Abstrakti
Litiumioniakkujen paremman suorituskyvyn varmistamiseksi sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa, on tarpeen käyttää akunhallintajärjestelmää (BMS) niiden tilan seuraamiseen. Tätä tarkoitusta varten tarvitaan ei-invasiivisia työkaluja akun valvomiseksi elektrodiasteikolla. Tässä artikkelissa ehdotetaan menetelmää elektroditietojen (tasapainopotentiaali, kapasiteetti ja litiaationopeus akun lataustilan funktioina) erottamiseksi akun latauksesta ja purkamisesta. Näiden tietojen määrittämiseen käytettiin pseudo-OCV-mallia, joka voi vähentää akun ylijännitteeseen liittyvää harhaa. Vaadittujen parametrien tarkkuus LFP/grafiittilitiumioniakkujen pseudoOCV-keskiarvomittauksessa (purkauksen ja latauksen välillä) on noin 1 mV. Tätä menetelmää voidaan käyttää mihin tahansa akkukemiaan.
1. Johdanto
LIB-seurannan kysyntä:Litiumioniakkujen käyttö sovelluksissa, kuten sähköajoneuvoissa, vaatii akunhallintajärjestelmän (BMS) valvomaan niiden tilaa turvallisuuden, paremman suorituskyvyn ja pitkän käyttöiän varmistamiseksi.
Perinteisen valvonnan puutteet ja parannukset:Perinteisesti LIB:itä seurattiin "kokonaisuutena", ilman mitään tietoa niiden sisäisestä tilasta. Itse asiassa litiumioniakut koostuvat useista sisäisistä komponenteista, mukaan lukien positiiviset ja negatiiviset elektrodit, elektrolyytti ja erotin. Tämän artikkelin tarkoituksena on seurata LIB:iden elektrodien tilaa paremman hallinnan varmistamiseksi keskittyen elektrodien kapasiteetin ja tasapainopotentiaalin määrittämiseen akun varaustilan (SOC) funktioina.
Tämä artikkeli tarjoaa yleiskatsauksen menetelmästä:LIBS-elektrodien tilan määrittämiseksi ehdotetaan pseudoOCV-malliin perustuvaa menetelmää. Tämän menetelmän ominaisuus on käyttää akun pseudoOCV:n keskimääräistä mittausarvoa ja elektrodin tasapainopotentiaalin keskimääräistä vertailukäyrää. Artikkelissa kuvataan LIB:iden pseudoOCV:n koostumusta osassa 2 ja luodaan matemaattisia yhtälöitä, jotka liittyvät elektrodin tilaparametreihin ja pseudoOCV:hen; Osassa 3 esiteltiin menetelmä elektrodiparametrien määrittämiseksi; Tämän menetelmän tuloksia arvioitiin osiossa 4.
2. LIB pseudo OCV:n ominaisuudet
2.1 PseudoOCV:n määritelmä ja mallintaminen
Määritelmä:PseudoOCV (pOCV) on akun jännite, kun akun ylijännite (η) on useita kymmeniä millivoltteja (eli hyvin pienillä virroilla), ja OCV edustaa akun tasapainojännitettä.
Vaikuttavat tekijät:OCV vaihtelee akun varaustilan (SOC) ja lämpötilan T mukaan, mukaan lukien erilaisten sisäisten ilmiöiden, kuten ohmisen vaikutuksen (litiumionien kuljetus elektrolyytissä ja elektronien kuljetus elektrodeissa, ulkoiset sähköliittimet jne.) mukaan. ja dynaamiset vaikutukset (litiumvarausten siirto ja diffuusio kullakin elektrodilla). η-arvoon vaikuttavat myös lämpötila, SOC ja akun historia (akun lataus ja purkautuminen sekä sen kunto), joten myös pOCV vaihtelee näiden parametrien mukaan. Tämä artikkeli keskittyy pääasiassa sen riippuvuuteen SOC:sta, kun taas muita parametreja pidetään vakioina. SOC lasketaan kaavalla:
Laske, SOCinit on alkulataustila, I on mitattu virta ja t edustaa aikaa.
2.2 Tasapainotettu jännite
Kuvaus:Akun OCV on positiivisen ja negatiivisen elektrodin tasapainopotentiaalien (OCP) välinen ero. Alaindeksit PE ja NE edustavat positiivisia ja negatiivisia elektrodeja, vastaavasti. x ja y ovat elektrodien litiaationopeudet, jotka määritellään niiden varaustilan ja niiden kapasiteetin suhteena. Elektrodien kapasiteetti liittyy niiden erityiseen suunnitteluun ja sähkökemiallisiin ominaisuuksiin. Elektrodin OCP on sähkön määrä, joka mitataan tasapainossa suhteessa vertailuelektrodiin (yleensä käyttämällä metallilitiumelektrodia (Li+/Li) vertailuelektrodina), joka vaihtelee epälineaarisesti litiaationopeuden mukaan ja johon vaikuttaa elektrodin käyttö. historia (hystereesi). OCP-käyrä voi esittää yhden tai useamman tasanne, joiden lukumäärä riippuu elektrodin kemiallisesta koostumuksesta.
