Astratt
Ir-reżistenza hija waħda mill-parametri ewlenin għall-kejl tal-prestazzjoni tal-batteriji tal-jone tal-litju (Li ion), li jistgħu jirriflettu l-effiċjenza u l-kapaċità tal-produzzjoni tal-enerġija tal-batterija. Bħal parametri oħra ta 'prestazzjoni tal-batteriji tal-jone Li, ir-reżistenza hija affettwata minn kundizzjonijiet operattivi u tiżdied mat-tixjiħ tal-batterija. Sabiex jinqabdu dawn id-dipendenzi, l-approċċ tradizzjonali huwa li tuża fajls ta 'konfigurazzjoni ta' kompitu sintetiku biex tixjieħ batteriji tal-jone Li taħt kundizzjonijiet differenti u tinterrompi perjodikament it-testijiet tat-tixjiħ biex titkejjel ir-reżistenza taħt kundizzjonijiet standard. Għalkemm dan il-metodu jista 'jikseb dejta preċiża dwar l-imġieba tar-reżistenza, din id-dejta ħafna drabi ma tistax tirrifletti bis-sħiħ il-bidliet tar-reżistenza f'applikazzjonijiet prattiċi. Għalhekk, dan l-artikolu jipproponi metodu ġdid li jista 'direttament estratt, jimmudella, u jbassar reżistenza mill-fajl tal-konfigurazzjoni tal-kompitu dinamiku tal-batterija. F'dan il-proċess, l-estrazzjoni tar-reżistenza tiddependi prinċipalment fuq il-manipulazzjoni u r-reġistrazzjoni tad-dejta, filwaqt li l-immudellar u t-tbassir jużaw mudelli lineari logaritmiċi. Dan il-metodu jista 'jissimula u jbassar b'mod aktar preċiż il-bidliet tar-reżistenza tal-batteriji taħt kundizzjonijiet ta' użu attwali, u jipprovdi perspettiva ġdida għall-evalwazzjoni tal-prestazzjoni tal-batterija u t-tbassir tal-ħajja.
1. Introduzzjoni
1.1 L-importanza u l-karatteristiċi tar-reżistenza interna fil-batteriji tal-jone tal-litju
Parametri ewlenin tal-prestazzjoni u tal-applikazzjoni:Ir-reżistenza interna, bħall-kapaċità, hija parametru importanti biex tiddeskrivi l-prestazzjoni u l-imġiba tal-ħajja tal-batteriji tal-jone tal-litju. F'applikazzjonijiet bħall-ħażna tal-enerġija rinnovabbli u l-vetturi elettriċi, ir-reżistenza interna tintuża biex tiddetermina l-kapaċità tal-enerġija tal-batteriji u hija kruċjali għall-ottimizzazzjoni tad-disinn tas-sistemi tal-batteriji biex jissodisfaw ir-rekwiżiti tekniċi u ekonomiċi. Sadanittant, ir-reżistenza interna hija wkoll parametru ewlieni għall-immudellar elettriku u termali tal-batterija, li tiddeskrivi l-imġieba dinamika u tat-tisħin tal-batterija, rispettivament.
Fatturi mhux lineari u li jinfluwenzaw:Ir-reżistenza interna tal-batteriji tal-jone tal-litju hija mhux lineari ħafna u hija affettwata mit-temperatura operattiva, il-kurrent tat-tagħbija u l-istat ta 'ċarġ tal-batterija (SOC). Barra minn hekk, fuq tħaddim fit-tul, ir-reżistenza interna tixjieħ biż-żmien.
