За търговски литиево-йонни батерии: Анализ на MCC алгоритъм за бързо зареждане, оптимизиран за измерване с три електрода

Резюме

Тази статия предлага нов метод, който осигурява многоточен алгоритъм за многостепенно постоянен ток (MCC) за зареждане на батерии за електрически превозни средства с висока точност. Този алгоритъм значително намалява времето за зареждане, като избягва литиево покритие, като същевременно не ускорява процеса на стареене. Първо, с помощта на технология за измерване на три електрода, беше експериментално анализирана връзката между скоростта на тока, състоянието на заряда и литиево покритие и беше предложен алгоритъм за зареждане, базиран на зависимостта на SOC (състояние на заряд). Второ, алгоритъм за оценка на SOC, базиран на разширен филтър на Калман, беше разработен в среда MATLAB/Simulink за постигане на високо прецизна оценка на SOC и прецизен контрол на процеса на зареждане. Експерименталните резултати показват, че средната квадратична грешка (RMSE) на оценката на SOC е 1.08%, а времето за зареждане е намалено с 30% в диапазона от 0% до 80% SOC.

1. Въведение

Влияещите фактори на времето за зареждане и ограниченията на съществуващите протоколи за зареждане:Глобалното публично количество за зареждане и делът на бързото зареждане се увеличиха през последното десетилетие, но времето за зареждане зависи не само от капацитета на зарядното устройство, но и от характеристиките на батерията, условията на околната среда и протоколите за зареждане. Стандартният протокол за зареждане за LIB е постоянно напрежение с постоянен ток (CC-CV), което включва два етапа: постоянен ток (CC) и постоянно напрежение (CV). Дългият CV етап ограничава намаляването на общото време за зареждане, а високият ток на зареждане може да доведе до литиево покритие, което засяга живота на батерията и безопасността. Следователно влиянието на протокола за зареждане върху живота на батерията не може да бъде пренебрегнато.

Проучване на фона и предимствата на многоетапния протокол за зареждане с постоянен ток:За да се оптимизира балансът между времето за зареждане, ефективността и живота на батерията, бяха предложени множество протоколи за зареждане, сред които протоколът за многоетапно зареждане с постоянен ток (MCC) е широко проучен. Протоколът MCC може да намали времето за зареждане и да удължи живота на батерията, а неговият етапен преход може да се основава на SOC интервал или горна граница на напрежението. Основното предизвикателство е да се определи оптималният брой етапи на CC, скоростта на тока и условията на преобразуване за MCC зареждане, което може да бъде решено с помощта на методи на Taguchi, алгоритми за оптимизация или чрез откриване на покритие от Li, за да се определи оптималният режим на заряден ток.

Иновацията и структурата на статията на това проучване

Иновационна точка:Това проучване интегрира прага на SOC, получен от експерименти с три електродни батерии с високопрецизен оценител на SOC за MCC алгоритъм за зареждане, разработване на мащабируемо ръководство за заряден ток за стандартни търговски батерии, елиминирайки необходимостта от физически трети електрод в приложенията и необходимостта от обширни тестване на батерията по време на етапа на разработване на протокола за зареждане, с цел да се намали времето за зареждане и да се предотврати ускореното стареене на батерията, причинено от бързо зареждане.

Структура на тази статия:Първо, оптималният режим на зареждане е проектиран с помощта на метода с три електрода и експериментална батерия с три електрода е реконструирана от търговска батерия 21700 NMC; Второ, разработете разширен филтър на Калман (EKF), базиран на SOC оценител, подходящ за системи за управление на батерията (BMS); След това извършете тестване на батерията, за да проверите ефективността на метода, извършете тестване за стареене и сравнете MCC протокола със стандартното CC-CV зареждане; Накрая дайте заключение.

2. Материали и методи

Анализ на електрохимичните характеристики:Извършете анализ на измерване на три електрода на електрода на търговската цилиндрична батерия 21700 NMC. Първо, разредете батерията до долната граница на напрежението след 5 стандартни цикъла според спецификациите на производителя. Отворете батерията в аргонова жабка, отстранете и обработете електродите и подгответе триелектродна батерия. Поради характеристиките на LIB електродните материали са необходими допълнителни референтни електроди за наблюдение на процесите на работния електрод и противоположния електрод поотделно. Електрохимичните характеристики на експерименталната триелектродна батерия са подобни на тези на търговските батерии. Чрез определяне на площта на покритие на електрода и специфичния капацитет, провеждане на тестове при различни скорости на зареждане и разреждане, наблюдение на анодните и катодните потенциали, определяне на критичния SOC на литиево покритие при различни C-ставки и нормализиране на протокола MCC, за да го направи приложим за търговски батерии, експериментът е проведен при 25 градуса C и ще трябва да бъде валидиран при различни условия на околната среда в бъдеще.