Sijainti todellisessa LIB:ssä:Kuva 3 esittää elektrodin OCP (verrattuna litiaationopeuteen) ja akun OCV-käyrät (verrattuna akun SOC:hen) todellisessa LIB:ssä. Kun akun SOC kasvaa (latauksen aikana), x kasvaa ja y pienenee, koska litiumionit siirtyvät positiiviselta elektrodilta negatiiviselle elektrodille (vastakohtaan purkautumisen aikana). Siksi kuvan 3 OCPPE-käyrä on käänteinen verrattuna kuvaan 2. Cbat on akun kapasiteetti, joka määritellään SOC:n maksimiarvoksi (kun akku on täysin ladattu tai tyhjä), ybat, 100% on PE:n litiaationopeus, kun akku on ladattu täyteen (kun SOCmax=Cbat), xbat, 0 % on NE:n litiaationopeus, kun akku on täynnä purkautunut (kun SOCmin=0 Ah) ja akun jännitteen minimi (2,5 V) ja maksimi (3,6 V) rajat vastaavat akun täysin purkautunutta ja ladattua tilaa.
Varsinaisten LIB-laitteiden elektrodeja ei voida hyödyntää täysin. Kun akku on ladattu täyteen, PE:n litiaationopeus ybat on lähellä 100 % (eli 1-ybat, 100 % lähellä yhtä, kuten kuvassa 3). Kun akku on täysin tyhjä, myös NE:n litiaationopeus xbat on lähellä 0 %. Yleisesti ottaen NE:n suunnittelukapasiteetti CNE on suurempi kuin PE:n kapasiteetti CPE, joten OCPNE:n käyrä (Ah) kuvassa 3 on suurempi kuin OCPPE:n. NE:n erittäin suuri kapasiteetti estää sen litiaationopeutta x saavuttamasta arvoa 1 todellisessa LIB:ssä, mikä estää sen OCP:n putoamisen arvoon 0 V Li+/Li (katso kuva 3, x=1), joka on reaktion potentiaalinen arvo. (kutsutaan litiumpinnoitukseksi), jota LIB ei halua tapahtua. Kuvasta 3 voidaan määrittää akun SOC:n, x:n ja y:n välinen suhde, mikä mahdollistaa akun SOC:n laskemisen yhtälöiden (3) ja (4) avulla. Yhtälöt (5) ja (6) edustavat x:ää ja y:tä SOC:n ja muiden parametrien perusteella. Lisäksi elektrodi OCP voidaan integroida pOCV-ilmentymiseen sekoittamalla yhtälöt (2) ja (1).
3. Elektrodin tilan tunnistusmenetelmä
Parametrit ja mittaus:Edellisessä osiossa selvennettiin, että elektrodin tilan määrittävät parametrit (OCP-elektrodi, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE ja CPE) sisältyvät kaikki akun pseudoOCV:hen. Näiden parametrien määrittämiseksi voidaan käyttää akun pOCV- ja vertailuelektrodien OCP-käyrien purkaus- tai latausmittauksia parametrien tunnistamiseen epälineaarisen pienimmän neliösumman sovituksen avulla.
Syötetiedot ja tavoitefunktio:Syöttötietoihin kuuluu pseudoOCV-mittausarvojen ja akun SOC:n välisen suhteen tutkiminen latauksen ja purkamisen aikana, jotta saadaan keskimääräinen pseudoOCV-mittausarvo (pOCVavg.meas (SOC)). Kuvasta 4 (b) voidaan havaita, että purkauskäyrän ylijännite kasvaa kohti matalaa SOC:ta, kun taas varauskäyrän ylijännite nousee kohti korkeaa SOC:tä. Siksi ∆ η kasvaa sekä alhaisesta että korkeasta akun SOC:sta. Keskity vain alueelle, joka sisältää kolme alustaa (katso kuva 4 (a)), josta voidaan poimia hyödyllistä tietoa, ja ∆ η on kolme kertaa pienempi kuin purkaus- ja latausylijännite. Lisäksi voidaan havaita, että pOCV- ja OCV-käyrien välillä on merkittävä alustan muutos. Vertaamalla pOCV:n ja OCV:n keskiarvoja siirtymä pienenee huomattavasti, mikä vahvistaa, että odotetusti ∆ η:n osuus keskimääräisessä pOCV:ssä voidaan jättää huomiotta.