Metodi ta' kejl tradizzjonali u l-limitazzjonijiet tagħhom:Hemm diversi metodi biex tiġi ddeterminata r-reżistenza interna tal-batteriji tal-jone tal-litju, fosthom it-teknoloġija tal-polz kurrenti tintuża komunement. Bl-applikazzjoni ta 'ċerta amplitudni u tul tal-iċċarġjar u l-ħatt tal-kurrent għall-batterija, ir-rispons tal-vultaġġ tal-batterija jiġi rreġistrat, u mbagħad ir-reżistenza interna tiġi kkalkulata bl-użu tal-liġi ta' Ohm. Dan il-metodu jista 'jintuża b'suċċess taħt kundizzjonijiet tal-laboratorju biex jiddetermina r-reżistenza interna tal-batteriji taħt kundizzjonijiet differenti u jsegwi bidliet fir-reżistenza interna matul il-proċess tat-tixjiħ. Madankollu, l-iżvantaġġ ewlieni tagħha huwa li l-batterija jeħtieġ li tkun f'mod idle għal mill-inqas 15-il minuta qabel il-kejl biex tinkiseb stabbiltà termodinamika, li hija limitata f'applikazzjonijiet prattiċi minħabba l-perijodi ta 'waqfien tekniku u ekonomiku mhux fattibbli tas-sistemi tal-ħażna tal-jone tal-litju.
1.2 Għanijiet u Metodi tar-Riċerka
Għan tar-riċerka:Biex tanalizza l-fattibbiltà tat-traċċar dirett tad-degradazzjoni tar-reżistenza interna tal-batteriji tal-jone tal-litju minn profil tal-kompitu attwali, li jintuża biex tixjieħ il-batterija għal 38 ġimgħa.
Metodu ta 'estrazzjoni tar-reżistenza interna:Ibbażat fuq l-idea wara l-algoritmu SRD, ir-reżistenza interna tiġi estratta billi jiġu segwiti bir-reqqa l-bidu u t-tul tal-impulsi kurrenti. Jekk wieħed jassumi li l-logaritmu tar-reżistenza estratta jsegwi distribuzzjoni normali, u l-medja tagħha hija funzjoni mhux lineari tas-SOC tal-batterija, il-parametri tal-mudell tar-reżistenza interna huma stmati kull ġimgħa biex isegwu l-bidliet fir-reżistenza maż-żmien.
Metodu ta' tbassir tal-età tal-batterija:Bl-użu ta 'parametri stmati u billi wieħed jassumi probabbiltajiet minn qabel ta' SOC u numru taċ-ċiklu, skont ir-regoli Bayesjani u l-liġi tal-probabbiltà totali, id-distribuzzjoni preċiża tal-età tal-batterija hija kkalkulata billi jitkejjel il-valur tar-reżistenza interna ġdida u SOC korrispondenti. Fl-aħħarnett, qabbel ir-riżultati tal-metodu propost mar-riżultati tal-kejl tar-reżistenza bl-użu ta 'metodi tradizzjonali wara t-tixjiħ ta' kull ġimgħa.
2. Informazzjoni dettaljata dwar batteriji sperimentali, kundizzjonijiet ta 'tixjiħ, u kejl ta' reżistenza interna
2.1 Ittestjar tal-ispeċifikazzjonijiet tal-batterija
Dan l-esperiment juża batterija tal-jone tal-litju ċilindrika b'kapaċità nominali ta '2.5Ah u vultaġġ nominali ta' 3.3V. Il-batterija hija ddisinjata bbażata fuq anodu tal-grafita u katodu tal-fosfat tal-ħadid tal-litju (LFP), iddisinjata speċifikament għal applikazzjonijiet ta 'qawwa għolja, u tista' tiflaħ iċċarġjar u ħatt kontinwu sa erba 'darbiet il-kurrent nominali.
2.2 L-issettjar tal-kundizzjoni tat-tixjiħ
Profil kurrenti u ċiklu ta 'tixjiħ: Uża l-batterija ta' tixjiħ tal-profil attwali murija fil-Figura 1, b'tul ta 'ġimgħa. L-uniċità tagħha tinsab fil-fatt li f'aktar minn 95% tal-każijiet, tintuża rata ta 'kurrent ta' 4C (jiġifieri 10A) għall-iċċarġjar u l-ħatt. F'temperatura ta 'tixjiħ ta' 25 grad C, dan il-profil ta 'tixjiħ ġie applikat biex tittestja l-batterija sa 38 ġimgħa. Wara li jiġi applikat dan il-profil attwali, il-profil SOC tal-batterija jidher fil-Figura 2, b'SOC ivarja bejn 10% u 90%.
