Astratt
Biex tiġi żgurata prestazzjoni aħjar tal-batteriji tal-jone tal-litju f'applikazzjonijiet bħal vetturi elettriċi, huwa meħtieġ li tintuża sistema ta 'ġestjoni tal-batteriji (BMS) biex timmonitorja l-istatus tagħhom. Għal dan il-għan, huma meħtieġa għodod mhux invażivi biex jimmonitorjaw il-batterija fuq l-iskala tal-elettrodu. Dan l-artikolu jipproponi metodu għall-estrazzjoni ta 'informazzjoni dwar l-elettrodu (potenzjal ta' ekwilibriju, kapaċità, u rata ta 'litju bħala funzjonijiet ta' stat ta 'ċċarġjar tal-batterija) mill-iċċarġjar u l-ħatt tal-batterija. Intuża mudell psewdo OCV biex jiddetermina din l-informazzjoni, li tista 'tnaqqas il-preġudizzju relatat mal-vultaġġ żejjed tal-batterija. L-eżattezza tal-parametri meħtieġa fil-kejl tal-psewdo OCV medju (bejn skariku u ċarġ) tal-batteriji tal-jone tal-litju LFP/grafita hija bejn wieħed u ieħor 1 mV. Dan il-metodu jista 'jintuża għal kwalunkwe kimika tal-batterija.
1. Introduzzjoni
Id-domanda għall-monitoraġġ tal-LIBs:L-użu ta 'batteriji tal-jone tal-litju f'applikazzjonijiet bħal vetturi elettriċi jeħtieġ sistema ta' ġestjoni tal-batteriji (BMS) biex timmonitorja l-istatus tagħhom biex tiżgura s-sigurtà, prestazzjoni aħjar u ħajja twila.
Nuqqasijiet u Titjib tal-Monitoraġġ Tradizzjonali:Tradizzjonalment, il-LIBs kienu mmonitorjati bħala 'sħiħ', mingħajr ebda informazzjoni dwar l-istat intern tagħhom. Fil-fatt, batteriji tal-jone tal-litju jikkonsistu f'diversi komponenti interni inklużi elettrodi pożittivi u negattivi, elettrolit, u separatur. Dan l-artikolu għandu l-għan li jimmonitorja l-istatus tal-elettrodu tal-LIBs għal kontroll aħjar, b'enfasi fuq id-determinazzjoni tal-kapaċità tal-elettrodu u l-potenzjal tal-ekwilibriju bħala funzjonijiet tal-istat ta 'ċarġ tal-batterija (SOC).
Dan l-artikolu jipprovdi ħarsa ġenerali lejn il-metodu:Huwa propost metodu bbażat fuq mudell psewdo OCV biex jiddetermina l-istat tal-elettrodi LIBS. Il-karatteristika ta 'dan il-metodu hija li tuża l-valur medju tal-kejl tal-psewdo OCV tal-batterija u l-kurva ta' referenza medja tal-potenzjal tal-ekwilibriju tal-elettrodu. L-artikolu jiddeskrivi l-kompożizzjoni tal-psewdo OCV tal-LIBs fit-Taqsima 2 u jistabbilixxi ekwazzjonijiet matematiċi relatati mal-parametri tal-istat tal-elettrodu u l-psewdo OCV; Fit-Taqsima 3, ġie introdott il-metodu għad-determinazzjoni tal-parametri tal-elettrodu; Ir-riżultati ta’ dan il-metodu ġew evalwati fit-Taqsima 4.
2. LIB psewdo OCV karatteristiċi
2.1 Definizzjoni u Mmudellar ta' Psewdo OCV
Definizzjoni:Psewdo OCV (pOCV) huwa l-vultaġġ tal-batterija meta l-vultaġġ żejjed tal-batterija (η) huwa ugwali għal diversi għexieren ta 'millivolts (jiġifieri f'kurrenti baxxi ħafna), u OCV jirrappreżenta l-vultaġġ tal-ekwilibriju tal-batterija.