Algoritmin vaiheet:Kuvassa 5 on esitetty algoritmin eri vaiheet käyttäen Matlab-ohjelmiston epälineaarista pienimmän neliösumman optimointifunktiota lsqnonlin. Parametrit xbat, 0% ja ybat, 100% rajoitettu välillä 0 ja 1 ja alustettu nollaan. CNE ja CPE alustetaan Cbatiin ja rajoitetaan seuraavasti: CNE:lle Cbat ja 1.4Cnom välillä; CPE:n kohdalla se on Cbatin ja 1,2 Cnom:n välillä (Cnom on valmistajan ilmoittama akun kapasiteetti). Algoritmissa arvioitu elektrodi OCP esitetään akun SOC:n funktiona seuraavalla tavalla:
4. Tulokset ja keskustelu
Kokeellinen kokoonpano:Ehdotetun menetelmän arvioimiseksi tutkimus suoritettiin A123Systemsin LIB:llä. Akun nimelliskapasiteetti (Cnom) on 2,3 Ah ja se on muodoltaan lieriömäinen (koko 18650), joka koostuu negatiivisesta grafiittielektrodista ja positiivisesta LFP-elektrodista. Tässä tutkimuksessa latauksella C/25 (92mA) ja purkauksella C/25 suoritettujen pOCV-mittausten alustavat tulokset osoittivat, että akun kapasiteetti Cbat oli noin 93 % Cnom. Nämä testit suoritettiin huoneenlämmössä (25 astetta C) ja akun minimi- ja maksimijännite rajoitettiin 2,5 V:iin ja 3,6 V:iin.
Tulosnäyttö:Kuvassa 6 esitetään tulokset tämän menetelmän soveltamisesta akkujen tutkimuksessa. Kuvassa 6 (a) akkuelektrodin keskimääräinen OCP-käyrä vastaa kahden epäjatkuvan pystysuoran mustan viivan välistä aluetta. Arvioitu keskimääräinen OCV (OCVest.avg) (vihreä käyrä) edustaa eroa OCPavg-, PE- ja OCPavg, NE-käyrien välillä alueella. Kuvasta 6 (b) voidaan havaita, että arvioidussa OCVest.avg-käyrässä kaltevuus kohti korkeaa jännitettä kahden viimeisen alustan välillä on tasoittunut OCPNE, avg -käyrän sileyden vuoksi (katso kuva 6 (a)). . Kaiken kaikkiaan arvioitu OCVest.avg-käyrä on lähempänä keskimääräistä pOCV-mittausarvoa. Keskimääräisen pOCV-mittauksen ja arvioidun keskimääräisen OCV:n välinen neliövirhe (RMSE) on alle 1 mV (noin 0,87 mV), mikä on hyväksyttävää.
Parametritulokset:Saadut litiaatiosuhteet xbat, {0}% ja ybat, 100% ovat lähes yhtä suuret kuin 0,024 (arvo lähellä 0). Kapasiteetin CPE ja CNE arvot ovat vastaavasti 10 % ja 30 % suuremmat kuin Cbat (eli akun positiiviset ja negatiiviset elektrodit eivät ole käytössä noin 10 % ja 30 % vastaavasti). CNE:n arvo on noin 24 % korkeampi kuin CPE:n. Fysikaalisesta näkökulmasta voimme havaita, että näiden neljän parametrin suuruusluokka on merkityksellinen. Sitten näitä arvoja voidaan käyttää määrittämään elektrodin OCP latauksen ja purkamisen akun SOC:n funktiona, vastaavasti, elektrodin OCP vertailukäyrästä käyttämällä yhtälöitä (8) ja (9).
5. Yhteenveto
Menetelmän yhteenveto:Tässä artikkelissa ehdotetaan menetelmää todellisten LIB-elektrodien tasapainopotentiaalin, kapasiteetin ja litiaationopeuden erottamiseksi. Menetelmä käyttää pseudo-OCV-mallia ja määrittää nämä parametrit epälineaarisella pienimmän neliösumman sovituksella. Se saavutetaan tutkimalla keskimääräistä (latauksen ja purkauksen välistä) LIB:n pseudoOCV-mittausta ja elektrodin OCP referenssikäyrää.
Sovellusnäkymät:Tätä menetelmää on sovellettu kaupalliseen LFP/grafiitti LIB:hen, ja saadut tulokset ovat tarkkuuden kannalta tyydyttäviä. Sitä voidaan helposti käyttää LIB:iden diagnosointiin seuraamalla akun käyttöiän aikana määritettyjen parametrien kehitystä, erityisesti elektrodien kapasiteetin (CPE ja CNE) ja litiaationopeuden (ybat, 100 % ja xbat, 0 %) kehitystä.