W przypadku komercyjnych akumulatorów litowo-jonowych: analiza algorytmu szybkiego ładowania MCC zoptymalizowanego pod kątem pomiaru trzema elektrodami

Abstrakcyjny

W artykule zaproponowano nową metodę zapewniającą bardzo dokładny algorytm ładowania wielostopniowego prądu stałego (MCC) zależnego od stanu naładowania akumulatorów pojazdów elektrycznych. Algorytm ten znacznie skraca czas ładowania, unikając platerowania litem, nie przyspieszając jednocześnie procesu starzenia. W pierwszej kolejności, za pomocą technologii pomiaru trzech elektrod, zbadano eksperymentalnie zależność pomiędzy natężeniem prądu, stanem naładowania i pokryciem litem, a następnie zaproponowano algorytm ładowania oparty na zależności od SOC (stanu naładowania). Po drugie, w środowisku MATLAB/Simulink opracowano algorytm estymacji SOC oparty na rozszerzonym filtrze Kalmana, pozwalający uzyskać wysoką precyzję estymacji SOC oraz precyzyjną kontrolę procesu ładowania. Wyniki eksperymentów pokazują, że pierwiastek błędu średniokwadratowego (RMSE) oszacowania SOC wynosi 1,08%, a czas ładowania ulega skróceniu o 30% w zakresie od 0% do 80% SOC.

1. Wprowadzenie

Czynniki wpływające na czas ładowania i ograniczenia istniejących protokołów ładowania:W ciągu ostatniej dekady wzrosła globalna ilość ładowanych w miejscach publicznych i udział szybkiego ładowania, ale czas ładowania zależy nie tylko od pojemności ładowarki, ale także od charakterystyki akumulatora, warunków środowiskowych i protokołów ładowania. Standardowym protokołem ładowania dla LIB jest prąd stały (CC-CV), który obejmuje dwa etapy: prąd stały (CC) i napięcie stałe (CV). Długi stopień CV ogranicza skrócenie całkowitego czasu ładowania, a wysoki prąd ładowania może prowadzić do powlekania litem, co wpływa na żywotność akumulatora i bezpieczeństwo. Dlatego nie można ignorować wpływu protokołu ładowania na żywotność baterii.

Podstawy badawcze i zalety wielostopniowego protokołu ładowania prądem stałym:Aby zoptymalizować równowagę między czasem ładowania, wydajnością i żywotnością akumulatora, zaproponowano wiele protokołów ładowania, wśród których szeroko zbadano protokół wielostopniowego ładowania prądem stałym (MCC). Protokół MCC może skrócić czas ładowania i wydłużyć żywotność akumulatora, a jego przejście między etapami może opierać się na interwale SOC lub górnym limicie napięcia. Głównym wyzwaniem jest określenie optymalnej liczby stopni CC, natężenia prądu i warunków konwersji dla ładowania MCC, co można rozwiązać za pomocą metod Taguchiego, algorytmów optymalizacyjnych lub poprzez wykrycie powłoki Li w celu określenia optymalnego trybu prądu ładowania.

Innowacja i struktura artykułu w tym badaniu

Punkt innowacji:Badanie to integruje próg SOC uzyskany z eksperymentów z akumulatorami trójelektrodowymi z precyzyjnym estymatorem SOC dla algorytmu ładowania MCC, opracowując skalowalny przewodnik po prądzie ładowania dla standardowych akumulatorów komercyjnych, eliminując potrzebę stosowania fizycznej trzeciej elektrody w zastosowaniach i potrzebę rozległych testowanie baterii na etapie opracowywania protokołu ładowania, mające na celu skrócenie czasu ładowania i zapobieganie przyspieszonemu starzeniu się baterii spowodowanemu szybkim ładowaniem.

Struktura tego artykułu:Po pierwsze, projektuje się optymalny tryb ładowania przy użyciu metody trójelektrodowej, a eksperymentalny akumulator trójelektrodowy rekonstruuje się z komercyjnego akumulatora 21700 NMC; Po drugie, należy opracować rozszerzony estymator SOC oparty na filtrze Kalmana (EKF), odpowiedni dla systemów zarządzania akumulatorami (BMS); Następnie przeprowadź testy akumulatorów, aby zweryfikować skuteczność metody, wykonaj testy starzenia i porównaj protokół MCC ze standardowym ładowaniem CC-CV; Na koniec podaj konkluzję.

