Abstraktne
Liitiumioonakude parema jõudluse tagamiseks sellistes rakendustes nagu elektrisõidukid on nende oleku jälgimiseks vaja kasutada akuhaldussüsteemi (BMS). Selleks on vaja mitteinvasiivseid tööriistu aku jälgimiseks elektroodide skaalal. Selles artiklis pakutakse välja meetod elektroodide teabe (tasakaalupotentsiaal, võimsus ja liitatsioonikiirus kui aku laadimisoleku funktsioonid) eraldamiseks aku laadimisest ja tühjenemisest. Selle teabe määramiseks kasutati pseudo-OCV mudelit, mis võib vähendada aku ülepingega seotud nihket. LFP/grafiit-liitiumioonakude pseudoOCV keskmise (tühjenemise ja laadimise vahel) mõõtmise nõutavate parameetrite täpsus on ligikaudu 1 mV. Seda meetodit saab kasutada mis tahes akukeemia jaoks.
1. Sissejuhatus
Nõudlus LIB-de jälgimise järele:Liitium-ioonakude kasutamine sellistes rakendustes nagu elektrisõidukid nõuab akuhaldussüsteemi (BMS), mis jälgib nende olekut, et tagada ohutus, parem jõudlus ja pikk kasutusiga.
Traditsioonilise seire puudused ja täiustused:Traditsiooniliselt jälgiti LIB-sid kui "tervikut", ilma nende sisemise oleku kohta teabeta. Tegelikult koosnevad liitiumioonakud mitmest sisemisest komponendist, sealhulgas positiivsetest ja negatiivsetest elektroodidest, elektrolüüdist ja separaatorist. Selle artikli eesmärk on jälgida LIB-de elektroodide olekut paremaks juhtimiseks, keskendudes elektroodi mahutavuse ja tasakaalupotentsiaali määramisele aku laetuse oleku (SOC) funktsioonidena.
See artikkel annab ülevaate meetodist:LIBS-elektroodide oleku määramiseks pakutakse välja pseudoOCV mudelil põhinev meetod. Selle meetodi tunnuseks on kasutada aku pseudo-OCV keskmist mõõtmisväärtust ja elektroodi tasakaalupotentsiaali keskmist võrdluskõverat. Artiklis kirjeldatakse LIB-de pseudo-OCV-de koostist jaotises 2 ning luuakse matemaatilised võrrandid, mis on seotud elektroodi olekuparameetrite ja pseudo-OCV-ga; 3. osas tutvustati elektroodi parameetrite määramise meetodit; Selle meetodi tulemusi hinnati 4. jaotises.
2. LIB pseudoOCV omadused
2.1 Pseudo-OCV definitsioon ja modelleerimine
Definitsioon:PseudoOCV (pOCV) on aku pinge, kui aku ülepinge (η) on võrdne mitmekümne millivoldiga (st väga madala voolu korral) ja OCV tähistab aku tasakaalupinget.
Mõjutavad tegurid:OCV varieerub olenevalt aku laetusastmest (SOC) ja temperatuurist T, sealhulgas erinevate sisemiste nähtuste, näiteks oomiefekti (liitiumioonide transport elektrolüüdis ja elektronide transport elektroodides, välised elektripistikud jne) panusest. ja dünaamilised efektid (liitiumilaengute ülekandmine ja difusioon igal elektroodil). η-d mõjutavad ka temperatuur, SOC ja aku ajalugu (aku laadimine ja tühjendamine ning selle tervislik seisund), seega varieerub ka pOCV vastavalt nendele parameetritele. See artikkel keskendub peamiselt selle sõltuvusele SOC-st, samas kui muid parameetreid peetakse konstantideks. SOC arvutatakse järgmise valemi abil:
Arvutage, SOCinit on alglaadimise olek, I on mõõdetud vool ja t tähistab aega.
2.2 Tasakaalustatud pinge
Kirjeldus:Aku OCV on positiivse ja negatiivse elektroodi tasakaalupotentsiaalide (OCP) erinevus. Alamindeksid PE ja NE tähistavad vastavalt positiivseid ja negatiivseid elektroode. x ja y on elektroodide liitatsioonikiirused, mis on määratletud kui nende laengu oleku ja nende võimsuse suhe. Elektroodide võimsus on seotud nende spetsiifilise konstruktsiooni ja elektrokeemiliste omadustega. Elektroodi OCP on võrdluselektroodi suhtes (tavaliselt kasutatakse võrdluselektroodina metallist liitiumelektroodi (Li+/Li)) mõõdetud elektrienergia kogus, mis muutub mittelineaarselt liitiatsioonikiirusega ja seda mõjutab elektroodi kasutus ajalugu (hüsterees). OCP kõver võib kujutada ühte või mitut platood, mille arv sõltub elektroodi keemilisest koostisest.
