Abstrakt
For å sikre bedre ytelse av litium-ion-batterier i applikasjoner som elektriske kjøretøy, er det nødvendig å bruke et batteristyringssystem (BMS) for å overvåke statusen. For dette formålet er det nødvendig med ikke-invasive verktøy for å overvåke batteriet på elektrodeskalaen. Denne artikkelen foreslår en metode for å trekke ut elektrodeinformasjon (likevektspotensial, kapasitet og litiasjonshastighet som funksjoner av batteriladingstilstand) fra batterilading og -utlading. En pseudo OCV-modell ble brukt for å bestemme denne informasjonen, som kan redusere skjevheten knyttet til batterioverspenning. Nøyaktigheten til de nødvendige parameterne i pseudo-OCV-gjennomsnittsmålingen (mellom utladning og ladning) for LFP/grafitt litium-ion-batterier er omtrent 1 mV. Denne metoden kan brukes for enhver batterikjemi.
1. Introduksjon
Etterspørselen etter LIBs overvåking:Bruken av litium-ion-batterier i applikasjoner som elektriske kjøretøy krever et batteristyringssystem (BMS) for å overvåke statusen deres for å sikre sikkerhet, bedre ytelse og lang levetid.
Mangler og forbedringer ved tradisjonell overvåking:Tradisjonelt ble LIBer overvåket som en "helhet", uten noen informasjon om deres interne tilstand. Faktisk består litium-ion-batterier av flere interne komponenter, inkludert positive og negative elektroder, elektrolytt og separator. Denne artikkelen tar sikte på å overvåke elektrodestatusen til LIB-er for bedre kontroll, med fokus på å bestemme elektrodekapasitet og likevektspotensial som funksjoner av batteriladningstilstand (SOC).
Denne artikkelen gir en oversikt over metoden:En metode basert på en pseudo OCV-modell er foreslått for å bestemme tilstanden til LIBS-elektroder. Karakteristikken for denne metoden er å bruke den gjennomsnittlige måleverdien til batteri-pseudo-OCV og den gjennomsnittlige referansekurven for elektrodelikevektspotensialet. Artikkelen beskriver sammensetningen av LIBs pseudo OCV i seksjon 2 og etablerer matematiske ligninger relatert til elektrodetilstandsparametere og pseudo OCV; I seksjon 3 ble metoden for å bestemme elektrodeparametere introdusert; Resultatene av denne metoden ble evaluert i del 4.
2. LIB pseudo OCV-karakteristikker
2.1 Definisjon og modellering av Pseudo OCV
Definisjon:Pseudo OCV (pOCV) er batterispenningen når batterioverspenningen (η) er lik flere titalls millivolt (dvs. ved svært lave strømmer), og OCV representerer batteriets likevektsspenning.
Påvirkningsfaktorer:OCV varierer med ladetilstanden (SOC) og temperaturen T til batteriet, inkludert bidraget fra ulike interne fenomener som den ohmske effekten (transport av litiumioner i elektrolytten og elektroner i elektrodene, eksterne elektriske kontakter, etc.) og dynamiske effekter (overføring og diffusjon av litiumladninger på hver elektrode). η påvirkes også av temperatur, SOC og batterihistorikk (lading og utlading av batteriet og dets helsestatus), så pOCV varierer også med disse parameterne. Denne artikkelen fokuserer hovedsakelig på dens avhengighet av SOC, mens andre parametere anses som konstanter. SOC beregnes ved å bruke formelen:
Beregn, SOCinit er den opprinnelige ladetilstanden, I er den målte strømmen, og t representerer tid.
2.2 Balansert spenning
Beskrivelse:OCV til et batteri er forskjellen mellom likevektspotensialene (OCPs) til de positive og negative elektrodene. Subskriptene PE og NE representerer henholdsvis de positive og negative elektrodene. x og y er litiasjonshastighetene til elektrodene, definert som forholdet mellom deres ladetilstand og deres kapasitet. Elektrodekapasiteten er relatert til deres spesifikke design og elektrokjemiske egenskaper. OCP for en elektrode er mengden elektrisitet målt i likevekt i forhold til en referanseelektrode (vanligvis ved bruk av en metalllitiumelektrode (Li+/Li) som referanseelektrode), som varierer ikke-lineært med lithieringshastigheten og påvirkes av elektrodens bruk historie (hysterese). OCP-kurven kan presentere ett eller flere platåer, hvor antallet avhenger av elektrodens kjemiske sammensetning.
