Kaubanduslikud liitium-ioonakud: kolme elektroodi mõõtmiseks optimeeritud MCC kiirlaadimisalgoritmi analüüs

Abstraktne

Selles artiklis pakutakse välja uus meetod, mis pakub elektrisõidukite akude jaoks väga täpset laadimisolekust sõltuvat mitmeastmelist konstantse voolu (MCC) laadimisalgoritmi. See algoritm vähendab märkimisväärselt laadimisaega, vältides liitiumiga katmist, kuid ei kiirenda vananemisprotsessi. Esiteks analüüsiti kolme elektroodi mõõtmistehnoloogia abil eksperimentaalselt voolukiiruse, laetuse oleku ja liitiumplaadistuse vahelist seost ning pakuti välja laadimisalgoritm, mis põhineb SOC (State of Charge) sõltuvusel. Teiseks töötati MATLAB/Simulink keskkonnas välja laiendatud Kalmani filtril põhinev SOC-hinnangu algoritm, et saavutada ülitäpse SOC-hinnang ja laadimisprotsessi täpne juhtimine. Katsetulemused näitavad, et SOC hinnangu ruutkeskmine viga (RMSE) on 1.08% ja laadimisaeg väheneb 30% vahemikus 0% kuni 80% SOC.

1. Sissejuhatus

Laadimisaja mõjutegurid ja olemasolevate laadimisprotokollide piirangud:Ülemaailmne avalik laadimiskogus ja kiirlaadimise osakaal on viimasel kümnendil kasvanud, kuid laadimisaeg ei sõltu ainult laadija võimsusest, vaid ka aku omadustest, keskkonnatingimustest ja laadimisprotokollidest. LIB-i standardne laadimisprotokoll on konstantse voolu konstantne pinge (CC-CV), mis sisaldab kahte etappi: konstantne vool (CC) ja konstantne pinge (CV). Pikk CV-aste piirab kogu laadimisaja lühenemist ja suur laadimisvool võib põhjustada liitiumkatte, mis mõjutab aku kasutusiga ja ohutust. Seetõttu ei saa eirata laadimisprotokolli mõju aku kasutusajale.

Mitmeastmelise püsivoolu laadimisprotokolli uurimistöö taust ja eelised:Laadimisaja, tõhususe ja aku tööea vahelise tasakaalu optimeerimiseks on välja pakutud mitu laadimisprotokolli, mille hulgas on laialdaselt uuritud mitmeastmelist konstantse voolu laadimise (MCC) protokolli. MCC-protokoll võib lühendada laadimisaega ja pikendada aku tsükli eluiga ning selle etapi üleminek võib põhineda SOC intervallil või pinge ülempiiril. Peamine väljakutse on määrata kindlaks optimaalne CC etappide arv, voolukiirus ja konversioonitingimused MCC laadimiseks, mida saab lahendada Taguchi meetodite, optimeerimisalgoritmide või Li plaadistuse tuvastamisega, et määrata optimaalne laadimisvoolu režiim.

Selle uuringu uuendus ja artikli struktuur

Innovatsioonipunkt:See uuring integreerib SOC läve, mis saadi kolmest elektroodipatarei eksperimendist koos ülitäpse SOC-hinnanguga MCC laadimisalgoritmi jaoks, töötades välja skaleeritava laadimisvoolu juhendi standardsete kaubanduslike akude jaoks, välistades vajaduse rakendustes füüsilise kolmanda elektroodi järele ja vajaduse ulatuslike vajaduste järele. aku testimine laadimisprotokolli väljatöötamise etapis, mille eesmärk on lühendada laadimisaega ja vältida aku kiiret vananemist, mis on tingitud kiirest laadimisest.

Selle artikli struktuur:Esiteks on optimaalne laadimisrežiim välja töötatud kolme elektroodi meetodil ja eksperimentaalne kolme elektroodi aku rekonstrueeritakse kaubanduslikust 21700 NMC akust; Teiseks arendada välja laiendatud Kalmani filtril (EKF) põhinev SOC hindaja, mis sobib akuhaldussüsteemidele (BMS); Seejärel viige läbi aku testimine, et kontrollida meetodi toimivust, viia läbi vananemistestid ja võrrelda MCC protokolli standardse CC-CV laadimisega; Lõpuks tehke järeldus.