2.3 Proċess u Riżultati tal-Kejl tar-Reżistenza Interna
Metodu u parametri tal-kejl:Wara testijiet ta 'tixjiħ ta' kull ġimgħa, ir-reżistenza interna tal-batterija titkejjel bl-użu tat-teknoloġija tal-polz kurrenti. Ittieħdu kejl f'20%, 50%, u 80% SOC, b'impulsi kurrenti b'rata ta '4C (10A) għal 18-il sekonda. Qabel il-kejl, il-batterija jeħtieġ li tkun fil-mod idle għal 15-il minuta biex tinkiseb stabbiltà termodinamika.
Analiżi tar-riżultat tal-kejl:Wara 38 ġimgħa ta 'tixjiħ ċikliku, ir-reżistenza interna tal-batterija żdiedet bi 8.7%, filwaqt li l-kapaċità tal-batterija naqset b'aktar minn 15% meta mqabbla mal-valur tal-kejl inizjali. Dan jindika li matul il-proċess ta 'tixjiħ, għalkemm il-kapaċità tal-batterija tonqos b'mod sinifikanti, iż-żieda fir-reżistenza interna hija relattivament żgħira, li tirrifletti l-bidliet fil-prestazzjoni tal-batterija taħt din il-kundizzjoni tax-xjuħija. Dan jipprovdi bażi tad-dejta għal aktar riċerka dwar ir-relazzjoni bejn ir-reżistenza interna tal-batterija u SOC, u l-istabbiliment ta 'mudelli ta' reżistenza interna.
3. Metodu u karatteristiċi relatati għall-estrazzjoni tar-reżistenza interna tal-batterija minn profili dinamiċi
3.1 Prinċipju ta 'estrazzjoni ta' reżistenza interna bbażata fuq profil dinamiku
Biex tiġi estratta r-reżistenza interna tal-batterija mill-profil dinamiku muri fil-Figura 1, huwa meħtieġ li ssegwi l-kurrent I u l-vultaġġ V_s qabel il-bidu tal-polz kurrenti. Jekk il-kurrent, il-vultaġġ, u V_s f'ċertu mument t huma magħrufa, allura skond il-liġi ta' Ohm:
Ikkalkula r-reżistenza f'dak il-mument. Iċ-ċavetta hija li tiddetermina meta u kif taġġorna V_s. Ibbażat fuq il-bidla fil-kurrent minn żmien t għal (t+1), jista 'jinqasam fit-tliet sitwazzjonijiet li ġejjin:
3.2. Metodu ta' aġġornament ta' V_s taħt bidliet kurrenti differenti
Bidliet kurrenti minn 0 għal mhux żero (Xenarju 1):V{{0}}s jiġi aġġornat għall-aħħar valur tal-vultaġġ meta l-kurrent kien l-aħħar 0 (jiġifieri (V_t)). Dan il-metodu jiddependi fuq il-ħin ta 'rilassament bejn l-impulsi tal-kurrent biex il-vultaġġ tal-batterija jilħaq (jew jersaq) il-vultaġġ taċ-ċirkwit miftuħ (OCV). Iktar ma jkun itwal il-ħin ta 'rilassament, iktar tkun preċiża l-istima tar-reżistenza tal-batterija.