Моделиране на батерията и идентификация на параметрите:Използвайки модел на еквивалентна схема на Thevenin (ECM) с един RC клон за симулиране на електрическите характеристики на LIB, параметрите на модела (включително напрежение на отворена верига, омично съпротивление, поляризационно съпротивление и капацитет) се определят точно на стъпки от 10% SOC при различни температури и посоки на разреждане на заряда чрез тестване на хибридна импулсна характеристика на мощността (HPPC). Стойностите на параметрите се компилират в 3D справочна таблица, за да положат основата за оценка на SOC.

Оценка на състоянието на заряда:Вариацията на SOC на LIB може да се изрази като функция на времето и броенето на Кулон е основният метод за оценка, базиран на това, но има грешки. Следователно, разширен филтър на Калман (EKF) се използва за оценка на SOC. EKF ефективно решава предизвикателствата при оценката на SOC чрез линеаризиране на нелинейни системи и комбиниране на сигнали за измерване на ток, напрежение и температура. Алгоритъмът му включва две основни стъпки: прогнозиране и актуализиране. Въз основа на дефинициите на Thevenin ECM и SOC, процесните и измервателните уравнения са дадени в областта на дискретното време. EKF приема, че шумът от процеса и шумът от измерването са независими нулеви средни гаусови шумови процеси и линеаризира измервателната функция чрез матрицата на Якоби.

Анализ на стареенето:Извършете циклично тестване на три батерии, като използвате стандартни процедури за зареждане и две батерии, като използвате MCC алгоритъм за зареждане, с тестване на капацитета и тестване на вътрешното съпротивление на постоянен ток (RiDC) на всеки 50 цикъла. Тестът за капацитет приема стандартната CCCV програма за зареждане за зареждане и разреждане при 1C ток до долната граница на напрежението. Тестът RiDC прилага 1C токови импулси при различни нива на SOC и измерва вътрешното съпротивление. Степента на стареене на батерията се описва чрез изчисляване на здравословното състояние (SOH) на батерията, което се определя като съотношението на действителния капацитет към първоначалния референтен капацитет. Тестът за стареене се провежда до края на живота на батерията (80% SOH).

3. Резултати

Резултати от анализ на електрохимичните характеристики

Промени в електродния потенциал при различни C-ставки: 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 постепенно намалява. Дизайн на протокола за зареждане на MCC: На базата на горните резултати е проектирана многостепенна крива на зареждане с постоянен ток (MCC). Фигура 5 показва зависимите от SOC етапи на зареждане, а таблица 3 обобщава подробностите за всеки етап. В сравнение със стандартния протокол за зареждане CCCV, протоколът MCC има предимство във времето в диапазона на нисък SOC, зареждането до 80% SOC е с около 30% по-бързо от стандартното зареждане, а зареждането на MCC също е с около 10% по-бързо, когато е напълно заредено.

Идентификация на параметрите и резултати от моделиране на батерията

Определяне на параметрите на модела:Анализирайте резултатите от HPPC теста в Matlab и използвайте функцията "fminsearch()", за да определите параметрите на напрежението на отворена верига, съпротивлението и капацитета на модела на батерията при различни температури и нива на SOC. Анализирайте влиянието на температурата върху капацитета на батерията, включете резултатите от теста на капацитета в свързана с температурата 2D справочна таблица и открийте, че SOC има ограничено влияние върху параметрите на модела. За опростяване, разглеждайте го като константа във формулата.

Утвърждаване на модела:Моделът на батерията и оценителят на SOC се валидират чрез пълно разреждане на тестовата батерия, последвано от изпитване на динамичен ток при различни скорости на зареждане и нива на SOC. Симулирайте същата тестова последователност в среда MATLAB/Simulink и я сравнете с експериментални данни, като използвате оценка на средната квадратична грешка (RMSE). RMSE на симулацията на напрежение е 7,09 mV. Въпреки че има значителна грешка, когато батерията е напълно разредена, производителността на модела е стабилна и може точно да улови динамиката на напрежението на батерията при различни условия на натоварване.

