Sažetak
Kako bi se osigurale bolje performanse litij-ionskih baterija u aplikacijama kao što su električna vozila, potrebno je koristiti sustav upravljanja baterijama (BMS) za praćenje njihovog statusa. U tu svrhu potrebni su neinvazivni alati za praćenje baterije na skali elektrode. Ovaj članak predlaže metodu za izdvajanje informacija o elektrodama (ravnotežni potencijal, kapacitet i brzina litijacije kao funkcije stanja napunjenosti baterije) iz punjenja i pražnjenja baterije. Za određivanje ove informacije korišten je pseudo OCV model koji može smanjiti pristranost povezanu s prenaponom baterije. Točnost potrebnih parametara u mjerenju pseudo OCV prosjeka (između pražnjenja i punjenja) LFP/grafitnih litij-ionskih baterija je približno 1 mV. Ova se metoda može koristiti za bilo koju kemiju baterije.
1. Uvod
Potražnja za praćenjem LIB-ova:Korištenje litij-ionskih baterija u aplikacijama kao što su električna vozila zahtijeva sustav upravljanja baterijama (BMS) za praćenje njihovog statusa kako bi se osigurala sigurnost, bolje performanse i dug životni vijek.
Nedostaci i poboljšanja tradicionalnog praćenja:Tradicionalno, LIB-ovi su nadzirani kao 'cjelina', bez ikakvih informacija o njihovom unutarnjem stanju. Zapravo, litij-ionske baterije sastoje se od nekoliko unutarnjih komponenti uključujući pozitivne i negativne elektrode, elektrolit i separator. Cilj ovog članka je pratiti status elektroda LIB-ova radi bolje kontrole, s fokusom na određivanje kapaciteta elektrode i ravnotežnog potencijala kao funkcija stanja napunjenosti baterije (SOC).
Ovaj članak daje pregled metode:Predložena je metoda koja se temelji na pseudo OCV modelu za određivanje stanja LIBS elektroda. Karakteristika ove metode je korištenje prosječne mjerne vrijednosti pseudo OCV baterije i prosječne referentne krivulje ravnotežnog potencijala elektrode. Članak opisuje sastav LIB-ova pseudo OCV u odjeljku 2 i utvrđuje matematičke jednadžbe povezane s parametrima stanja elektrode i pseudo OCV; U poglavlju 3 predstavljena je metoda za određivanje parametara elektrode; Rezultati ove metode procijenjeni su u odjeljku 4.
2. LIB pseudo OCV karakteristike
2.1 Definicija i modeliranje pseudo OCV
Definicija:Pseudo OCV (pOCV) je napon baterije kada je prenapon baterije (η) jednak nekoliko desetaka milivolti (tj. pri vrlo malim strujama), a OCV predstavlja napon ravnoteže baterije.
Čimbenici utjecaja:OCV varira sa stanjem napunjenosti (SOC) i temperaturom T baterije, uključujući doprinos raznih unutarnjih pojava kao što je Ohmski efekt (transport litijevih iona u elektrolitu i elektrona u elektrodama, vanjski električni konektori, itd.) i dinamički učinci (prijenos i difuzija naboja litija na svakoj elektrodi). Na η također utječu temperatura, SOC i povijest baterije (punjenje i pražnjenje baterije i njezin zdravstveni status), tako da pOCV također varira s ovim parametrima. Ovaj se članak uglavnom fokusira na njegovu ovisnost o SOC, dok se ostali parametri smatraju konstantama. SOC se izračunava pomoću formule:
Izračunajte, SOCinit je početno stanje punjenja, I je izmjerena struja, a t predstavlja vrijeme.
2.2 Uravnoteženi napon
Opis:OCV baterije je razlika između ravnotežnih potencijala (OCP) pozitivne i negativne elektrode. Indeksi PE i NE predstavljaju pozitivnu, odnosno negativnu elektrodu. x i y su brzine litiranja elektroda, definirane kao omjer njihovog stanja naboja i njihovog kapaciteta. Kapacitet elektrode povezan je s njihovim specifičnim dizajnom i elektrokemijskim svojstvima. OCP elektrode je količina elektriciteta izmjerena u ravnoteži u odnosu na referentnu elektrodu (obično koristeći metalnu litijevu elektrodu (Li+/Li) kao referentnu elektrodu), koja varira nelinearno s brzinom litijacije i pod utjecajem je upotrebe elektrode povijest (histereza). OCP krivulja može predstavljati jedan ili više platoa, čiji broj ovisi o kemijskom sastavu elektrode.
