCV mērījumu testu rezultāti, kas veikti ar uzlādi C/25 (92mA) un izlādi C/25, parādīja, ka akumulatora jauda Cbat bija aptuveni 93% no Cnom. Šie testi tika veikti istabas temperatūrā (25 grādi C), un minimālais un maksimālais akumulatora spriegums bija attiecīgi ierobežots līdz 2,5 V un 3,6 V.
Rezultātu displejs:6. attēlā parādīti šīs metodes pielietošanas rezultāti bateriju izpētē. 6. attēlā (a) akumulatora elektroda vidējā OCP līkne atbilst laukumam starp divām pārtrauktām vertikālām līnijām melnā krāsā. Aprēķinātais vidējais OCV (OCVest.avg) (zaļā līkne) atspoguļo atšķirību starp OCPavg, PE un OCPavg, NE līknēm reģionā. No 6. (b) attēla var novērot, ka aprēķinātajā OCVest.avg līknē slīpums pret augstu spriegumu starp pēdējām divām platformām ir izlīdzināts OCPNE, avg līknes gluduma dēļ (sk. 6. attēlu (a)). . Kopumā aprēķinātā OCVest.avg līkne ir tuvāka vidējai pOCV mērījuma vērtībai. Vidējā kvadrātiskā kļūda (RMSE) starp vidējo pOCV mērījumu un aprēķināto vidējo OCV ir mazāka par 1 mV (aptuveni 0,87 mV), kas ir pieņemami.
Parametru rezultāti:Iegūtie litācijas koeficienti xbat, {0}% un ybat, 100% ir gandrīz vienādi ar 0,024 (vērtība tuvu 0). CPE un CNE jaudas vērtības ir attiecīgi par 10% un 30% lielākas nekā Cbat vērtība (ti, pozitīvo un negatīvo elektrodu akumulatorā neizmanto attiecīgi par 10% un 30%). CNE vērtība ir aptuveni par 24% augstāka nekā CPE vērtība. No fiziskā viedokļa mēs varam novērot, ka šo četru parametru lieluma secība ir nozīmīga. Pēc tam šīs vērtības var izmantot, lai noteiktu elektrodu OCP kā akumulatora SOC funkciju attiecīgi uzlādēšanai un izlādei no elektroda OCP atsauces līknes, izmantojot vienādojumus (8) un (9).
5. Kopsavilkums
Metodes kopsavilkums:Šajā rakstā ir piedāvāta metode faktisko LIB elektrodu līdzsvara potenciāla, kapacitātes un litācijas ātruma iegūšanai. Metode izmanto pseido OCV modeli un nosaka šos parametrus, izmantojot nelineāru mazāko kvadrātu pielāgošanu. Tas tiek panākts, pētot vidējo (starp uzlādi un izlādi) LIB pseido OCV mērījumus un elektroda OCP atsauces līkni.
Pieteikšanās perspektīvas:Šī metode ir piemērota komerciālai LFP/grafīta LIB, un iegūtie rezultāti ir apmierinoši precizitātes ziņā. To var viegli izmantot LIB diagnosticēšanai, izsekojot akumulatora darbības laikā noteikto parametru attīstību, jo īpaši elektrodu kapacitāti (CPE un CNE) un litācijas ātrumu (ybat, 100% un xbat, 0%).