Asukoht tegelikus LIB-s:Joonisel 3 on kujutatud elektroodi OCP (võrreldes liitimise kiirusega) ja aku OCV kõveraid (võrreldes aku SOC-ga) tegelikus LIB-s. Kui aku SOC suureneb (laadimise ajal), suureneb x ja y väheneb, kuna liitiumioonid kanduvad positiivselt elektroodilt negatiivsele elektroodile (tühjenemise ajal vastupidi). Seetõttu on OCPPE kõver joonisel 3 võrreldes joonisega 2 vastupidine. Cbat on aku mahutavus, mis on määratletud kui SOC maksimaalne väärtus (kui aku on täielikult laetud või tühjenenud), ybat, 100% on PE liitimise määr, kui aku on täielikult laetud (kui SOCmax=Cbat), xbat, 0% on NE liitimise määr, kui aku on täielikult laetud tühjenenud (kui SOCmin=0 Ah) ning aku pinge miinimum (2,5 V) ja maksimaalne (3,6 V) piirväärtused vastavad vastavalt aku täielikult tühjenenud ja laetud olekutele.
Tegelike LIB-de puhul ei saa elektroode täielikult ära kasutada. Kui aku on täielikult laetud, on PE liitiatsioonimäär ybat lähedal 100% (st 1-ybat, 100% 1-le lähedal, nagu on näidatud joonisel 3). Kui aku on täielikult tühjenenud, on NE litiatsioonimäär xbat samuti 0% lähedal. Üldiselt on NE projekteerimisvõimsus CNE suurem kui PE võimsus CPE, seega on OCPNE kõver (Ah) joonisel 3 suurem kui OCPPE. NE ülisuur mahutavus takistab selle litiatsioonikiiruse x jõudmist tegelikus LIB-s 1-ni, vältides selle OCP langemist 0 V-ni Li+/Li (vt joonis 3, x=1), mis on reaktsiooni potentsiaalne väärtus. (nimetatakse liitiumplaadistamiseks), mida LIB tekkida ei taha. Jooniselt 3 saab määrata seose aku SOC, x ja y vahel, mis võimaldab arvutada aku SOC võrrandite (3) ja (4) abil. Võrrandid (5) ja (6) esindavad x ja y SOC ja muude parameetrite põhjal. Lisaks saab elektroodi OCP integreerida pOCV ekspressiooni, segades võrrandeid (2) ja (1).
3. Elektroodi oleku tuvastamise meetod
Parameetrid ja mõõtmised:Eelmises osas selgitati, et elektroodi olekut määravad parameetrid (OCP elektrood, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE ja CPE) sisalduvad kõik aku pseudoOCV-s. Nende parameetrite määramiseks saab kasutada aku pOCV tühjenemise või laadimise mõõtmisi ja võrdluselektroodi OCP kõveraid parameetrite tuvastamiseks mittelineaarse vähimruutude sobitamise kaudu.
Sisendandmed ja eesmärgifunktsioon:Sisendandmed hõlmavad aku pseudo-OCV-mõõteväärtuste ja SOC-i vahelise seose uurimist laadimise ja tühjenemise ajal, et saada keskmine pseudoOCV-mõõtmisväärtus (pOCVavg.meas (SOC)). Jooniselt 4 (b) on näha, et tühjenduskõvera ülepinge suureneb madala SOC suunas, samas kui laadimiskõvera ülepinge tõuseb kõrge SOC suunas. Seetõttu suureneb ∆ η nii madala kui ka kõrge aku SOC korral. Keskenduge ainult sellele alale, mis hõlmab kolme platvormi (vt joonis 4 (a)), kust saab kasulikku teavet eraldada, ja ∆ η on kolm korda väiksem kui tühjenemise ja laadimise ülepinge. Lisaks võib täheldada, et pOCV ja OCV kõverate vahel on märkimisväärne platvormi nihe. Võrreldes pOCV ja OCV keskmisi väärtusi, väheneb nihe oluliselt, mis kinnitab, et ootuspäraselt võib ∆ η panust keskmises pOCV-s tähelepanuta jätta.