Резултати от оценителя на SOC въз основа на EKF:Проверете оценителя на SOC на базата на EKF при 25 градуса C и сравнете стойността на SOC, изчислена от алгоритъма на EKF, с референтната стойност на SOC, получена чрез метода за броене на Кулон. Тестовият ток има разделителна способност от 1 mA и точност от 0.1%. В началния етап имаше отклонение между изчисления SOC от EKF и референтния SOC. Тъй като тестването напредна бързо, RMSE беше 1,08%. Алгоритъмът успя да проследи точно SOC, особено по време на фазата на зареждане, и можеше точно да контролира тока на зареждане.

Резултати от ефективността на стареенето на алгоритъма за таксуване на MCC

Резултати от теста за стареене:Фигура 10 показва резултатите от теста за стареене. Бяха тествани три стандартни зареждащи и две MCC зареждащи батерии, като отклонението между всяка група батерии може да бъде игнорирано. По време на ранния етап на тестване за стареене (до 90% SOH), скоростта на стареене при зареждане на MCC е малко по-бавна. Когато се вземе предвид средната стойност, заредените батерии MCC достигат 80% SOH в края на живота си около 50 цикъла по-рано от стандартните заредени батерии, но общият ефект върху скоростта на стареене не е значителен. Батерията, заредена от MCC, показа леко понижение на SOH след 850 цикъла поради прекъсване на теста.

Резултат от промяна на вътрешното съпротивление:Фигурата показва промените в общото вътрешно съпротивление (R₀+R₁) на батерията при два протокола за зареждане при 25 градуса C и 50% SOC. Разликата в първоначалното съпротивление и стойността на SOH се дължи на различни времена на съхранение на батерията. Вътрешното съпротивление на батериите и при двата метода на зареждане намалява леко в ранните етапи на стареене и след това се увеличава със стареенето. Алгоритъмът за зареждане на MCC не е причинил допълнително литиево покритие, което е в съответствие с резултатите от теста за капацитет, което показва, че алгоритъмът на MCC поддържа целостта на характеристиките на стареене на батерията.

4. Дискусия и обобщение

Изследователски принос към технологията за зареждане на батерията MCC:Чрез интегриране на високопрецизни оценители на SOC и прилагането им към търговски цилиндрични батерии (NMC химия на батерията), се прави принос към технологията за зареждане на батерията MCC. Успешната интеграция улесни прехвърлянето на прецизни прагове на SOC, получени от експерименти с три електродни батерии, към комерсиално ниво на батерии, подобрявайки практическите приложения и преодолявайки празнината между експерименталните прозрения и индустриалното внедряване.

Оптимизиран за стареене алгоритъм за зареждане на MCC:Въвежда се оптимизиран за стареене, зависим от SOC MCC алгоритъм за зареждане, който намалява времето за зареждане, без да ускорява разграждането на батерията, като намалява риска от литиево покритие. Беше подчертано значението на комбинирането на техники за електрохимичен анализ, моделиране и оценка за справяне с ключовите предизвикателства при зареждането на батерията и SOC беше използван като параметър за прехвърляне, за да се гарантира, че лабораторните резултати могат да бъдат разширени до индустриални приложения.

Предимствата на режима и протокола на зареждане:Оптималният режим на зареждане може да се определи чрез експериментални три електродни батерии и анодният потенциал може да се наблюдава, за да се открие литиево покритие. Предложеният MCC протокол за зареждане, комбиниран с прага на SOC, получен от експерименти, е по-стабилен в сравнение с традиционните базирани на напрежение MCC протоколи и е по-малко повлиян от фактори като температурни промени и електрохимичен хистерезис.

Ролята и експерименталните резултати на SOC оценителя:Беше разработен оценител на SOC, базиран на разширен филтър на Калман (EKF), с RMSE от 1,08%, подходящ за системи за управление на батерията (BMS). Експерименталните резултати показват, че в сравнение с традиционния метод за зареждане с постоянен ток и постоянно напрежение (CC-CV), този метод може да намали времето за достигане на 80% SOC с 30%, без да ускорява процеса на стареене.