Il-kurrent jinbidel minn valur wieħed mhux żero għal valur ieħor mhux żero (Xenarju 2):Is-sitwazzjoni hija kumplessa. Jekk l-aħħar ħin idle tal-batterija huwa qasir, il-maħżuna bħalissa (V_s) tista 'tintuża biex tiddetermina r-reżistenza, iżda aktar ma jkun itwal il-ħin idle, inqas il-valur isir preċiż. Biex tikseb mudell aktar preċiż, dan l-artikolu jinjora r-resistors estratti f'każijiet bħal dawn. Hemm żewġ soluzzjonijiet possibbli għal din il-problema:
Wieħed huwa li tikkunsidra l-bidla tal-kurrent mill-valur kurrenti, sabiex is-sitwazzjoni 2 tkun tista' tiġi ttrasformata fis-sitwazzjoni 1 (jiġifieri jekk I2- I2 {t-1}<€) and (I2 {t+1} - I2- t>€), imbagħad ħalli (V_s=V_t);
It-tieni, jekk is-SOC tal-batterija tkun magħrufa u jkun hemm mudell ta' relazzjoni bejn OCV u SOC, din ir-relazzjoni tista' tintuża biex taġġorna V_s biex tittejjeb l-eżattezza tal-istima tar-reżistenza interna.
Il-kurrent jibqa' mhux mibdul (Xenarju 3):Jekk|I2- I2 {t+1} |<=&, V_s does not need to be updated. Simply calculate the resistance at time t+1 using the formula and proceed to the next iteration.
3.3 L-influwenza tal-perjodu ta 'rilassament fuq il-metodu ta' estrazzjoni
The internal resistance is affected by the length of the current pulse, and it takes time for the battery to reach thermodynamic stability after the current interruption. Tracking the previous pulse length L and relaxation period length T is beneficial. By comparing the resistance identification results under two conditions: requiring a relaxation period at least as long as the previous current pulse (T>=L) and requiring only 1 second relaxation period (T>1), l-influwenza tal-perjodu ta 'rilassament fuq il-prestazzjoni tal-metodu ta' estrazzjoni hija studjata. Il-valuri tar-reżistenza interna estratti f'żewġ xenarji huma indikati bħala R_i u bar, rispettivament {R}_i .
3.4 Karatteristiċi tal-istima tar-reżistenza interna
Minħabba l-użu ta' tul ta' polz ta' 18-il sekonda biex titkejjel ir-reżistenza interna wara li tixjieħ kull ġimgħa, ir-reżistenza interna estratta bl-użu tal-metodu propost hija definita bħala l-valur tar-reżistenza R_i=R{{3} } {i, 18s} wara 18-il sekonda. Il-kurrent fil-profil tat-tixjiħ dinamiku kkunsidrat (Figura 1) ivarja l-aktar fl-istess amplitudni tar-rata C, għalhekk ir-reżistenza interna tal-batterija hija stmata biss fil-medda attwali ta '9.5A-10.5A, li tgħin biex (1) iżola d-dipendenza tar-reżistenza interna fuq il-kurrent, u (2) tivverifika l-metodu propost mingħajr preġudizzju.
4. Relazzjoni bejn ir-reżistenza interna tal-batterija u SOC, u analiżi tat-tbassir tal-età tal-batterija
4.1 Relazzjoni u Stabbiliment Mudell bejn Reżistenza Interna u SOC
Il-liġi tal-varjazzjoni tar-reżistenza interna bis-SOC:Wara li tiġi affettwata mit-temperatura ta 'iżolament, il-kurrent (rata C), u t-tul tal-polz, ir-reżistenza interna tal-batterija ttestjata tinbidel biss bis-SOC u tiżdied mat-tixjiħ tal-batterija. Minħabba li r-reżistenza interna tal-batterija tiżdied meta s-SOC joqrob lejn 0 u 1, uża:
Iddeskrivi r-relazzjoni tagħha mas-SOC u ħu l-logaritmu tagħha biex turi l-linearità fl-ispazju tal-parametri, li tiffaċilita l-istima tal-parametri. Jekk wieħed jassumi r-reżistenza tal-batterija għal ġimgħa partikolari \ (w \)
Obdi distribuzzjoni normali b'medja ta' {{0}} u varjanza ta' o-2, u l-varjanza ma tvarjax mal-ġimgħa. Stima l-parametri bl-użu tal-metodu tal-probabbiltà massima, billi wieħed jassumi li beta_ {1, w} u beta_ {2, w} huma t-tnejn inqas minn jew ugwali għal 0.