Fatturi li jinfluwenzaw:OCV ivarja skond l-istat ta 'ċarġ (SOC) u t-temperatura T tal-batterija, inkluża l-kontribuzzjoni ta' diversi fenomeni interni bħall-effett Ohmic (trasport ta 'jonji tal-litju fl-elettrolit u elettroni fl-elettrodi, konnetturi elettriċi esterni, eċċ.) u l-effetti dinamiċi (trasferiment u diffużjoni ta 'karigi tal-litju fuq kull elettrodu). η huwa affettwat ukoll mit-temperatura, SOC, u l-istorja tal-batterija (iċċarġjar u ħatt tal-batterija u l-istat tas-saħħa tagħha), għalhekk il-pOCV tvarja wkoll ma 'dawn il-parametri. Dan l-artikolu jiffoka prinċipalment fuq id-dipendenza tiegħu fuq SOC, filwaqt li parametri oħra huma kkunsidrati kostanti. SOC huwa kkalkulat permezz tal-formula:
Ikkalkula, SOCinit huwa l-istat tal-iċċarġjar inizjali, I huwa l-kurrent imkejjel, u t tirrappreżenta l-ħin.
2.2 Vultaġġ ibbilanċjat
Deskrizzjoni:L-OCV ta 'batterija hija d-differenza bejn il-potenzjali ta' ekwilibriju (OCPs) ta 'l-elettrodi pożittivi u negattivi. Is-sottoskritti PE u NE jirrappreżentaw l-elettrodi pożittivi u negattivi, rispettivament. x u y huma r-rati ta 'litju ta' l-elettrodi, definiti bħala l-proporzjon ta 'l-istat ta' ċarġ tagħhom mal-kapaċità tagħhom. Il-kapaċità tal-elettrodu hija relatata mad-disinn speċifiku u l-proprjetajiet elettrokimiċi tagħhom. L-OCP ta 'elettrodu huwa l-ammont ta' elettriku mkejjel f'ekwilibriju relattiv għal elettrodu ta 'referenza (normalment bl-użu ta' elettrodu tal-litju tal-metall (Li+/Li) bħala elettrodu ta 'referenza), li jvarja b'mod mhux lineari mar-rata ta' litijazzjoni u huwa influwenzat mill-użu tal-elettrodu storja (istereżi). Il-kurva OCP tista 'tippreżenta plateau wieħed jew aktar, li n-numru tagħhom jiddependi fuq il-kompożizzjoni kimika tal-elettrodu.
Pożizzjoni fil-LIB attwali:Il-Figura 3 turi l-elettrodu OCP (meta mqabbel mar-rata ta 'litju) u l-kurvi OCV tal-batterija (meta mqabbla mal-SOC tal-batterija) fil-LIB attwali. Hekk kif is-SOC tal-batterija jiżdied (matul l-iċċarġjar), x jiżdied u y jonqos minħabba li l-joni tal-litju jittrasferixxu mill-elettrodu pożittiv għall-elettrodu negattiv (oppost waqt il-ħruġ). Għalhekk, il-kurva OCPPE fil-Figura 3 hija maqluba meta mqabbla mal-Figura 2. Cbat hija l-kapaċità tal-batterija, definita bħala l-valur massimu ta 'SOC (meta l-batterija tkun kompletament iċċarġjata jew skarikata), ybat, 100% hija ir-rata tal-litju tal-PE meta l-batterija tkun kompletament iċċarġjata (meta SOCmax=Cbat), xbat, 0% hija r-rata tal-litju tal-NE meta l-batterija tkun kompletament skarikat (meta SOCmin=0 Ah), u l-limiti minimi (2.5 V) u massimi (3.6 V) tal-vultaġġ tal-batterija jikkorrispondu għall-istati kompletament skarikati u ċċarġjati tal-batterija, rispettivament.