2. Materiały i metody

Analiza charakterystyki elektrochemicznej:Przeprowadzić analizę pomiarów trzech elektrod na elektrodzie komercyjnego akumulatora cylindrycznego 21700 NMC. W pierwszej kolejności rozładuj akumulator do dolnego napięcia granicznego po 5 standardowych cyklach zgodnie ze specyfikacją producenta. Otwórz akumulator w komorze rękawicowej z argonem, wyjmij i przetwórz elektrody, a następnie przygotuj akumulator trójelektrodowy. Ze względu na charakterystykę materiałów elektrod LIB, do obserwacji procesów zachodzących oddzielnie na elektrodzie pracującej i przeciwelektrodze wymagane są dodatkowe elektrody odniesienia. Właściwości elektrochemiczne eksperymentalnej baterii trójelektrodowej są podobne do właściwości baterii dostępnych na rynku. Określając obszar powłoki elektrody i pojemność właściwą, przeprowadzając testy przy różnych szybkościach ładowania i rozładowywania, obserwując potencjały anody i katody, określając krytyczny SOC galwanizacji litu przy różnych szybkościach C i normalizując protokół MCC, aby można go było zastosować w zastosowaniach komercyjnych akumulatorów, eksperyment przeprowadzono w temperaturze 25 stopni C i w przyszłości należy go zweryfikować w innych warunkach środowiskowych.

Modelowanie baterii i identyfikacja parametrów:Wykorzystując model obwodu zastępczego Thevenina (ECM) z pojedynczą gałęzią RC do symulacji charakterystyki elektrycznej LIB, parametry modelu (w tym napięcie obwodu otwartego, rezystancja omowa, rezystancja polaryzacji i pojemność) są dokładnie określane w przyrostach co 10% SOC przy różne temperatury i kierunki rozładowania ładunku poprzez testowanie hybrydowej charakterystyki mocy impulsu (HPPC). Wartości parametrów są zestawiane w tabelę przeglądową 3D, która stanowi podstawę do oszacowania SOC.

Oszacowanie stanu naładowania:Zmienność SOC LIB można wyrazić jako funkcję czasu, a zliczanie kulombowskie jest podstawową metodą estymacji opartą na tym, ale występują błędy. Dlatego do estymacji SOC stosuje się rozszerzony filtr Kalmana (EKF). EKF skutecznie rozwiązuje problemy związane z estymacją SOC poprzez linearyzację systemów nieliniowych i łączenie sygnałów pomiarowych prądu, napięcia i temperatury. Jego algorytm obejmuje dwa główne etapy: przewidywanie i aktualizację. W oparciu o definicje Thevenina ECM i SOC podane są równania procesu i pomiaru w dziedzinie czasu dyskretnego. EKF zakłada, że ​​szum procesowy i szum pomiarowy są niezależnymi procesami szumu gaussowskiego o średniej zerowej i linearyzuje funkcję pomiarową za pomocą macierzy Jacobiego.

Analiza starzenia:Przeprowadź testy cykliczne trzech akumulatorów, stosując standardowe procedury ładowania i dwóch akumulatorów, stosując algorytm ładowania MCC, z testowaniem pojemności i testowaniem rezystancji wewnętrznej prądem stałym (RiDC) co 50 cykli. Test pojemności wykorzystuje standardowy program ładowania CCCV do ładowania i rozładowywania prądem 1C do dolnego napięcia granicznego. Test RiDC przykłada impulsy prądu 1C na różnych poziomach SOC i mierzy rezystancję wewnętrzną. Stopień starzenia akumulatora opisuje się poprzez obliczenie stanu zdrowia (SOH) akumulatora, który definiuje się jako stosunek pojemności rzeczywistej do początkowej pojemności referencyjnej. Test starzenia prowadzony jest do końca żywotności baterii (80% SOH).

3. Wyniki

Wyniki analizy charakterystyk elektrochemicznych

Zmiany potencjału elektrody przy różnych szybkościach C: 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 stopniowo maleje. Projekt protokołu ładowania MCC: Na podstawie powyższych wyników zaprojektowano wielostopniową krzywą ładowania prądem stałym (MCC). Rysunek 5 przedstawia etapy ładowania zależne od SOC, a Tabela 3 podsumowuje szczegóły każdego etapu. W porównaniu ze standardowym protokołem ładowania CCCV, protokół MCC ma przewagę czasową w niskim zakresie SOC, ładowanie do 80% SOC jest o około 30% szybsze niż ładowanie standardowe, a ładowanie MCC jest również o około 10% szybsze po pełnym naładowaniu.

Wyniki identyfikacji parametrów i modelowania baterii

Określenie parametrów modelu:Przeanalizuj wyniki testów HPPC w Matlabie i użyj funkcji „fminsearch()”, aby określić parametry napięcia, rezystancji i pojemności obwodu otwartego modelu akumulatora przy różnych temperaturach i poziomach SOC. Przeanalizuj wpływ temperatury na pojemność akumulatora, włącz wyniki testu pojemności do tabeli przeglądowej 2D związanej z temperaturą i stwierdz, że SOC ma ograniczony wpływ na parametry modelu. Dla uproszczenia potraktuj to jako stałą we wzorze.

Walidacja modelu:Model akumulatora i estymator SOC są sprawdzane poprzez całkowite rozładowanie akumulatora testowego, a następnie dynamiczne testowanie prądu przy różnych szybkościach ładowania i poziomach SOC. Zasymuluj tę samą sekwencję testową w środowisku MATLAB/Simulink i porównaj ją z danymi eksperymentalnymi, korzystając z oceny błędu średniokwadratowego (RMSE). RMSE symulacji napięcia wynosi 7,09 mV. Chociaż w przypadku całkowitego rozładowania akumulatora występuje znaczny błąd, wydajność modelu jest solidna i pozwala dokładnie uchwycić dynamikę napięcia akumulatora w różnych warunkach obciążenia.