Pozicija u stvarnom LIB-u:Slika 3 prikazuje krivulje OCP elektrode (u usporedbi s brzinom litijacije) i OCV baterije (u usporedbi s SOC baterije) u stvarnom LIB-u. Kako se SOC baterije povećava (tijekom punjenja), x se povećava, a y smanjuje jer ioni litija prelaze s pozitivne elektrode na negativnu elektrodu (nasuprot tijekom pražnjenja). Stoga je krivulja OCPPE na slici 3 obrnuta u usporedbi sa slikom 2. Cbat je kapacitet baterije, definiran kao maksimalna vrijednost SOC (kada je baterija potpuno napunjena ili ispražnjena), ybat, 100% je stopa litijacije PE kada je baterija potpuno napunjena (kada je SOCmax=Cbat), xbat, 0% je stopa litijacije NE kada je baterija potpuno ispražnjena (kada je SOCmin=0 Ah), a minimalna (2,5 V) i maksimalna (3,6 V) granica napona baterije odgovaraju potpuno ispražnjenoj odnosno napunjenoj stanjima baterije.
Za stvarne LIB-ove, elektrode se ne mogu u potpunosti iskoristiti. Kada je baterija potpuno napunjena, stopa litiranja ybat PE je blizu 100% (tj. 1-ybat, 100% blizu 1, kao što je prikazano na slici 3). Kada je baterija potpuno ispražnjena, stopa litiranja xbat NE je također blizu 0%. Općenito govoreći, projektirani kapacitet CNE NE je veći od kapaciteta CPE PE, tako da je krivulja OCPNE (u Ah) na slici 3 veća od krivulje OCPPE. Ultra veliki kapacitet NE sprječava da njegova stopa litijacije x dosegne 1 u stvarnom LIB-u, izbjegavajući da njegov OCP padne na 0 V Li+/Li (vidi sliku 3, x=1), što je potencijalna vrijednost reakcije (naziva se litij plating) koji LIB ne želi da se dogodi. Na slici 3 može se utvrditi odnos između SOC baterije, x i y, što omogućuje izračun SOC baterije pomoću jednadžbi (3) i (4). Jednadžbe (5) i (6) predstavljaju x i y na temelju SOC i drugih parametara. Dodatno, OCP elektrode može se integrirati u pOCV izraz miješanjem jednadžbi (2) i (1).
3. Metoda prepoznavanja stanja elektrode
Parametri i mjerenje:U prethodnom odjeljku pojašnjeno je da su svi parametri koji definiraju stanje elektrode (OCP elektroda, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE i CPE) uključeni u pseudo OCV baterije. Za određivanje ovih parametara mogu se koristiti mjerenja pražnjenja ili napunjenosti baterije pOCV i OCP krivulje referentne elektrode za identifikaciju parametara pomoću nelinearnog prilagođavanja najmanjih kvadrata.
Ulazni podaci i funkcija cilja:Ulazni podaci uključuju proučavanje odnosa između mjernih vrijednosti pseudo OCV i SOC baterije tijekom punjenja i pražnjenja, kako bi se dobila prosječna mjerna vrijednost pseudo OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Na slici 4 (b) može se uočiti da prenapon na krivulji pražnjenja raste prema niskom SOC, dok prenapon na krivulji naboja raste prema visokom SOC. Stoga se ∆ η povećava i od niskog i od visokog SOC-a baterije. Usredotočite se samo na područje koje uključuje tri platforme (vidi sliku 4 (a)), gdje se mogu izvući korisne informacije, a ∆ η je tri puta manji od prenapona pražnjenja i punjenja. Osim toga, može se primijetiti da postoji značajan pomak platforme između krivulja pOCV i OCV. Usporedbom prosječnih vrijednosti pOCV i OCV pomak je znatno smanjen, što potvrđuje da se očekivano doprinos ∆ η u prosječnom pOCV može zanemariti.