Għal LIBs attwali, l-elettrodi ma jistgħux jiġu utilizzati bis-sħiħ. Meta l-batterija tkun iċċarġjata kompletament, ir-rata tal-litju ybat tal-PE hija qrib 100% (jiġifieri 1-ybat, 100% qrib 1, kif muri fil-Figura 3). Meta l-batterija tkun kompletament skarikata, ir-rata ta 'litju xbat ta' NE hija wkoll qrib 0%. B'mod ġenerali, il-kapaċità tad-disinn CNE ta 'NE hija akbar mill-kapaċità CPE ta' PE, għalhekk il-kurva ta 'OCPNE (f'Ah) fil-Figura 3 hija akbar minn dik ta' OCPPE. Il-kapaċità ultra kbira ta 'NE tipprevjeni r-rata ta' litijazzjoni x tagħha milli tilħaq 1 f'LIB attwali, u tevita li l-OCP tagħha tinżel għal 0 V Li+/Li (ara Figura 3, x=1), li huwa l-valur potenzjali tar-reazzjoni (imsejjaħ kisi tal-litju) li LIB ma jridx iseħħ. Mill-Figura 3, ir-relazzjoni bejn il-batterija SOC, x, u y tista 'tiġi stabbilita, li tippermetti l-kalkolu tas-SOC tal-batterija bl-użu tal-ekwazzjonijiet (3) u (4). L-ekwazzjonijiet (5) u (6) jirrappreżentaw x u y ibbażati fuq SOC u parametri oħra. Barra minn hekk, l-elettrodu OCP jista 'jiġi integrat fl-espressjoni pOCV billi tħallat l-ekwazzjonijiet (2) u (1).
3. Metodu ta 'rikonoxximent tal-istat tal-elettrodu
Parametri u Kejl:Fit-taqsima preċedenti, ġie ċċarat li l-parametri li jiddefinixxu l-istat tal-elettrodu (elettrodu OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE, u CPE) huma kollha inklużi fil-psewdo OCV tal-batterija. Biex jiġu ddeterminati dawn il-parametri, il-kejl tal-iskarigu jew tal-iċċarġjar tal-pOCV tal-batterija u l-kurvi OCP tal-elettrodu ta 'referenza jistgħu jintużaw biex jidentifikaw il-parametri permezz ta' twaħħil mhux lineari tal-inqas kwadri.
Dejta tad-dħul u funzjoni oġġettiva:Id-dejta tal-input tinkludi l-istudju tar-relazzjoni bejn il-valuri tal-kejl psewdo OCV u SOC tal-batterija waqt l-iċċarġjar u l-ħatt, sabiex jinkiseb il-valur medju tal-kejl psewdo OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Mill-Figura 4 (b), jista 'jiġi osservat li l-vultaġġ żejjed tal-kurva tal-iskarigu jiżdied lejn SOC baxx, filwaqt li l-vultaġġ żejjed tal-kurva tal-iċċarġjar jiżdied lejn SOC għoli. Għalhekk, ∆ η tiżdied kemm minn SOC tal-batterija baxx kif ukoll għoli. Iffoka biss fuq iż-żona li tinkludi tliet pjattaformi (ara l-Figura 4 (a)), fejn tista 'tiġi estratta informazzjoni utli, u ∆ η hija tliet darbiet iżgħar mill-iskarigu u l-vultaġġ żejjed tal-iċċarġjar. Barra minn hekk, jista 'jiġi osservat li hemm bidla sinifikanti tal-pjattaforma bejn il-kurvi pOCV u OCV. Billi jitqabblu l-valuri medji ta 'pOCV u OCV, iċ-ċaqliq titnaqqas ħafna, li jikkonferma li kif mistenni, il-kontribuzzjoni ta' ∆ η fil-pOCV medju tista 'tiġi injorata.
Passi tal-algoritmu:Il-Figura 5 turi l-passi differenti tal-algoritmu, bl-użu tal-funzjoni ta 'ottimizzazzjoni tal-inqas kwadri mhux lineari lsqnonlin tas-softwer Matlab. Parametri xbat, 0% u ybat, 100% ristretti bejn 0 u 1 u inizjalizzati għal żero. CNE u CPE huma inizjalizzati għal Cbat u ristretti kif ġej: għal CNE, bejn Cbat u 1.4Cnom; Għal CPE, huwa bejn Cbat u 1.2Cnom (Cnom hija l-kapaċità tal-batterija pprovduta mill-manifattur). Fl-algoritmu, l-elettrodu stmat OCP huwa rappreżentat bħala funzjoni tas-SOC tal-batterija bil-mod li ġej:
4. Riżultati u Diskussjoni
Setup sperimentali:Sabiex jiġi evalwat il-metodu propost, l-istudju sar fuq il-LIB ta 'A123Systems. Il-batterija għandha kapaċità nominali (Cnom) ta '2.3Ah u hija forma ċilindrika (daqs 18650), li tikkonsisti f'elettrodu negattiv tal-grafita u elettrodu pożittiv LFP. F'dan l-istudju, ir-riżultati inizjali tat-testijiet tal-kejl tal-pOCV imwettqa b'ċarġ C/25 (92mA) u skariku C/25 urew li l-kapaċità tal-batterija Cbat kienet ta 'madwar 93% ta' Cnom. Dawn it-testijiet saru f'temperatura tal-kamra (25 grad C) u l-vultaġġi minimi u massimi tal-batterija kienu limitati għal 2.5V u 3.6V, rispettivament.
