Абстрактный
Чтобы обеспечить лучшую производительность литий-ионных батарей в таких приложениях, как электромобили, необходимо использовать систему управления батареями (BMS) для мониторинга их состояния. Для этого необходимы неинвазивные инструменты для контроля заряда батареи на электродной шкале. В этой статье предлагается метод извлечения информации об электродах (равновесный потенциал, емкость и скорость литиирования в зависимости от состояния зарядки батареи) из процессов зарядки и разрядки батареи. Для определения этой информации использовалась псевдо-модель OCV, которая может уменьшить смещение, связанное с перенапряжением батареи. Точность необходимых параметров при измерении среднего значения псевдоразряжения (между разрядом и зарядом) литий-ионных батарей LFP/графита составляет примерно 1 мВ. Этот метод можно использовать для любого химического состава аккумуляторов.
1. Введение
Спрос на мониторинг LIB:Использование литий-ионных батарей в таких приложениях, как электромобили, требует системы управления батареями (BMS), которая отслеживает их состояние, чтобы обеспечить безопасность, лучшую производительность и длительный срок службы.
Недостатки и улучшения традиционного мониторинга:Традиционно LIB контролировались как «целое», без какой-либо информации об их внутреннем состоянии. Фактически, литий-ионные аккумуляторы состоят из нескольких внутренних компонентов, включая положительные и отрицательные электроды, электролит и сепаратор. Целью этой статьи является мониторинг состояния электродов LIB для лучшего контроля с упором на определение емкости электродов и равновесного потенциала в зависимости от состояния заряда батареи (SOC).
В этой статье представлен обзор метода:Предложен метод определения состояния электродов LIBS, основанный на псевдомодели OCV. Особенностью этого метода является использование среднего значения измерения псевдоразмыкающего напряжения батареи и средней эталонной кривой равновесного потенциала электрода. В разделе 2 описывается состав ЛИА псевдо-OCV и устанавливаются математические уравнения, связанные с параметрами состояния электродов и псевдо-OCV; В разделе 3 был представлен метод определения параметров электродов; Результаты этого метода были оценены в разделе 4.
2. Характеристики псевдо-OCV LIB
2.1 Определение и моделирование псевдо-OCV
Определение:Псевдо OCV (pOCV) — это напряжение батареи, когда перенапряжение батареи (η) равно нескольким десяткам милливольт (т.е. при очень малых токах), а OCV представляет собой равновесное напряжение батареи.
Факторы влияния:OCV меняется в зависимости от состояния заряда (SOC) и температуры T батареи, включая влияние различных внутренних явлений, таких как омический эффект (перенос ионов лития в электролите и электронов в электродах, внешних электрических разъемах и т. д.). и динамические эффекты (перенос и диффузия зарядов лития на каждом электроде). На η также влияют температура, SOC и история батареи (зарядка и разрядка батареи и ее состояние), поэтому pOCV также зависит от этих параметров. В данной статье основное внимание уделяется его зависимости от SOC, тогда как остальные параметры считаются постоянными. SOC рассчитывается по формуле:
Вычислите: SOCinit — это начальное состояние зарядки, I — измеренный ток, а t — время.
2.2 Сбалансированное напряжение
Описание:OCV батареи — это разница между равновесными потенциалами (OCP) положительного и отрицательного электродов. Индексы PE и NE обозначают положительные и отрицательные электроды соответственно. x и y — скорости литиирования электродов, определяемые как отношение их зарядового состояния к их емкости. Емкость электродов связана с их конкретной конструкцией и электрохимическими свойствами. OCP электрода — это количество электричества, измеренное в равновесии относительно электрода сравнения (обычно с использованием металлического литиевого электрода (Li+/Li) в качестве электрода сравнения), которое нелинейно меняется в зависимости от скорости литиирования и зависит от использования электрода. история (гистерезис). Кривая ОСР может представлять собой одно или несколько плато, количество которых зависит от химического состава электрода.
Позиция в актуальном LIB:На рисунке 3 показаны кривые OCP электрода (по сравнению со скоростью литиирования) и кривые OCV батареи (по сравнению с SOC батареи) в реальном LIB. По мере увеличения SOC батареи (во время зарядки) x увеличивается, а y уменьшается, поскольку ионы лития переходят от положительного электрода к отрицательному электроду (напротив во время разряда). Таким образом, кривая OCPPE на рисунке 3 перевернута по сравнению с рисунком 2. Cbat — это емкость аккумулятора, определяемая как максимальное значение SOC (когда аккумулятор полностью заряжен или разряжен), ybat, 100 % составляет скорость литиирования PE, когда аккумулятор полностью заряжен (когда SOCmax=Cbat), xbat, 0% — скорость литиирования NE, когда аккумулятор полностью разряжен (когда SOCmin=0 Ач), а минимальный (2,5 В) и максимальный (3,6 В) пределы напряжения аккумулятора соответствуют полностью разряженному и заряженному состояниям аккумулятора соответственно.
В реальных ЛИА электроды не могут быть использованы полностью. Когда аккумулятор полностью заряжен, уровень литиирования ybat PE близок к 100% (т. е. 1-ybat, 100 % близок к 1, как показано на рисунке 3). Когда аккумулятор полностью разряжен, уровень литиирования xbat NE также близок к 0%. Вообще говоря, расчетная мощность CNE NE больше, чем мощность CPE PE, поэтому кривая OCPNE (в Ач) на рисунке 3 больше, чем кривая OCPPE. Сверхбольшая емкость НЭ не позволяет его скорости литиирования x достичь 1 в реальном ЛИА, не допуская падения его OCP до 0 В Li+/Li (см. рис. 3, x=1), что является потенциальным значением реакции (называемое литиевым покрытием), которого LIB не хочет. Из рисунка 3 можно установить взаимосвязь между SOC батареи, x и y, что позволяет рассчитать SOC батареи с использованием уравнений (3) и (4). Уравнения (5) и (6) представляют x и y на основе SOC и других параметров. Кроме того, электродный OCP можно интегрировать в выражение pOCV путем смешивания уравнений (2) и (1).