Stilling i faktisk LIB:Figur 3 viser elektrodens OCP (sammenlignet med litiasjonshastighet) og batteriets OCV-kurver (sammenlignet med batteri SOC) i faktisk LIB. Når batteriets SOC øker (under lading), øker x og y reduseres fordi litiumioner overføres fra den positive elektroden til den negative elektroden (motsatt under utlading). Derfor er OCPPE-kurven i figur 3 reversert sammenlignet med figur 2. Cbat er batterikapasiteten, definert som maksimalverdien av SOC (når batteriet er fulladet eller utladet), ybat, 100 % er lithieringshastigheten til PE når batteriet er fulladet (når SOCmax=Cbat), xbat, 0 % er lithieringshastigheten til NE når batteriet er fullt utladet (når SOCmin=0 Ah), og minimum (2,5 V) og maksimum (3,6 V) grensene for batterispenning tilsvarer henholdsvis den fullstendig utladede og ladede tilstanden til batteriet.
For faktiske LIB-er kan ikke elektrodene utnyttes fullt ut. Når batteriet er fulladet, er lithieringshastigheten ybat for PE nær 100% (dvs. 1-ybat, 100% nær 1, som vist i figur 3). Når batteriet er helt utladet, er lithieringshastigheten xbat til NE også nær 0 %. Generelt sett er designkapasiteten CNE til NE større enn kapasiteten CPE til PE, så kurven til OCPNE (i Ah) i figur 3 er større enn for OCPPE. Den ultrastore kapasiteten til NE forhindrer lithieringshastigheten x fra å nå 1 i faktisk LIB, og unngår at OCP synker til 0 V Li+/Li (se figur 3, x=1), som er den potensielle verdien av reaksjonen (kalt litiumbelegg) som LIB ikke ønsker skal skje. Fra figur 3 kan forholdet mellom batteri SOC, x og y etableres, noe som tillater beregning av batteri SOC ved å bruke ligningene (3) og (4). Ligningene (5) og (6) representerer x og y basert på SOC og andre parametere. I tillegg kan elektrode OCP integreres i pOCV-uttrykket ved å blande ligninger (2) og (1).
3. Metode for gjenkjennelse av elektrodetilstand
Parametre og måling:I forrige avsnitt ble det avklart at parametrene som definerer elektrodetilstanden (OCP-elektrode, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE og CPE) alle er inkludert i pseudo-OCV-en til batteriet. For å bestemme disse parametrene, kan utladnings- eller ladningsmålinger av batteriets pOCV og referanseelektrode OCP-kurver brukes til å identifisere parametrene gjennom ikke-lineær minste kvadraters tilpasning.
Inndata og målfunksjon:Inndataene inkluderer å studere forholdet mellom pseudo-OCV-måleverdiene og SOC for batteriet under lading og utlading, for å oppnå den gjennomsnittlige pseudo-OCV-måleverdien (pOCVavg.meas (SOC)). Fra figur 4 (b) kan det observeres at utladningskurvens overspenning øker mot lav SOC, mens overspenningen til ladekurven øker mot høy SOC. Derfor øker ∆ η fra både lavt og høyt batteri SOC. Fokuser kun på området som inkluderer tre plattformer (se figur 4 (a)), hvor nyttig informasjon kan hentes ut, og ∆ η er tre ganger mindre enn utladnings- og ladeoverspenningen. I tillegg kan det observeres at det er et betydelig plattformskifte mellom pOCV- og OCV-kurvene. Ved å sammenligne gjennomsnittsverdiene til pOCV og OCV, reduseres skiftet kraftig, noe som bekrefter at som forventet kan bidraget til ∆ η i gjennomsnittlig pOCV ignoreres.