Wirja tar-riżultat:Il-Figura 6 turi r-riżultati tal-applikazzjoni ta 'dan il-metodu fl-istudju tal-batteriji. Fil-Figura 6 (a), il-kurva OCP medja tal-elettrodu tal-batterija tikkorrispondi għaż-żona bejn żewġ linji vertikali mhux kontinwi bl-iswed. L-OCV medja stmata (OCVest.avg) (kurva ħadra) tirrappreżenta d-differenza bejn il-kurvi OCPavg, PE, u OCPavg, NE fir-reġjun. Mill-Figura 6 (b), jista 'jiġi osservat li fil-kurva OCVest.avg stmata, l-inklinazzjoni lejn vultaġġ għoli bejn l-aħħar żewġ pjattaformi hija mnaqqsa minħabba l-intoppi tal-kurva OCPNE, avg (ara l-Figura 6 (a)) . B'mod ġenerali, il-kurva stmata OCVest.avg hija eqreb lejn il-valur medju tal-kejl tal-pOCV. L-iżball kwadrat medju (RMSE) bejn il-kejl medju tal-pOCV u l-OCV medju stmat huwa inqas minn 1mV (madwar 0.87mV), li huwa aċċettabbli.
Riżultati tal-parametri:Ir-rati ta' litiazzjoni miksuba xbat, {{0}}% u ybat, 100% huma kważi ugwali għal 0.024 (valur qrib 0). Il-valuri tal-kapaċità CPE u CNE huma 10% u 30% akbar mill-valur ta 'Cbat, rispettivament (jiġifieri l-elettrodi pożittivi u negattivi fil-batterija ma jintużawx b'madwar 10% u 30%, rispettivament). Il-valur tas-CNE huwa madwar 24% ogħla minn dak tas-CPE. Minn perspettiva fiżika, nistgħu nosservaw li l-ordni tal-kobor ta 'dawn l-erba' parametri hija sinifikanti. Imbagħad, dawn il-valuri jistgħu jintużaw biex jiddeterminaw l-elettrodu OCP bħala funzjoni tal-batterija SOC għall-iċċarġjar u l-ħatt, rispettivament, mill-kurva ta 'referenza tal-elettrodu OCP bl-użu tal-ekwazzjonijiet (8) u (9).
5. Sommarju
Sommarju tal-Metodu:Dan l-artikolu jipproponi metodu għall-estrazzjoni tal-potenzjal ta 'ekwilibriju, il-kapaċità, u r-rata ta' litiazzjoni ta 'elettrodi LIBs attwali. Il-metodu juża mudell psewdo OCV u jiddetermina dawn il-parametri permezz ta 'twaħħil tal-inqas kwadri mhux lineari. Dan jinkiseb billi jiġi studjat il-kejl medju (bejn iċ-ċarġ u l-iskariku) tal-psewdo OCV tal-LIBs u l-kurva ta 'referenza tal-elettrodu OCP.
Prospetti ta' applikazzjoni:Dan il-metodu ġie applikat għal LFP kummerċjali/grafita LIB, u r-riżultati miksuba huma sodisfaċenti f'termini ta 'eżattezza. Jista 'jintuża faċilment biex jiġu djanjostikati l-LIBs billi tiġi segwita l-evoluzzjoni tal-parametri determinati matul il-ħajja tal-batterija, partikolarment il-kapaċità tal-elettrodu (CPE u CNE) u r-rata ta' litijazzjoni (ybat, 100% u xbat, 0%).