2. Materjalid ja meetodid

Elektrokeemiliste omaduste analüüs:Tehke kaubandusliku silindrilise aku 21700 NMC elektroodi kolme elektroodi mõõtmise analüüs. Esiteks tühjendage aku pärast 5 standardtsüklit vastavalt tootja spetsifikatsioonidele alampiiri pingeni. Avage aku argoonist kindalaekas, eemaldage ja töödelge elektroodid ning valmistage ette kolme elektroodi aku. LIB-elektroodimaterjalide omaduste tõttu on tööelektroodi ja vastuelektroodi protsesside eraldi jälgimiseks vaja täiendavaid võrdluselektroode. Eksperimentaalse kolme elektroodi aku elektrokeemilised omadused on sarnased kaubanduslike akude omadega. Määrates kindlaks elektroodide katte pindala ja erimahtuvuse, tehes katseid erinevatel laadimis- ja tühjenemiskiirustel, jälgides anoodi ja katoodi potentsiaale, määrates liitiumplaadistuse kriitilise SOC erinevatel C-kiirustel ja normaliseerides MCC protokolli, et muuta see kaubanduslikuks kasutamiseks. akude puhul viidi katse läbi temperatuuril 25 kraadi C ja seda tuleb tulevikus erinevates keskkonnatingimustes valideerida.

Aku modelleerimine ja parameetrite tuvastamine:Kasutades LIB elektriliste omaduste simuleerimiseks ühe RC haruga Thevenini ekvivalentahela mudelit (ECM), määratakse mudeli parameetrid (sealhulgas avatud vooluahela pinge, oomiline takistus, polarisatsioonitakistus ja mahtuvus) täpselt 10% SOC sammuga erinevad temperatuurid ja laengu tühjenemise suunad läbi hübriidimpulssvõimsuse karakteristiku (HPPC) testimise. Parameetrite väärtused koondatakse 3D-otsingutabelisse, et panna alus SOC-i hindamisele.

Tasuvuse prognoos:LIB SOC variatsiooni saab väljendada aja funktsioonina ja sellel põhinev põhiline hindamismeetod on Coulombi loendamine, kuid seal on vigu. Seetõttu kasutatakse SOC hindamiseks laiendatud Kalmani filtrit (EKF). EKF lahendab tõhusalt SOC hindamise väljakutsed, lineariseerides mittelineaarsed süsteemid ning kombineerides voolu, pinge ja temperatuuri mõõtmise signaale. Selle algoritm sisaldab kahte peamist sammu: ennustamine ja värskendamine. Thevenin ECM ja SOC definitsioonide põhjal on protsessi- ja mõõtmisvõrrandid antud diskreetse aja domeenis. EKF eeldab, et protsessimüra ja mõõtmismüra on sõltumatud nullkeskmise Gaussi müra protsessid ja lineariseerib mõõtmisfunktsiooni Jacobi maatriksi kaudu.

Vananemise analüüs:Tehke tsükliline testimine kolme akuga, kasutades standardseid laadimisprotseduure, ja kahe akuga, kasutades MCC laadimisalgoritmi, koos võimsuse ja alalisvoolu sisetakistuse (RiDC) testimisega iga 50 tsükli järel. Võimsuse test kasutab standardset CCCV laadimisprogrammi, et laadida ja tühjendada 1C vooluga kuni alumisse piirpingeni. RiDC test rakendab 1C vooluimpulsse erinevatel SOC tasemetel ja mõõdab sisetakistust. Aku vananemisastet kirjeldatakse aku tervisliku seisundi (SOH) arvutamisega, mis on defineeritud kui tegeliku võimsuse ja esialgse võrdlusvõimsuse suhe. Vananemistesti tehakse kuni aku kasutusaja lõpuni (80% SOH).

3. Tulemused

Elektrokeemiliste karakteristikute analüüsi tulemused

Muutused elektroodi potentsiaalis erinevatel C-kiirustel: 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 väheneb järk-järgult. MCC laadimisprotokolli disain: ülaltoodud tulemuste põhjal koostati mitmeastmeline konstantse voolu (MCC) laadimiskõver. Joonisel 5 on näidatud SOC-st sõltuvad laadimisetapid ja tabelis 3 on iga etapi üksikasjad kokku võetud. Võrreldes standardse CCCV laadimisprotokolliga on MCC-protokollil ajaline eelis madala SOC-i vahemikus, laadimine 80% SOC-ni on umbes 30% kiirem kui tavaline laadimine ja MCC-laadimine on samuti umbes 10% kiirem, kui see on täielikult laetud.

Parameetri tuvastamine ja aku modelleerimise tulemused

Mudeli parameetrite määramine:Analüüsige HPPC testi tulemusi Matlabis ja kasutage funktsiooni "fminsearch()", et määrata akumudeli avatud vooluahela pinge, takistuse ja mahtuvuse parameetrid erinevatel temperatuuridel ja SOC tasemetel. Analüüsige temperatuuri mõju aku mahutavusele, lisage võimsustesti tulemused temperatuuriga seotud 2D-otsingu tabelisse ja leidke, et SOC-il on mudeli parameetritele piiratud mõju. Lihtsustamiseks pidage seda valemis konstandiks.