Algoritmetrinn:Figur 5 viser de forskjellige trinnene i algoritmen, ved å bruke den ikke-lineære minste kvadraters optimaliseringsfunksjonen lsqnonlin i Matlab-programvaren. Parametrene xbat, 0% og ybat, 100% begrenset mellom 0 og 1 og initialisert til null. CNE og CPE initialiseres til Cbat og begrenses som følger: for CNE, mellom Cbat og 1.4Cnom; For CPE er det mellom Cbat og 1,2Cnom (Cnom er batterikapasiteten levert av produsenten). I algoritmen er den estimerte elektrodens OCP representert som en funksjon av batteriets SOC på følgende måte:
4. Resultater og diskusjon
Eksperimentelt oppsett:For å evaluere den foreslåtte metoden ble studien utført på LIB av A123Systems. Batteriet har en nominell kapasitet (Cnom) på 2,3Ah og er sylindrisk i formen (størrelse 18650), bestående av en negativ grafittelektrode og en LFP positiv elektrode. I denne studien viste de første resultatene av pOCV-målingstester utført ved ladning C/25 (92mA) og utladning C/25 at batterikapasiteten Cbat var omtrent 93 % av Cnom. Disse testene ble utført ved romtemperatur (25 grader C) og minimums- og maksimumspenningene til batteriet var begrenset til henholdsvis 2,5V og 3,6V.
Resultatvisning:Figur 6 viser resultatene av å bruke denne metoden i studiet av batterier. I figur 6 (a) tilsvarer den gjennomsnittlige OCP-kurven til batterielektroden området mellom to diskontinuerlige vertikale linjer i svart. Den estimerte gjennomsnittlige OCV (OCVest.avg) (grønn kurve) representerer forskjellen mellom OCPavg, PE og OCPavg, NE-kurvene innenfor regionen. Fra figur 6 (b) kan det observeres at i den estimerte OCVest.avg-kurven, utjevnes helningen mot høyspenning mellom de to siste plattformene på grunn av jevnheten til OCPNE, avg-kurven (se figur 6 (a)) . Totalt sett er den estimerte OCVest.avg-kurven nærmere den gjennomsnittlige pOCV-måleverdien. Root mean square error (RMSE) mellom gjennomsnittlig pOCV-måling og estimert gjennomsnittlig OCV er mindre enn 1mV (omtrent 0.87mV), noe som er akseptabelt.
Parameterresultater:De oppnådde lithieringsratene xbat, {{0}}% og ybat, 100% er nesten lik 0,024 (en verdi nær 0). Verdiene for kapasitet CPE og CNE er henholdsvis 10 % og 30 % større enn verdien til Cbat (dvs. de positive og negative elektrodene i batteriet brukes ikke med henholdsvis ca. 10 % og 30 %). Verdien av CNE er omtrent 24 % høyere enn for CPE. Fra et fysisk perspektiv kan vi observere at størrelsesordenen til disse fire parameterne er meningsfull. Deretter kan disse verdiene brukes til å bestemme elektrode OCP som en funksjon av batteriets SOC for henholdsvis lading og utlading fra referansekurven til elektrode OCP ved å bruke ligningene (8) og (9).
5. Sammendrag
Metodesammendrag:Denne artikkelen foreslår en metode for å trekke ut likevektspotensialet, kapasiteten og lithieringshastigheten til faktiske LIB-elektroder. Metoden bruker en pseudo OCV-modell og bestemmer disse parameterne gjennom ikke-lineær minste kvadraters tilpasning. Det oppnås ved å studere den gjennomsnittlige (mellom ladning og utladning) måling av LIBs pseudo OCV og referansekurven til elektrode OCP.
Søknadsutsikter:Denne metoden har blitt brukt på kommersiell LFP/grafitt LIB, og de oppnådde resultatene er tilfredsstillende når det gjelder nøyaktighet. Den kan enkelt brukes til å diagnostisere LIBer ved å spore utviklingen av parametere som bestemmes i løpet av batterilevetiden, spesielt elektrodekapasitet (CPE og CNE) og lithieringshastighet (ybat, 100 % og xbat, 0 %).