3. Метод распознавания состояния электрода.
Параметры и измерения:В предыдущем разделе было разъяснено, что все параметры, определяющие состояние электрода (электрод OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE и CPE), включены в псевдоразмыкающее напряжение батареи. Для определения этих параметров можно использовать измерения разряда или заряда батареи pOCV и кривые OCP эталонного электрода для идентификации параметров посредством нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов.
Входные данные и целевая функция:Входные данные включают в себя исследование взаимосвязи между значениями измерения псевдо-OCV и SOC батареи во время зарядки и разрядки, чтобы получить среднее значение измерения псевдо-OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Из рисунка 4 (б) видно, что перенапряжение кривой разряда увеличивается в сторону низкого SOC, а перенапряжение кривой заряда увеличивается в сторону высокого SOC. Следовательно, ∆η увеличивается как при низком, так и при высоком уровне заряда батареи. Сосредоточьтесь только на той области, которая включает в себя три площадки (см. рис. 4 (а)), где можно извлечь полезную информацию, и ∆ η в три раза меньше перенапряжения разряда и заряда. Кроме того, можно заметить, что существует значительный сдвиг платформы между кривыми pOCV и OCV. При сравнении средних значений pOCV и OCV сдвиг сильно уменьшается, что подтверждает, что, как и ожидалось, вкладом ∆η в средний pOCV можно пренебречь.
Шаги алгоритма:На рисунке 5 показаны различные этапы алгоритма с использованием нелинейной функции оптимизации методом наименьших квадратов lsqnonlin программного обеспечения Matlab. Параметры xbat, 0% и ybat, 100% ограничены значениями от 0 до 1 и инициализируются нулем. CNE и CPE инициализируются как Cbat и ограничиваются следующим образом: для CNE — между Cbat и 1.4Cnom; Для CPE оно находится между Cbat и 1,2Cnom (Cnom — емкость аккумулятора, указанная производителем). В алгоритме расчетное OCP электрода представляется как функция SOC батареи следующим образом:
4. Результаты и обсуждение.
Экспериментальная установка:Для оценки предлагаемого метода исследование было проведено на LIB компании A123Systems. Аккумулятор имеет номинальную емкость (Cnom) 2,3 Ач и имеет цилиндрическую форму (типоразмер 18650), состоящий из графитового отрицательного электрода и положительного электрода LFP. В этом исследовании первоначальные результаты тестов измерения pOCV, проведенных при заряде C/25 (92 мА) и разряде C/25, показали, что емкость батареи Cbat составляла примерно 93% от Cnom. Эти тесты проводились при комнатной температуре (25 градусов C), а минимальное и максимальное напряжение батареи было ограничено 2,5 В и 3,6 В соответственно.
Отображение результата:На рис. 6 показаны результаты применения этого метода при исследовании аккумуляторов. На рисунке 6 (а) средняя кривая OCP электрода батареи соответствует области между двумя прерывистыми вертикальными линиями черного цвета. Расчетное среднее значение OCV (OCVest.avg) (зеленая кривая) представляет собой разницу между кривыми OCPavg, PE и OCPavg, NE внутри региона. Из рисунка 6 (б) можно заметить, что на расчетной кривой OCVest.avg наклон в сторону высокого напряжения между двумя последними платформами сглажен за счет плавности кривой OCPNE, avg (см. рисунок 6 (а)) . В целом расчетная кривая OCVest.avg ближе к среднему значению измерения pOCV. Среднеквадратическая ошибка (RMSE) между средним измерением pOCV и расчетным средним значением OCV составляет менее 1 мВ (приблизительно 0,87 мВ), что является приемлемым.
Результаты параметров:Полученные скорости литиирования xbat, {{0}}% и ybat, 100% практически равны 0,024 (значение, близкое к 0). Значения емкости CPE и CNE на 10% и 30% больше значения Cbat соответственно (т.е. положительные и отрицательные электроды в аккумуляторе не используются примерно на 10% и 30% соответственно). Значение CNE примерно на 24% выше, чем значение CPE. С физической точки зрения мы можем заметить, что порядок величины этих четырех параметров имеет значение. Затем эти значения можно использовать для определения OCP электрода как функции SOC батареи для зарядки и разрядки соответственно из эталонной кривой OCP электрода с использованием уравнений (8) и (9).
5. Резюме
Краткое описание метода:В этой статье предлагается метод определения равновесного потенциала, емкости и скорости литиирования реальных электродов ЛИА. В методе используется псевдомодель OCV, и эти параметры определяются посредством нелинейной аппроксимации методом наименьших квадратов. Это достигается путем изучения среднего (между зарядом и разрядом) измерения псевдо-OCV ЛИА и эталонной кривой электродного OCP.
Перспективы применения:Этот метод был применен к коммерческому LFP/графитовому LIB, и полученные результаты являются удовлетворительными с точки зрения точности. Его можно легко использовать для диагностики LIB путем отслеживания изменения параметров, определяемых в течение срока службы батареи, в частности емкости электродов (CPE и CNE) и скорости литиирования (ybat, 100 % и xbat, 0 %).