Abstract
Pentru a asigura o performanță mai bună a bateriilor litiu-ion în aplicații precum vehiculele electrice, este necesar să se utilizeze un sistem de gestionare a bateriilor (BMS) pentru a monitoriza starea acestora. În acest scop, sunt necesare instrumente non-invazive pentru a monitoriza bateria la scara electrozilor. Acest articol propune o metodă pentru extragerea informațiilor despre electrozi (potențial de echilibru, capacitate și rata de litie în funcție de starea de încărcare a bateriei) din încărcarea și descărcarea bateriei. Pentru a determina aceste informații a fost utilizat un model pseudo OCV, care poate reduce distorsiunea legată de supratensiunea bateriei. Precizia parametrilor necesari în măsurarea medie pseudo OCV (între descărcare și încărcare) a bateriilor litiu-ion LFP/grafit este de aproximativ 1 mV. Această metodă poate fi utilizată pentru orice chimie a bateriei.
1. Introducere
Cererea de monitorizare a LIB-urilor:Utilizarea bateriilor litiu-ion în aplicații precum vehiculele electrice necesită un sistem de management al bateriei (BMS) pentru a le monitoriza starea pentru a asigura siguranță, performanță mai bună și durată lungă de viață.
Deficiențe și îmbunătățiri ale monitorizării tradiționale:În mod tradițional, LIB-urile erau monitorizate ca un „întreg”, fără nicio informație despre starea lor internă. De fapt, bateriile litiu-ion constau din mai multe componente interne, inclusiv electrozi pozitivi și negativi, electrolit și separator. Acest articol își propune să monitorizeze starea electrodului LIB-urilor pentru un control mai bun, cu accent pe determinarea capacității electrodului și a potențialului de echilibru în funcție de starea de încărcare a bateriei (SOC).
Acest articol oferă o prezentare generală a metodei:Se propune o metodă bazată pe un model pseudo OCV pentru a determina starea electrozilor LIBS. Caracteristica acestei metode este de a utiliza valoarea medie de măsurare a pseudo-OCV a bateriei și curba de referință medie a potențialului de echilibru al electrodului. Articolul descrie compoziția pseudo-OCV-urilor LIB în Secțiunea 2 și stabilește ecuații matematice legate de parametrii de stare a electrodului și pseudo-OCV; În Secțiunea 3 a fost introdusă metoda de determinare a parametrilor electrozilor; Rezultatele acestei metode au fost evaluate în secțiunea 4.
2. Caracteristicile LIB pseudo OCV
2.1 Definirea și Modelarea Pseudo OCV
Definiţie:Pseudo OCV (pOCV) este tensiunea bateriei când supratensiunea bateriei (η) este egală cu câteva zeci de milivolți (adică la curenți foarte mici), iar OCV reprezintă tensiunea de echilibru a bateriei.
Factori de influență:OCV variază în funcție de starea de încărcare (SOC) și temperatura T a bateriei, incluzând contribuția diferitelor fenomene interne, cum ar fi efectul ohmic (transportul ionilor de litiu în electrolit și al electronilor în electrozi, conectori electrici externi etc.) și efecte dinamice (transferul și difuzia sarcinilor de litiu pe fiecare electrod). η este, de asemenea, afectat de temperatură, SOC și istoricul bateriei (încărcarea și descărcarea bateriei și starea de sănătate a acesteia), astfel încât pOCV variază și în funcție de acești parametri. Acest articol se concentrează în principal pe dependența sa de SOC, în timp ce alți parametri sunt considerați constante. SOC se calculează folosind formula:
Calculați, SOCinit este starea inițială de încărcare, I este curentul măsurat și t reprezintă timpul.
2.2 Tensiune echilibrată
Descriere:OCV al unei baterii este diferența dintre potențialele de echilibru (OCP) ale electrozilor pozitivi și negativi. Indicele PE și NE reprezintă electrozii pozitivi și, respectiv, negativi. x și y sunt ratele de litie ale electrozilor, definite ca raportul dintre starea lor de încărcare și capacitatea lor. Capacitatea electrodului este legată de designul lor specific și de proprietățile electrochimice. OCP a unui electrod este cantitatea de electricitate măsurată în echilibru în raport cu un electrod de referință (folosind de obicei un electrod metalic de litiu (Li+/Li) ca electrod de referință), care variază neliniar cu rata de litiere și este influențată de utilizarea electrodului. istoric (histereză). Curba OCP poate prezenta unul sau mai multe platouri, al căror număr depinde de compoziția chimică a electrodului.
