Za komercijalne litij-ionske baterije: Analiza MCC algoritma brzog punjenja optimiziranog za mjerenje s tri elektrode

Sažetak

Ovaj članak predlaže novu metodu koja pruža vrlo precizan algoritam punjenja baterija električnih vozila ovisan o stanju napunjenosti višestupanjskom konstantnom strujom (MCC). Ovaj algoritam značajno skraćuje vrijeme punjenja izbjegavajući litijsko presvlačenje, a pritom ne ubrzava proces starenja. Prvo, uz pomoć tehnologije mjerenja s tri elektrode, eksperimentalno je analiziran odnos između brzine struje, stanja napunjenosti i litijske ploče te je predložen algoritam naboja temeljen na ovisnosti o SOC (Stanje napunjenosti). Drugo, algoritam za procjenu SOC-a temeljen na proširenom Kalman filtru razvijen je u okruženju MATLAB/Simulink kako bi se postigla visokoprecizna procjena SOC-a i precizna kontrola procesa punjenja. Eksperimentalni rezultati pokazuju da je korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE) procjene SOC-a 1.08%, a vrijeme punjenja smanjeno je za 30% u rasponu od 0% do 80% SOC-a.

1. Uvod

Utjecajni čimbenici vremena punjenja i ograničenja postojećih protokola punjenja:Globalna javna količina punjenja i udio brzog punjenja porasli su u posljednjem desetljeću, ali vrijeme punjenja ne ovisi samo o kapacitetu punjača, već i o karakteristikama baterije, uvjetima okoline i protokolima punjenja. Standardni protokol punjenja za LIB je konstantna struja konstantnog napona (CC-CV), koja uključuje dvije faze: konstantna struja (CC) i konstantni napon (CV). Dugi CV stupanj ograničava smanjenje ukupnog vremena punjenja, a velika struja punjenja može dovesti do presvlačenja litijem, što utječe na trajanje baterije i sigurnost. Stoga se ne može zanemariti utjecaj protokola punjenja na trajanje baterije.

Pozadina istraživanja i prednosti višestupanjskog protokola punjenja konstantnom strujom:Kako bi se optimizirala ravnoteža između vremena punjenja, učinkovitosti i vijeka trajanja baterije, predloženo je više protokola punjenja, među kojima je protokol punjenja konstantnom strujom u više stupnjeva (MCC) opširno proučavan. MCC protokol može skratiti vrijeme punjenja i produljiti vijek trajanja baterije, a njegov prijelaz u fazu može se temeljiti na SOC intervalu ili gornjoj granici napona. Glavni izazov je odrediti optimalan broj CC stupnjeva, brzinu struje i uvjete pretvorbe za MCC punjenje, što se može riješiti korištenjem Taguchi metoda, optimizacijskih algoritama ili detekcijom Li platinga za određivanje optimalnog načina struje punjenja.

Inovacija i struktura članka ove studije

Točka inovacije:Ova studija integrira prag SOC-a dobiven iz eksperimenata baterije s tri elektrode s visokopreciznim estimatorom SOC-a za MCC algoritam punjenja, razvijajući skalabilni vodič za struju punjenja za standardne komercijalne baterije, eliminirajući potrebu za fizičkom trećom elektrodom u aplikacijama i potrebu za opsežnim testiranje baterije tijekom faze razvoja protokola punjenja, s ciljem smanjenja vremena punjenja i sprječavanja ubrzanog starenja baterije uzrokovanog brzim punjenje.

Struktura ovog članka:Prvo, optimalni način punjenja dizajniran je pomoću metode s tri elektrode, a eksperimentalna baterija s tri elektrode rekonstruirana je iz komercijalne 21700 NMC baterije; Drugo, razviti SOC estimator temeljen na proširenom Kalman filtru (EKF) prikladan za sustave upravljanja baterijama (BMS); Zatim provedite testiranje baterije kako biste potvrdili izvedbu metode, izvršite ispitivanje starenja i usporedite MCC protokol sa standardnim CC-CV punjenjem; Na kraju donesite zaključak.