Mudell ta' validazzjoni tad-dejta sperimentali:Ibbażat fuq il-profil tat-tixjiħ u l-metodu msemmi hawn fuq, il-valuri ta 'reżistenza interna estratti (ara Figura 7 u Figura 8, tikek suwed) kienu mgħammra bil-mudell ta' hawn fuq. Il-linja blu tirrappreżenta l-indiċi tar-reżistenza logaritmika mistenni, iż-żona skura hija l-intervall ta 'kunfidenza ta' 95%, u t-tikek ħomor u l-linji dashed jirrappreżentaw il-valuri tal-kejl tal-ispezzjoni ta 'kull ġimgħa u l-valuri korrispondenti tal-mudell imwaħħal kull xahar, rispettivament. It-tqabbil tar-riżultati taħt żewġ rekwiżiti ta 'perjodu ta' rilassament, perjodu ta 'rilassament strett inaqqas in-numru ta' valuri ta 'reżistenza interna, iżda jnaqqas b'mod sinifikanti l-varjazzjoni. Ikkalkula l-iżball perċentwali assolut (APE) biex tivverifika l-eżattezza tal-metodu. F'ħafna każijiet, l-APE medjan fil-Figura 9 huwa inqas minn 4.5%, li jindika li l-metodu ta 'identifikazzjoni tar-reżistenza interna propost jista' jissostitwixxi metodi tradizzjonali (li jeħtieġu li l-batterija tkun idle għal 15-il minuta). Il-Figura 11 turi li maż-żmien, hekk kif il-parametru beta jonqos, id-devjazzjoni standard tal-mudell l-ewwel tonqos u mbagħad tiżdied. It-tnaqqis fil-beta_ {1, w} u l-beta{{10}} {2, w} jikkawża li r-reżistenza interna tiżdied aktar malajr meta s-SOC joqrob lejn 1. Il-parametru beta jikkontrolla b'mod konġunt il- reżistenza interna minima mistennija meta s-SOC hija 0.5, li tibqa 'relattivament stabbli matul il-proċess ta' tixjiħ.
4.2. Tbassir u Analiżi tal-Età tal-Batterija
Prinċipju ta' tbassir ibbażat fuq mudell:Ibbażat fuq il-mudell tar-relazzjoni bejn ir-reżistenza interna u SOC imsemmi hawn fuq, li tkun taf il-valur SOC u l-età tal-batterija (ġimgħat) tista 'tbassar b'mod preċiż ir-reżistenza interna tal-batterija. Inkella, huwa meħtieġ li jiġi determinat
Uża d-distribuzzjoni tal-probabbiltà biex tistma l-età tal-batterija. Għal dan, huwa meħtieġ li wieħed jassumi d-distribuzzjoni tal-probabbiltà ta 'SOC, numru taċ-ċiklu, u SOC tar-reżistenza interna, Distribuzzjoni konġunta ta' ġimgħat. Jekk wieħed jassumi SOC u n-numru taċ-ċiklu huma indipendenti minn qabel, SOC tal-batterija jsegwi distribuzzjoni uniformi kontinwa fuq intervall ta 'unità, u n-numru taċ-ċiklu jsegwi distribuzzjoni uniformi diskreta fuq sett ta' ċikli possibbli. Skont ir-regola ta’ Bayes u l-liġi tal-probabbiltà totali, ikkalkula d-distribuzzjoni posterjuri:
Agħti fil-qosor id-distribuzzjoni posterjuri taċ-ċikli tal-batteriji b'reġjun ta 'densità posterjuri medjan ippeżat u għoli (HPD), fejn ir-reġjun HPD ta' 95% jirrappreżenta l-kombinazzjoni ta 'reġjun minimu bi probabbiltà ta' kombinazzjoni (erja taħt il-kurva) ta '95%.