Poziția în LIB reală:Figura 3 arată curbele OCP a electrodului (comparativ cu rata de litie) și curbele OCV a bateriei (comparativ cu SOC a bateriei) în LIB real. Pe măsură ce SOC bateriei crește (în timpul încărcării), x crește și y scade deoarece ionii de litiu se transferă de la electrodul pozitiv la cel negativ (opus în timpul descărcării). Prin urmare, curba OCPPE din Figura 3 este inversată comparativ cu Figura 2. Cbat este capacitatea bateriei, definită ca valoarea maximă a SOC (când bateria este complet încărcată sau descărcată), ybat, 100% este rata de litie a PE atunci când bateria este complet încărcată (când SOCmax=Cbat), xbat, 0% este rata de litie a NE când bateria este complet descărcat (când SOCmin=0 Ah), iar limitele minime (2,5 V) și maxime (3,6 V) ale tensiunii bateriei corespund stărilor complet descărcate și, respectiv, încărcate ale bateriei.
Pentru LIB-urile reale, electrozii nu pot fi utilizați pe deplin. Când bateria este complet încărcată, rata de litie ybat a PE este aproape de 100% (adică 1-ybat, 100% aproape de 1, după cum se arată în Figura 3). Când bateria este complet descărcată, rata de litie xbat a NE este, de asemenea, aproape de 0%. În general, capacitatea de proiectare CNE a NE este mai mare decât capacitatea CPE a PE, astfel încât curba OCPNE (în Ah) din Figura 3 este mai mare decât cea a OCPPE. Capacitatea ultra mare a NE împiedică rata sa de litiare x să atingă 1 în LIB real, evitând ca OCP să scadă la 0 V Li+/Li (vezi Figura 3, x=1), care este valoarea potențială a reacției (numită placare cu litiu) care LIB nu dorește să apară. Din figura 3, relația dintre SOC baterie, x și y poate fi stabilită, permițând calcularea SOC bateriei folosind ecuațiile (3) și (4). Ecuațiile (5) și (6) reprezintă x și y pe baza SOC și a altor parametri. În plus, electrodul OCP poate fi integrat în expresia pOCV prin amestecarea ecuațiilor (2) și (1).
3. Metoda de recunoaștere a stării electrodului
Parametri și măsurători:În secțiunea anterioară, a fost clarificat faptul că parametrii care definesc starea electrodului (electrodul OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE și CPE) sunt cu toții incluși în pseudo-OCV al bateriei. Pentru a determina acești parametri, măsurătorile de descărcare sau încărcare ale pOCV ale bateriei și curbele OCP ale electrodului de referință pot fi utilizate pentru a identifica parametrii prin potrivirea neliniară a celor mai mici pătrate.
Date de intrare și funcție obiectiv:Datele de intrare includ studierea relației dintre valorile de măsurare pseudo OCV și SOC ale bateriei în timpul încărcării și descărcării, pentru a obține valoarea medie de măsurare a pseudo OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Din Figura 4 (b), se poate observa că supratensiunea curbei de descărcare crește spre SOC scăzut, în timp ce supratensiunea curbei de încărcare crește spre SOC ridicat. Prin urmare, ∆ η crește atât de la SOC de baterie scăzută, cât și de la cea mare. Concentrați-vă doar asupra zonei care include trei platforme (a se vedea Figura 4 (a)), unde pot fi extrase informații utile și ∆ η este de trei ori mai mic decât supratensiunea de descărcare și încărcare. În plus, se poate observa că există o schimbare semnificativă a platformei între curbele pOCV și OCV. Prin compararea valorilor medii ale pOCV și OCV, deplasarea este mult redusă, ceea ce confirmă faptul că, așa cum era de așteptat, contribuția lui ∆ η în pOCV mediu poate fi ignorată.
