Pentru baterii comerciale cu litiu-ion: analiza algoritmului de încărcare rapidă MCC optimizată pentru măsurarea cu trei electrozi

Abstract

Acest articol propune o nouă metodă care oferă un algoritm de încărcare cu curent constant în mai multe etape (MCC) dependent de starea de încărcare foarte precisă pentru bateriile vehiculelor electrice. Acest algoritm reduce semnificativ timpul de încărcare evitând placarea cu litiu, fără a accelera procesul de îmbătrânire. În primul rând, cu ajutorul tehnologiei de măsurare cu trei electrozi, a fost analizată experimental relația dintre rata curentului, starea de încărcare și placarea cu litiu și a fost propus un algoritm de încărcare bazat pe dependența SOC (State of Charge). În al doilea rând, un algoritm de estimare a SOC bazat pe filtrul Kalman extins a fost dezvoltat în mediul MATLAB/Simulink pentru a obține o estimare SOC de înaltă precizie și un control precis al procesului de încărcare. Rezultatele experimentale arată că eroarea pătratică medie (RMSE) a estimării SOC este de 1,08%, iar timpul de încărcare este redus cu 30% în intervalul de la 0% la 80% SOC.

1. Introducere

Factorii de influență ai timpului de încărcare și limitările protocoalelor de încărcare existente:Cantitatea de încărcare publică globală și cota de încărcare rapidă au crescut în ultimul deceniu, dar timpul de încărcare nu depinde doar de capacitatea încărcătorului, ci și de caracteristicile bateriei, condițiile de mediu și protocoalele de încărcare. Protocolul standard de încărcare pentru LIB este tensiune constantă de curent constant (CC-CV), care include două etape: curent constant (CC) și tensiune constantă (CV). Etapa CV lungă limitează reducerea timpului total de încărcare, iar curentul mare de încărcare poate duce la placarea cu litiu, afectând durata de viață și siguranța bateriei. Prin urmare, impactul protocolului de încărcare asupra duratei de viață a bateriei nu poate fi ignorat.

Contextul cercetării și avantajele protocolului de încărcare cu curent constant în mai multe etape:Pentru a optimiza echilibrul dintre timpul de încărcare, eficiență și durata de viață a bateriei, au fost propuse mai multe protocoale de încărcare, printre care protocolul de încărcare cu curent constant în mai multe etape (MCC) a fost studiat pe larg. Protocolul MCC poate reduce timpul de încărcare și poate prelungi durata de viață a bateriei, iar tranziția sa de etapă se poate baza pe intervalul SOC sau pe limita superioară a tensiunii. Principala provocare este de a determina numărul optim de trepte CC, rata curentă și condițiile de conversie pentru încărcarea MCC, care pot fi rezolvate folosind metodele Taguchi, algoritmi de optimizare sau prin detectarea plăcii Li pentru a determina modul optim de curent de încărcare.

Inovația și structura articolului acestui studiu

Punct de inovare:Acest studiu integrează pragul SOC obținut din experimente cu trei electrozi cu un estimator SOC de înaltă precizie pentru algoritmul de încărcare MCC, dezvoltând un ghid scalabil de curent de încărcare pentru bateriile comerciale standard, eliminând necesitatea unui al treilea electrod fizic în aplicații și nevoia de extindere. testarea bateriei în timpul etapei de dezvoltare a protocolului de încărcare, cu scopul de a reduce timpul de încărcare și de a preveni îmbătrânirea accelerată a bateriei cauzată de încărcarea rapidă.

Structura acestui articol:În primul rând, modul optim de încărcare este proiectat folosind metoda cu trei electrozi, iar o baterie experimentală cu trei electrozi este reconstruită dintr-o baterie comercială 21700 NMC; În al doilea rând, dezvoltați un estimator SOC bazat pe filtru Kalman extins (EKF), potrivit pentru sistemele de management al bateriei (BMS); Apoi efectuați testarea bateriei pentru a verifica performanța metodei, efectuați teste de îmbătrânire și comparați protocolul MCC cu încărcarea standard CC-CV; În cele din urmă, oferiți o concluzie.

2. Materiale și Metode

Analiza caracteristicilor electrochimice:Efectuați o analiză de măsurare a trei electrozi pe electrodul bateriei cilindrice comerciale 21700 NMC. În primul rând, descărcați bateria la tensiunea limită inferioară după 5 cicluri standard conform specificațiilor producătorului. Deschideți bateria într-o cutie de torpedo cu argon, îndepărtați și procesați electrozii și pregătiți o baterie cu trei electrozi. Datorită caracteristicilor materialelor electrodului LIB, sunt necesari electrozi de referință suplimentari pentru a observa separat procesele electrodului de lucru și contraelectrodului. Caracteristicile electrochimice ale bateriei experimentale cu trei electrozi sunt similare cu cele ale bateriilor comerciale. Prin determinarea ariei de acoperire a electrodului și a capacității specifice, efectuând teste la diferite rate de încărcare și descărcare, observând potențialele anodului și catodic, determinând SOC critic al placarii cu litiu la diferite rate C și normalizând protocolul MCC pentru a-l face aplicabil în mediul comercial. baterii, experimentul a fost efectuat la 25 de grade C și va trebui validat în diferite condiții de mediu în viitor.