Mudeli valideerimine:Aku mudel ja SOC hindaja valideeritakse testitava aku täieliku tühjenemisega, millele järgneb dünaamilise voolu testimine erinevatel laadimiskiirustel ja SOC tasemetel. Simuleerige sama testijada MATLAB/Simulink keskkonnas ja võrrelge seda katseandmetega, kasutades ruutkeskmise vea (RMSE) hindamist. Pinge simulatsiooni RMSE on 7,09 mV. Kuigi aku täielikul tühjenemisel esineb märkimisväärne viga, on mudeli jõudlus tugev ja suudab täpselt tabada aku pinge dünaamikat erinevates koormustingimustes.

EKF-il põhineva SOC-hinnangu tulemused:Kontrollige EKF-il põhinevat SOC-hinnangut temperatuuril 25 °C ja võrrelge EKF-i algoritmi abil hinnatud SOC-väärtust Coulombi loendusmeetodil saadud SOC-i etalonväärtusega. Katsevoolu eraldusvõime on 1 mA ja täpsus 0,1%. Algstaadiumis esines kõrvalekalle EKFi hinnangulise SOC ja võrdlus-SOC vahel. Kuna testimine edenes kiiresti, oli RMSE 1,08%. Algoritm suutis SOC-i täpselt jälgida, eriti laadimisfaasis, ja suutis täpselt juhtida laadimisvoolu.

MCC laadimisalgoritmi vananemise tulemused

Vananemistesti tulemused:Joonisel 10 on näidatud vananemistesti tulemused. Testiti kolme standardset laadimis- ja kahte MCC laadimisakut ning iga akurühma kõrvalekallet võib ignoreerida. Vananemistesti varases staadiumis (kuni 90% SOH) on MCC laadimise vananemiskiirus veidi aeglasem. Kui arvestada keskmist väärtust, saavutavad MCC-laetud akud oma eluea lõpus 80% SOH-i umbes 50 tsüklit varem kui tavalised laetud akud, kuid üldine mõju vananemiskiirusele ei ole märkimisväärne. MCC-ga laetud aku SOH vähenes pärast 850 tsüklit testimise katkemise tõttu.

Sisetakistuse muutumise tulemus:Joonisel on näidatud aku kogu sisetakistuse (R ₀+R ₁) muutused kahe laadimisprotokolli korral temperatuuril 25 kraadi C ja 50% SOC. Algtakistuse ja SOH-väärtuse erinevus tuleneb aku erinevatest säilitusaegadest. Mõlema laadimisviisiga akude sisetakistus vananemise algstaadiumis veidi vähenes ja vananedes seejärel suurenes. MCC laadimisalgoritm ei põhjustanud täiendavat liitiumkatmist, mis on kooskõlas mahutavuse testi tulemustega, mis näitab, et MCC algoritm säilitab aku vananemisomaduste terviklikkuse.

4. Arutelu ja kokkuvõte

Teadustöö panus aku MCC laadimistehnoloogiasse:Integreerides ülitäpsed SOC hindajad ja rakendades neid kaubanduslikele silindrilistele akudele (NMC akude keemia), panustatakse aku MCC laadimistehnoloogiasse. Edukas integreerimine on hõlbustanud kolmest elektroodipatarei katsest saadud täpsete SOC-lävede ülekandmist kaubanduslikule akutasemele, täiustades praktilisi rakendusi ja ületades lõhe eksperimentaalsete teadmiste ja tööstusliku rakendamise vahel.

Vananemisele optimeeritud MCC laadimisalgoritm:Kasutusele on võetud vananemisega optimeeritud, SOC-st sõltuv MCC laadimisalgoritm, mis lühendab laadimisaega ilma aku lagunemist kiirendamata, vähendades liitiumkatte riski. Rõhutati elektrokeemilise analüüsi, modelleerimise ja hindamismeetodite kombineerimise olulisust akude laadimise peamiste väljakutsete lahendamisel ning SOC-i kasutati ülekandeparameetrina, et tagada laboratoorsete tulemuste laiendamine tööstuslikele rakendustele.

Laadimisrežiimi ja -protokolli eelised:Optimaalse laadimisrežiimi saab määrata eksperimentaalse kolme elektroodi aku abil ja anoodipotentsiaali saab jälgida liitiumplaadistuse tuvastamiseks. Kavandatav MCC laadimisprotokoll koos katsetest saadud SOC lävega on võrreldes traditsiooniliste pingepõhiste MCC protokollidega stabiilsem ning seda mõjutavad vähem sellised tegurid nagu temperatuurimuutused ja elektrokeemiline hüsterees.

SOC-hinnangu roll ja katsetulemused:Töötati välja laiendatud Kalmani filtril (EKF) põhinev SOC hindaja, mille RMSE on 1,08%, mis sobib akuhaldussüsteemidele (BMS). Katsetulemused näitavad, et võrreldes traditsioonilise konstantse voolu konstantse pinge (CC-CV) laadimismeetodiga võib see meetod vähendada 80% SOC-ni jõudmiseks kuluvat aega 30% ilma vananemisprotsessi kiirendamata.