Etapele algoritmului:Figura 5 prezintă diferiții pași ai algoritmului, folosind funcția de optimizare neliniară a celor mai mici pătrate lsqnonlin a software-ului Matlab. Parametrii xbat, 0% și ybat, 100% restricționați între 0 și 1 și inițializați la zero. CNE și CPE sunt inițializate la Cbat și restricționate după cum urmează: pentru CNE, între Cbat și 1.4Cnom; Pentru CPE, este între Cbat și 1.2Cnom (Cnom este capacitatea bateriei furnizată de producător). În algoritm, electrodul estimat OCP este reprezentat în funcție de SOC baterie în următorul mod:
4. Rezultate și discuții
Configurare experimentală:Pentru a evalua metoda propusă, studiul a fost realizat pe LIB-ul A123Systems. Bateria are o capacitate nominală (Cnom) de 2,3Ah și are formă cilindrică (dimensiunea 18650), constând dintr-un electrod negativ din grafit și un electrod pozitiv LFP. În acest studiu, rezultatele inițiale ale testelor de măsurare pOCV efectuate la încărcare C/25 (92mA) și descărcare C/25 au arătat că capacitatea bateriei Cbat a fost de aproximativ 93% din Cnom. Aceste teste au fost efectuate la temperatura camerei (25 grade C), iar tensiunile minime și maxime ale bateriei au fost limitate la 2,5 V și, respectiv, 3,6 V.
Afisare rezultat:Figura 6 prezintă rezultatele aplicării acestei metode în studiul bateriilor. În Figura 6 (a), curba medie OCP a electrodului bateriei corespunde zonei dintre două linii verticale discontinue în negru. OCV mediu estimat (OCVest.avg) (curba verde) reprezintă diferența dintre curbele OCPavg, PE și OCPavg, NE din regiune. Din Figura 6 (b), se poate observa că în curba estimată OCVest.avg, panta către tensiune înaltă între ultimele două platforme este netezită datorită netezirii curbei OCPNE, avg (vezi Figura 6 (a)) . În general, curba estimată OCVest.avg este mai aproape de valoarea medie de măsurare a pOCV. Eroarea pătratică medie (RMSE) dintre măsurarea medie pOCV și OCV medie estimată este mai mică de 1 mV (aproximativ 0.87mV), ceea ce este acceptabil.
Rezultate parametri:Ratele de litie obţinute xbat, {{0}}% şi ybat, 100% sunt aproape egale cu 0,024 (o valoare apropiată de 0). Valorile capacității CPE și CNE sunt cu 10% și, respectiv, 30% mai mari decât valoarea lui Cbat (adică electrozii pozitivi și negativi din baterie nu sunt utilizați cu aproximativ 10% și respectiv 30%). Valoarea CNE este cu aproximativ 24% mai mare decât cea a CPE. Din punct de vedere fizic, putem observa că ordinul de mărime al acestor patru parametri este semnificativ. Apoi, aceste valori pot fi utilizate pentru a determina OCP electrodului în funcție de SOC a bateriei pentru încărcare și, respectiv, descărcare din curba de referință a OCP electrodului folosind ecuațiile (8) și (9).
5. Rezumat
Rezumatul metodei:Acest articol propune o metodă pentru extragerea potențialului de echilibru, a capacității și a ratei de litiere a electrozilor LIB reali. Metoda folosește un model pseudo OCV și determină acești parametri prin potrivirea neliniară a celor mai mici pătrate. Se realizează prin studierea măsurătorilor medii (între sarcină și descărcare) a pseudo-OCV LIB și curba de referință a electrodului OCP.
Perspective de aplicare:Această metodă a fost aplicată la LFP/grafit LIB comercial, iar rezultatele obținute sunt satisfăcătoare din punct de vedere al preciziei. Poate fi utilizat cu ușurință pentru a diagnostica LIB-uri prin urmărirea evoluției parametrilor determinați în timpul duratei de viață a bateriei, în special capacitatea electrodului (CPE și CNE) și rata de litie (ybat, 100% și xbat, 0%).