Modelarea bateriei și identificarea parametrilor:Folosind un model de circuit echivalent Thevenin (ECM) cu o singură ramură RC pentru a simula caracteristicile electrice ale LIB, parametrii modelului (inclusiv tensiunea în circuit deschis, rezistența ohmică, rezistența de polarizare și capacitatea) sunt determinați cu precizie în trepte de 10% SOC la diferite temperaturi și direcții de descărcare a sarcinii prin testarea caracteristicii de putere a impulsurilor hibride (HPPC). Valorile parametrilor sunt compilate într-un tabel de căutare 3D pentru a pune bazele estimării SOC.

Estimarea stării de încărcare:Variația SOC a LIB poate fi exprimată în funcție de timp, iar numărarea Coulomb este metoda de bază de estimare bazată pe aceasta, dar există erori. Prin urmare, un filtru Kalman extins (EKF) este utilizat pentru estimarea SOC. EKF rezolvă în mod eficient provocările din estimarea SOC prin liniarizarea sistemelor neliniare și combinând semnalele de măsurare a curentului, tensiunii și temperaturii. Algoritmul său include doi pași principali: predicție și actualizare. Pe baza definițiilor Thevenin ECM și SOC, procesele și ecuațiile de măsurare sunt date în domeniul timpului discret. EKF presupune că zgomotul de proces și zgomotul de măsurare sunt procese independente de zgomot Gaussian cu medie zero și liniarizează funcția de măsurare prin matricea Jacobi.

Analiza îmbătrânirii:Efectuați teste ciclice pe trei baterii utilizând proceduri standard de încărcare și două baterii utilizând algoritmul de încărcare MCC, cu testarea capacității și testarea rezistenței interne în curent continuu (RiDC) la fiecare 50 de cicluri. Testul de capacitate adoptă programul standard de încărcare CCCV pentru a încărca și descărca la 1C curent la tensiunea limită inferioară. Testul RiDC aplică impulsuri de curent 1C la diferite niveluri SOC și măsoară rezistența internă. Gradul de îmbătrânire al bateriei este descris prin calcularea stării de sănătate (SOH) a bateriei, care este definită ca raportul dintre capacitatea reală și capacitatea de referință inițială. Testul de îmbătrânire se efectuează până la sfârșitul duratei de viață a bateriei (80% SOH).

3. Rezultate

Rezultatele analizei caracteristicilor electrochimice

Modificări ale potențialului electrodului la diferite rate C: 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>0V scade treptat. Proiectarea protocolului de încărcare MCC: Pe baza rezultatelor de mai sus, a fost proiectată o curbă de încărcare cu curent constant în mai multe etape (MCC). Figura 5 prezintă etapele de încărcare dependente de SOC, iar Tabelul 3 rezumă detaliile fiecărei etape. În comparație cu protocolul standard de încărcare CCCV, protocolul MCC are un avantaj de timp în intervalul SOC scăzut, încărcarea la 80% SOC este cu aproximativ 30% mai rapidă decât încărcarea standard, iar încărcarea MCC este, de asemenea, cu aproximativ 10% mai rapidă când este complet încărcată.

Identificarea parametrilor și rezultatele modelării bateriei

Determinarea parametrilor modelului:Analizați rezultatele testului HPPC în Matlab și utilizați funcția „fminsearch()” pentru a determina parametrii de tensiune în circuit deschis, rezistență și capacitate ai modelului de baterie la diferite temperaturi și niveluri SOC. Analizați impactul temperaturii asupra capacității bateriei, încorporați rezultatele testului de capacitate într-un tabel de căutare 2D legat de temperatură și găsiți că SOC are o influență limitată asupra parametrilor modelului. Pentru a simplifica, considerați-o ca o constantă în formulă.

Validarea modelului:Modelul bateriei și estimatorul SOC sunt validate prin descărcarea completă a bateriei de testare, urmată de testarea curentului dinamic la diferite rate de încărcare și niveluri SOC. Simulați aceeași secvență de testare în mediul MATLAB/Simulink și comparați-o cu datele experimentale folosind evaluarea erorii pătratice medii (RMSE). Valoarea RMSE a simulării tensiunii este de 7,09 mV. Deși există o eroare semnificativă atunci când bateria este complet descărcată, performanța modelului este robustă și poate capta cu acuratețe dinamica tensiunii bateriei în diferite condiții de încărcare.