2. Materijali i metode

Analiza elektrokemijskih karakteristika:Provedite analizu mjerenja s tri elektrode na elektrodi 21700 NMC komercijalne cilindrične baterije. Najprije ispraznite bateriju do donje granice napona nakon 5 standardnih ciklusa prema specifikacijama proizvođača. Otvorite bateriju u pretincu za rukavice s argonom, uklonite i obradite elektrode i pripremite bateriju s tri elektrode. Zbog karakteristika materijala LIB elektroda, potrebne su dodatne referentne elektrode za odvojeno promatranje procesa radne elektrode i protuelektrode. Elektrokemijske karakteristike eksperimentalne baterije s tri elektrode slične su onima komercijalnih baterija. Određivanjem površine presvlake elektrode i specifičnog kapaciteta, provođenjem testova pri različitim brzinama punjenja i pražnjenja, promatranjem anodnih i katodnih potencijala, određivanjem kritičnog SOC litijskog presvlačenja pri različitim C-stopama i normalizacijom MCC protokola kako bi bio primjenjiv na komercijalne baterije, eksperiment je proveden na 25 stupnjeva C i morat će se potvrditi u različitim uvjetima okoline u budućnosti.

Modeliranje baterije i identifikacija parametara:Koristeći Theveninov model ekvivalentnog kruga (ECM) s jednom RC granom za simulaciju električnih karakteristika LIB-a, parametri modela (uključujući napon otvorenog kruga, omski otpor, polarizacijski otpor i kapacitet) točno su određeni u koracima od 10% SOC na različite temperature i smjerove pražnjenja punjenja kroz hibridno ispitivanje karakteristike pulsne snage (HPPC). Vrijednosti parametara sakupljene su u 3D preglednu tablicu kako bi se postavili temelji za procjenu SOC-a.

Procjena stanja napunjenosti:SOC varijacija LIB-a može se izraziti kao funkcija vremena, a Coulombovo brojanje je osnovna metoda procjene koja se temelji na tome, ali postoje pogreške. Stoga se za procjenu SOC-a koristi prošireni Kalmanov filtar (EKF). EKF učinkovito rješava izazove u procjeni SOC linearizacijom nelinearnih sustava i kombiniranjem mjernih signala struje, napona i temperature. Njegov algoritam uključuje dva glavna koraka: predviđanje i ažuriranje. Na temelju Thevenin ECM i SOC definicija, jednadžbe procesa i mjerenja dane su u domeni diskretnog vremena. EKF pretpostavlja da su procesni šum i mjerni šum neovisni Gaussovi šumni procesi nulte srednje vrijednosti i linearizira mjernu funkciju pomoću Jacobijeve matrice.

Analiza starenja:Provedite cikličko testiranje na tri baterije koristeći standardne postupke punjenja i dvije baterije koristeći MCC algoritam punjenja, s testiranjem kapaciteta i ispitivanjem unutarnjeg otpora istosmjerne struje (RiDC) svakih 50 ciklusa. Test kapaciteta usvaja standardni CCCV program punjenja za punjenje i pražnjenje strujom od 1C do donjeg graničnog napona. RiDC test primjenjuje 1C strujne impulse na različitim razinama SOC i mjeri unutarnji otpor. Stupanj starenja baterije opisuje se izračunom zdravstvenog stanja (SOH) baterije, koje se definira kao omjer stvarnog kapaciteta i početnog referentnog kapaciteta. Test starenja provodi se do kraja trajanja baterije (80% SOH).

3. Rezultati

Rezultati analize elektrokemijskih karakteristika

Promjene potencijala elektrode pri različitim C-brzinama: 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 postupno opada. Dizajn MCC protokola punjenja: Na temelju gornjih rezultata dizajnirana je krivulja punjenja s višestupanjskom konstantnom strujom (MCC). Slika 5 prikazuje stupnjeve punjenja ovisne o SOC-u, a tablica 3 sažima detalje svakog stupnja. U usporedbi sa standardnim CCCV protokolom punjenja, MCC protokol ima vremensku prednost u niskom SOC rasponu, punjenje do 80% SOC je oko 30% brže od standardnog punjenja, a MCC punjenje je također oko 10% brže kada je potpuno napunjen.

Identifikacija parametara i rezultati modeliranja baterije

Određivanje parametara modela:Analizirajte rezultate HPPC testa u Matlabu i upotrijebite funkciju "fminsearch()" za određivanje parametara napona otvorenog kruga, otpora i kapaciteta baterije na različitim temperaturama i SOC razinama. Analizirajte utjecaj temperature na kapacitet baterije, uključite rezultate testa kapaciteta u 2D tablicu pretraživanja povezanu s temperaturom i otkrijte da SOC ima ograničen utjecaj na parametre modela. Radi pojednostavljenja, smatrajte to konstantom u formuli.

Validacija modela:Model baterije i procjenitelj SOC-a potvrđuju se potpunim pražnjenjem ispitne baterije, nakon čega slijedi testiranje dinamičke struje pri različitim brzinama punjenja i razinama SOC-a. Simulirajte isti slijed testova u okruženju MATLAB/Simulink i usporedite ga s eksperimentalnim podacima koristeći procjenu srednje kvadratne pogreške (RMSE). RMSE simulacije napona je 7,09 mV. Iako postoji značajna pogreška kada je baterija potpuno ispražnjena, izvedba modela je robusna i može točno uhvatiti dinamiku napona baterije pod različitim uvjetima opterećenja.