Analiżi tar-riżultati tat-tbassir taħt reżistenzi interni differenti u SOC:Meta r-reżistenza interna hija 15m Ω, id-distribuzzjoni tal-probabbiltà posterjuri f'20% u 80% SOC hija kważi l-istess, b'medda medjan peżata ta '17.4-24.7 ġimgħat. Ir-reġjun ta' 95% HPD ikopri l-perjodu kollu ta' tixjiħ (1-38 ġimgħat), li jagħmilha diffiċli li ssir distinzjoni bejn l-età tal-batterija. Dan huwa konsistenti mal-fatt li r-reżistenza interna tal-batterija tiżdied biss bi 8.7% wara 38 ġimgħa ta' tixjiħ, u minħabba li beta_ {2, w} tonqos aktar malajr minn beta_ {1, w }, hemm differenzi fid-distribuzzjoni posterjuri f'20% u 80% SOC (ara Figura 12-14). Meta r-reżistenza interna tiżdied għal 20m Ω, hemm probabbiltà ta '95% li l-batterija tkun akbar minn 22.8 ġimgħat u 27.5 ġimgħat f'20% u 80% SOC, rispettivament. F'50% SOC, id-distribuzzjoni posterjuri għandha probabbiltà ogħla fi 1-10 ġimgħat u 23-38 ġimgħat. Dan huwa dovut għat-tnaqqis fil-valuri tal-kejl tar-reżistenza interna qrib 50% SOC fl-istadju bikri tat-tixjiħ u r-rati ta 'aċċelerazzjoni differenti tar-reżistenza interna jiżdiedu f'SOC differenti (ara l-Figura 15-17).
5. Sommarju
Metodu ta' identifikazzjoni u mmudellar tar-reżistenza interna:Dan l-istudju jipproponi metodu biex tiġi identifikata direttament ir-reżistenza interna tal-batterija minn profili ta 'tixjiħ dinamiku u l-immudellar tal-imġiba tad-degradazzjoni tagħha. Billi ssegwi bir-reqqa l-bidliet fil-profil kurrenti u tuża l-liġi ta 'Ohm biex tikkalkula r-reżistenza f'kull mument, ir-reżistenza interna hija definita bħala r-reżistenza wara 18-il sekonda ta' ċċarġjar kontinwu, u hija limitata għall-kundizzjoni li l-perjodu ta 'rilassament huwa mill-inqas daqs sakemm il-polz kurrenti preċedenti. Ir-reżistenza interna estratta għal ġimgħa partikolari hija mmudellata bħala funzjoni lineari logaritmika ta 'SOC, li hija konsistenti ħafna mar-reżistenza interna mkejla b'metodi tradizzjonali.
Analiżi tal-istabbiltà tar-reżistenza interna:L-analiżi turi li meta mqabbla mar-rata ogħla ta 'żieda ta' reżistenza interna f'20% u 80% SOC, ir-reżistenza interna estratta qrib 50% SOC hija pjuttost stabbli fi żmien ftit ġimgħat, li hija kompletament konsistenti mar-riżultati miksuba b'metodi tradizzjonali.
Il-qafas għall-kalkolu tad-distribuzzjoni tal-probabbiltà posterjuri tal-età tal-batterija:Il-metodu propost jista 'jiġi integrat fil-qafas għall-kalkolu tad-distribuzzjoni tal-probabbiltà posterjuri tal-età tal-batterija. Ibbażat fuq il-valur imkejjel tar-reżistenza interna u SOC, id-distribuzzjoni tal-probabbiltà tal-batterija li tkun \(w\) ġimgħat tista 'tiġi ddeterminata, li tgħin biex tiġi stmata aktar il-ħajja utli li jifdal (RUL) tal-batterija, iżda din il-parti titħalla għal riċerka futura.
Minbarra l-istima RUL, estensjoni oħra sempliċi ta 'dan il-qafas ta' riċerka hija t-tagħlim tal-imġieba tas-SOC u r-relazzjoni tagħha mal-użu tal-batterija, li ma ġietx indirizzata f'dan id-dokument u tista 'tiġi esplorata aktar fil-futur biex tinkiseb fehim aktar komprensiv tal-prestazzjoni tal-batterija u tiġi ottimizzata. ġestjoni tal-batterija.