Rezultatele estimatorului SOC bazat pe EKF:Verificați estimatorul SOC bazat pe EKF la 25 de grade C și comparați valoarea SOC estimată prin algoritmul EKF cu valoarea SOC de referință obținută prin metoda de numărare Coulomb. Curentul de testare are o rezoluție de 1 mA și o precizie de 0,1%. La etapa inițială, a existat o abatere între SOC estimat de EKF și SOC de referință. Pe măsură ce testarea a progresat rapid, RMSE a fost de 1,08%. Algoritmul a reușit să urmărească cu precizie SOC, în special în timpul fazei de încărcare, și a putut controla cu precizie curentul de încărcare.

Rezultatele de performanță în vârstă ale algoritmului de încărcare MCC

Rezultatele testului de îmbătrânire:Figura 10 prezintă rezultatele testului de îmbătrânire. Au fost testate trei baterii de încărcare standard și două de încărcare MCC, iar abaterea dintre fiecare grup de baterii poate fi ignorată. În timpul etapei incipiente a testării de îmbătrânire (până la 90% SOH), rata de îmbătrânire a încărcării MCC este puțin mai lentă. Când luăm în considerare valoarea medie, bateriile încărcate MCC ating 80% SOH la sfârșitul duratei de viață cu aproximativ 50 de cicluri mai devreme decât bateriile încărcate standard, dar efectul general asupra ratei de îmbătrânire nu este semnificativ. Bateria încărcată de MCC a arătat o scădere ușoară a SOH după 850 de cicluri din cauza întreruperii testării.

Rezultatul modificării rezistenței interne:Figura arată modificările rezistenței interne totale (R₀+R₁) a bateriei în cadrul a două protocoale de încărcare la 25 grade C și 50% SOC. Diferența de rezistență inițială și valoarea SOH se datorează timpilor diferiți de stocare a bateriei. Rezistența internă a bateriilor cu ambele metode de încărcare a scăzut ușor în stadiile incipiente ale îmbătrânirii, iar apoi a crescut odată cu îmbătrânirea. Algoritmul de încărcare MCC nu a provocat placarea suplimentară cu litiu, ceea ce este în concordanță cu rezultatele testului de capacitate, indicând faptul că algoritmul MCC menține integritatea caracteristicilor de îmbătrânire a bateriei.

4. Discuție și rezumat

Contribuția la cercetare la tehnologia de încărcare a bateriei MCC:Prin integrarea estimatorilor SOC de înaltă precizie și aplicarea acestora la bateriile cilindrice comerciale (chimia bateriei NMC), se aduce contribuția la tehnologia de încărcare MCC a bateriilor. Integrarea cu succes a facilitat transferul pragurilor precise de SOC obținute din experimentele cu trei electrozi la nivelul bateriei comerciale, îmbunătățind aplicațiile practice și reducând decalajul dintre cunoștințele experimentale și implementarea industrială.

Algoritm de încărcare MCC optimizat pentru îmbătrânire:Este introdus un algoritm de încărcare MCC optimizat pentru îmbătrânire, dependent de SOC, care reduce timpul de încărcare fără a accelera degradarea bateriei prin reducerea riscului de placare cu litiu. S-a subliniat importanța combinării tehnicilor de analiză electrochimică, modelare și estimare pentru a aborda provocările cheie în încărcarea bateriilor, iar SOC a fost folosit ca parametru de transfer pentru a se asigura că rezultatele de laborator pot fi extinse la aplicații industriale.

Avantajele modului și protocolului de încărcare:Modul optim de încărcare poate fi determinat prin intermediul unor baterii experimentale cu trei electrozi, iar potențialul anodului poate fi monitorizat pentru a detecta placarea cu litiu. Protocolul de încărcare MCC propus, combinat cu pragul SOC obținut în urma experimentelor, este mai stabil în comparație cu protocoalele MCC tradiționale bazate pe tensiune și este mai puțin afectat de factori precum schimbările de temperatură și histerezisul electrochimic.

Rolul și rezultatele experimentale ale estimatorului SOC:A fost dezvoltat un estimator SOC bazat pe filtrul Kalman extins (EKF), cu un RMSE de 1,08%, potrivit pentru sistemele de management al bateriei (BMS). Rezultatele experimentale arată că, în comparație cu metoda tradițională de încărcare cu curent constant constant (CC-CV), această metodă poate reduce timpul pentru a ajunge la 80% SOC cu 30% fără a accelera procesul de îmbătrânire.