Algoritmi sammud:Joonisel 5 on näidatud algoritmi erinevad sammud, kasutades Matlabi tarkvara mittelineaarset vähimruutude optimeerimisfunktsiooni lsqnonlin. Parameetrid xbat, 0% ja ybat, 100% on piiratud vahemikus 0 kuni 1 ja lähtestatakse nulliks. CNE ja CPE lähtestatakse väärtusele Cbat ja piiratakse järgmiselt: CNE puhul Cbat ja 1,4Cnom vahel; CPE puhul on see vahemikus Cbat kuni 1,2 Cnom (Cnom on tootja pakutav aku mahutavus). Algoritmis on hinnanguline elektrood OCP esitatud aku SOC funktsioonina järgmiselt:
4. Tulemused ja arutelu
Eksperimentaalne seadistus:Pakutud meetodi hindamiseks viidi uuring läbi A123Systemsi LIB-ga. Aku nimimaht (Cnom) on 2,3 Ah ja see on silindrikujuline (suurus 18650), mis koosneb grafiitnegatiivsest elektroodist ja LFP positiivsest elektroodist. Selles uuringus näitasid laengul C/25 (92mA) ja tühjenemisel C/25 läbi viidud pOCV mõõtmistestide esialgsed tulemused, et aku mahutavus Cbat oli ligikaudu 93% Cnom. Need testid viidi läbi toatemperatuuril (25 kraadi C) ning aku minimaalne ja maksimaalne pinge oli vastavalt 2,5 V ja 3,6 V.
Tulemuse kuva:Joonis 6 näitab selle meetodi rakendamise tulemusi patareide uurimisel. Joonisel fig 6 (a) vastab akuelektroodi keskmine OCP kõver kahe musta katkendliku vertikaalse joone vahelisele alale. Hinnanguline keskmine OCV (OCVest.avg) (roheline kõver) kujutab OCPavg, PE ja OCPavg, NE kõverate erinevust piirkonnas. Jooniselt 6 (b) on näha, et hinnangulises OCVest.avg kõveras on kahe viimase platvormi vaheline kalle kõrgepinge suunas tasandatud OCPNE, avg kõvera sujuvuse tõttu (vt joonis 6 (a)) . Üldiselt on hinnanguline OCVest.avg kõver lähemal keskmisele pOCV mõõtmisväärtusele. Keskmine ruutviga (RMSE) keskmise pOCV mõõtmise ja hinnangulise keskmise OCV vahel on väiksem kui 1 mV (ligikaudu 0,87 mV), mis on vastuvõetav.
Parameetrite tulemused:Saadud liitatsioonimäärad xbat, {0}}% ja ybat, 100% on peaaegu võrdsed 0,024-ga (0-le lähedane väärtus). Mahtuvuste CPE ja CNE väärtused on vastavalt 10% ja 30% suuremad kui Cbat väärtus (st aku positiivset ja negatiivset elektroodi ei kasutata vastavalt ca 10% ja 30%). CNE väärtus on ligikaudu 24% kõrgem kui CPE väärtus. Füüsilisest vaatenurgast võime täheldada, et nende nelja parameetri suurusjärk on tähendusrikas. Seejärel saab neid väärtusi kasutada elektroodi OCP määramiseks aku SOC funktsioonina laadimisel ja tühjenemisel vastavalt elektroodi OCP võrdluskõvera alusel, kasutades võrrandeid (8) ja (9).
5. Kokkuvõte
Meetodi kokkuvõte:See artikkel pakub välja meetodi tegelike LIB-elektroodide tasakaalupotentsiaali, võimsuse ja liitatsioonikiiruse eraldamiseks. Meetod kasutab pseudo-OCV mudelit ja määrab need parameetrid mittelineaarse vähimruutude sobitamise kaudu. See saavutatakse LIB-de pseudoOCV keskmise (laadimise ja tühjenemise vahel) mõõtmise ja elektroodi OCP võrdluskõvera uurimisel.
Rakenduse väljavaated:Seda meetodit on kasutatud kaubanduslikul LFP/grafiit LIB-l ja saadud tulemused on täpsuse osas rahuldavad. Seda saab hõlpsasti kasutada LIB-de diagnoosimiseks, jälgides aku kasutusaja jooksul määratud parameetrite muutumist, eriti elektroodide mahtuvust (CPE ja CNE) ja liitiatsioonikiirust (ybat, 100% ja xbat, 0%).