Rezultati procjenitelja SOC-a na temelju EKF-a:Provjerite SOC procjenitelj na temelju EKF-a na 25 stupnjeva C i usporedite SOC vrijednost procijenjenu EKF algoritmom s referentnom SOC vrijednošću dobivenom metodom Coulombovog brojanja. Ispitna struja ima rezoluciju od 1 mA i točnost od 0.1%. U početnoj fazi došlo je do odstupanja između procijenjenog SOC-a prema EKF-u i referentnog SOC-a. Kako je testiranje brzo napredovalo, RMSE je bio 1,08%. Algoritam je mogao točno pratiti SOC, posebno tijekom faze punjenja, i mogao je precizno kontrolirati struju punjenja.

Rezultati učinka starenja MCC algoritma za punjenje

Rezultati testa starenja:Slika 10 prikazuje rezultate testa starenja. Ispitane su tri standardne baterije za punjenje i dvije MCC baterije za punjenje, a odstupanja između svake skupine baterija mogu se zanemariti. Tijekom rane faze ispitivanja starenja (do 90% SOH), stopa starenja MCC punjenja je nešto sporija. Kada se uzme u obzir srednja vrijednost, MCC napunjene baterije dosežu 80% SOH na kraju svog životnog vijeka oko 50 ciklusa ranije nego standardno napunjene baterije, ali ukupni učinak na brzinu starenja nije značajan. Baterija koju je punio MCC pokazala je blagi pad SOH nakon 850 ciklusa zbog prekida testiranja.

Rezultat promjene unutarnjeg otpora:Slika prikazuje promjene u ukupnom unutarnjem otporu (R₀+R₁) baterije pod dva protokola punjenja na 25 stupnjeva C i 50% SOC. Razlika u početnom otporu i SOH vrijednosti je zbog različitog vremena skladištenja baterije. Unutarnji otpor baterija s obje metode punjenja lagano se smanjio u ranim fazama starenja, a zatim se povećao sa starenjem. MCC algoritam punjenja nije prouzročio dodatno litijsko presvlačenje, što je u skladu s rezultatima ispitivanja kapaciteta, što ukazuje da MCC algoritam održava integritet karakteristika starenja baterije.

4. Rasprava i sažetak

Istraživački doprinos tehnologiji punjenja baterije MCC:Integriranjem visokopreciznih procjenitelja SOC-a i njihovom primjenom na komercijalne cilindrične baterije (NMC baterijska kemija) daje se doprinos tehnologiji punjenja baterije MCC. Uspješna integracija omogućila je prijenos preciznih pragova SOC-a dobivenih iz eksperimenata s baterijama s tri elektrode na razinu komercijalnih baterija, poboljšavajući praktične primjene i premošćujući jaz između eksperimentalnih uvida i industrijske primjene.

MCC algoritam punjenja optimiziran za starenje:Uveden je MCC algoritam punjenja optimiziran za starenje, ovisan o SOC-u, koji smanjuje vrijeme punjenja bez ubrzavanja degradacije baterije smanjenjem rizika od litijske presvlake. Naglašena je važnost kombiniranja elektrokemijske analize, modeliranja i tehnika procjene za rješavanje ključnih izazova u punjenju baterija, a SOC je korišten kao parametar prijenosa kako bi se osiguralo da se laboratorijski rezultati mogu proširiti na industrijske primjene.

Prednosti načina i protokola punjenja:Optimalan način punjenja može se odrediti pomoću eksperimentalnih baterija s tri elektrode, a potencijal anode može se nadzirati kako bi se otkrilo litijsko presvlačenje. Predloženi MCC protokol punjenja u kombinaciji s SOC pragom dobivenim eksperimentima stabilniji je u usporedbi s tradicionalnim MCC protokolima koji se temelje na naponu i na njega manje utječu čimbenici kao što su promjene temperature i elektrokemijska histereza.

Uloga i eksperimentalni rezultati procjenitelja SOC:Razvijen je SOC procjenitelj temeljen na proširenom Kalmanovu filtru (EKF), s RMSE od 1,08%, pogodan za sustave upravljanja baterijama (BMS). Eksperimentalni rezultati pokazuju da u usporedbi s tradicionalnom metodom punjenja konstantnom strujom i konstantnim naponom (CC-CV), ova metoda može smanjiti vrijeme za postizanje 80% SOC za 30% bez ubrzavanja procesa starenja.