Wyniki estymatora SOC na podstawie EKF:Zweryfikuj estymator SOC w oparciu o EKF w temperaturze 25 stopni C i porównaj wartość SOC oszacowaną algorytmem EKF z wartością referencyjną SOC uzyskaną metodą zliczania Coulomba. Prąd testowy ma rozdzielczość 1 mA i dokładność 0,1%. Na początkowym etapie występowało odchylenie pomiędzy oszacowanym przez EKF SOC a referencyjnym SOC. W miarę szybkiego postępu testów RMSE wyniósł 1,08%. Algorytm był w stanie dokładnie śledzić SOC, zwłaszcza w fazie ładowania, i mógł precyzyjnie kontrolować prąd ładowania.

Wyniki starzenia się algorytmu ładowania MCC

Wyniki testu starzenia:Rysunek 10 przedstawia wyniki testu starzenia. Przetestowano trzy standardowe akumulatory ładujące i dwa akumulatory ładujące MCC, a odchylenia pomiędzy każdą grupą akumulatorów można zignorować. Na wczesnym etapie testów starzenia (do 90% SOH) tempo starzenia ładowania MCC jest nieco wolniejsze. Biorąc pod uwagę wartość średnią, akumulatory naładowane MCC osiągają 80% SOH na koniec swojej żywotności około 50 cykli wcześniej niż akumulatory naładowane standardowo, ale ogólny wpływ na szybkość starzenia nie jest znaczący. Akumulator ładowany za pomocą MCC wykazał niewielki spadek SOH po 850 cyklach z powodu przerwy w testowaniu.

Wynik zmiany rezystancji wewnętrznej:Rysunek przedstawia zmiany całkowitej rezystancji wewnętrznej (R ₀+R ₁) akumulatora w ramach dwóch protokołów ładowania w temperaturze 25 stopni C i 50% SOC. Różnica w rezystancji początkowej i wartości SOH wynika z różnych czasów przechowywania akumulatorów. Rezystancja wewnętrzna akumulatorów przy obu sposobach ładowania nieznacznie spadła we wczesnych fazach starzenia, a następnie wzrosła wraz ze starzeniem. Algorytm ładowania MCC nie spowodował dodatkowego pokrycia litem, co jest zgodne z wynikami testów pojemności, wskazując, że algorytm MCC zachowuje integralność charakterystyk starzenia się akumulatora.

4. Dyskusja i podsumowanie

Wkład badawczy w technologię ładowania akumulatorów MCC:Integracja precyzyjnych estymatorów SOC i zastosowanie ich w komercyjnych akumulatorach cylindrycznych (chemia akumulatorów NMC) wnosi wkład w technologię ładowania akumulatorów MCC. Udana integracja ułatwiła przeniesienie precyzyjnych progów SOC uzyskanych z eksperymentów z trzema elektrodami na poziom baterii komercyjnych, usprawniając praktyczne zastosowania i wypełniając lukę między spostrzeżeniami eksperymentalnymi a wdrożeniami przemysłowymi.

Algorytm ładowania MCC zoptymalizowany pod kątem starzenia się:Wprowadzono zoptymalizowany pod kątem starzenia się, zależny od SOC algorytm ładowania MCC, który skraca czas ładowania bez przyspieszania degradacji akumulatora poprzez zmniejszenie ryzyka powlekania litem. Podkreślono znaczenie łączenia technik analizy elektrochemicznej, modelowania i szacowania w celu sprostania kluczowym wyzwaniom związanym z ładowaniem akumulatorów, a SOC wykorzystano jako parametr przenoszenia, aby zapewnić możliwość rozszerzenia wyników laboratoryjnych na zastosowania przemysłowe.

Zalety trybu i protokołu ładowania:Optymalny tryb ładowania można określić za pomocą eksperymentalnych akumulatorów trójelektrodowych, a potencjał anodowy można monitorować w celu wykrycia powłoki litowej. Proponowany protokół ładowania MCC w połączeniu z progiem SOC uzyskanym z eksperymentów jest bardziej stabilny w porównaniu z tradycyjnymi protokołami MCC opartymi na napięciu i jest mniej podatny na czynniki takie jak zmiany temperatury i histereza elektrochemiczna.

Rola i wyniki eksperymentalne estymatora SOC:Opracowano estymator SOC oparty na rozszerzonym filtrze Kalmana (EKF), z RMSE wynoszącym 1,08%, odpowiedni dla systemów zarządzania akumulatorami (BMS). Wyniki eksperymentów pokazują, że w porównaniu z tradycyjną metodą ładowania prądem stałym i napięciem stałym (CC-CV), metoda ta może skrócić czas osiągnięcia 80% SOC o 30% bez przyspieszania procesu starzenia.