Koraci algoritma:Slika 5 prikazuje različite korake algoritma, koristeći nelinearnu optimizacijsku funkciju najmanjih kvadrata lsqnonlin softvera Matlab. Parametri xbat, 0% i ybat, 100% ograničeni između 0 i 1 i inicijalizirani na nulu. CNE i CPE se inicijaliziraju na Cbat i ograničavaju na sljedeći način: za CNE, između Cbat i 1,4Cnom; Za CPE je između Cbat i 1,2Cnom (Cnom je kapacitet baterije koji daje proizvođač). U algoritmu je procijenjeni OCP elektrode predstavljen kao funkcija SOC baterije na sljedeći način:
4. Rezultati i rasprava
Eksperimentalna postavka:Kako bi se ocijenila predložena metoda, studija je provedena na LIB-u A123Systems. Baterija ima nominalni kapacitet (Cnom) od 2,3 Ah i cilindričnog je oblika (veličina 18650), sastoji se od grafitne negativne elektrode i LFP pozitivne elektrode. U ovoj studiji, početni rezultati pOCV testova mjerenja provedenih pri punjenju C/25 (92 mA) i pražnjenju C/25 pokazali su da je kapacitet baterije Cbat približno 93% Cnom. Ovi testovi su provedeni na sobnoj temperaturi (25 stupnjeva C), a minimalni i maksimalni napon baterije ograničen je na 2,5 V, odnosno 3,6 V.
Prikaz rezultata:Slika 6 prikazuje rezultate primjene ove metode u istraživanju baterija. Na slici 6 (a), prosječna OCP krivulja elektrode baterije odgovara području između dvije isprekidane okomite crte u crnoj boji. Procijenjeni prosječni OCV (OCVest.avg) (zelena krivulja) predstavlja razliku između krivulja OCPavg, PE i OCPavg, NE unutar regije. Na slici 6 (b) može se primijetiti da je u procijenjenoj krivulji OCVest.avg nagib prema visokom naponu između posljednje dvije platforme izglađen zbog glatkoće krivulje OCPNE, avg (vidi sliku 6 (a)) . Sve u svemu, procijenjena krivulja OCVest.avg bliža je prosječnoj vrijednosti mjerenja pOCV. Korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE) između prosječnog pOCV mjerenja i procijenjenog prosječnog OCV manji je od 1mV (približno 0.87mV), što je prihvatljivo.
Rezultati parametara:Dobivene stope litiranja xbat, {{0}}% i ybat, 100% gotovo su jednake 0,024 (vrijednost blizu 0). Vrijednosti kapaciteta CPE i CNE su 10% odnosno 30% veće od vrijednosti Cbat (tj. pozitivna i negativna elektroda u bateriji se ne koriste oko 10% odnosno 30%). Vrijednost CNE je približno 24% veća od vrijednosti CPE. Iz fizičke perspektive, možemo primijetiti da je red veličine ova četiri parametra smislen. Zatim se te vrijednosti mogu koristiti za određivanje OCP-a elektrode kao funkcije SOC-a baterije za punjenje odnosno pražnjenje iz referentne krivulje OCP-a elektrode pomoću jednadžbi (8) i (9).
5. Sažetak
Sažetak metode:Ovaj članak predlaže metodu za izdvajanje ravnotežnog potencijala, kapaciteta i brzine litiranja stvarnih LIB elektroda. Metoda koristi pseudo OCV model i određuje ove parametre nelinearnom prilagodbom najmanjih kvadrata. To se postiže proučavanjem prosječnog (između punjenja i pražnjenja) mjerenja LIBs pseudo OCV i referentne krivulje OCP elektrode.
Mogućnosti primjene:Ova metoda je primijenjena na komercijalni LFP/grafit LIB, a dobiveni rezultati su zadovoljavajući u pogledu točnosti. Može se jednostavno koristiti za dijagnosticiranje LIB-ova praćenjem evolucije parametara utvrđenih tijekom trajanja baterije, posebno kapaciteta elektrode (CPE i CNE) i brzine litijacije (ybat, 100% i xbat, 0%).