Per a bateries comercials d'ions de liti: anàlisi de l'algoritme de càrrega ràpida MCC optimitzat per a la mesura de tres elèctrodes

Resum

Aquest article proposa un nou mètode que proporciona un algorisme de càrrega de corrent constant multietapa (MCC) depenent de l'estat de càrrega altament precís per a bateries de vehicles elèctrics. Aquest algorisme redueix significativament el temps de càrrega evitant el revestiment de liti, alhora que no accelera el procés d'envelliment. En primer lloc, amb l'ajuda de la tecnologia de mesura de tres elèctrodes, es va analitzar experimentalment la relació entre la velocitat actual, l'estat de càrrega i el revestiment de liti i es va proposar un algorisme de càrrega basat en la dependència SOC (estat de càrrega). En segon lloc, es va desenvolupar un algorisme d'estimació SOC basat en un filtre Kalman estès a l'entorn MATLAB/Simulink per aconseguir una estimació SOC d'alta precisió i un control precís del procés de càrrega. Els resultats experimentals mostren que l'error quadrat mitjà (RMSE) de l'estimació del SOC és de l'1,08% i el temps de càrrega es redueix un 30% en l'interval del 0% al 80% del SOC.

1. Introducció

Factors que influeixen en el temps de càrrega i les limitacions dels protocols de càrrega existents:La quantitat de càrrega pública global i la quota de càrrega ràpida han augmentat en l'última dècada, però el temps de càrrega no només depèn de la capacitat del carregador, sinó també de les característiques de la bateria, les condicions ambientals i els protocols de càrrega. El protocol de càrrega estàndard per a LIB és tensió constant de corrent constant (CC-CV), que inclou dues etapes: corrent constant (CC) i tensió constant (CV). L'etapa CV llarga limita la reducció del temps de càrrega total i un corrent de càrrega elevat pot provocar un revestiment de liti, afectant la vida i la seguretat de la bateria. Per tant, no es pot ignorar l'impacte del protocol de càrrega en la durada de la bateria.

Antecedents de recerca i avantatges del protocol de càrrega de corrent constant en diverses etapes:Per tal d'optimitzar l'equilibri entre el temps de càrrega, l'eficiència i la durada de la bateria, s'han proposat múltiples protocols de càrrega, entre els quals s'ha estudiat àmpliament el protocol de càrrega de corrent constant (MCC) multietapa. El protocol MCC pot reduir el temps de càrrega i allargar la vida del cicle de la bateria, i la seva transició d'etapa es pot basar en l'interval SOC o el límit superior de tensió. El principal repte és determinar el nombre òptim d'etapes CC, la velocitat actual i les condicions de conversió per a la càrrega de MCC, que es poden resoldre mitjançant mètodes Taguchi, algorismes d'optimització o detectant el revestiment de Li per determinar el mode de corrent de càrrega òptim.

La innovació i l'estructura d'articles d'aquest estudi

Punt d'innovació:Aquest estudi integra el llindar SOC obtingut a partir d'experiments de tres elèctrodes amb un estimador de SOC d'alta precisió per a l'algorisme de càrrega MCC, desenvolupant una guia de corrent de càrrega escalable per a bateries comercials estàndard, eliminant la necessitat d'un tercer elèctrode físic a les aplicacions i la necessitat d'ampliar prova de la bateria durant l'etapa de desenvolupament del protocol de càrrega, amb l'objectiu de reduir el temps de càrrega i evitar l'envelliment accelerat de la bateria causat per la càrrega ràpida.

Estructura d'aquest article:En primer lloc, es dissenya el mode de càrrega òptim mitjançant el mètode de tres elèctrodes i es reconstrueix una bateria experimental de tres elèctrodes a partir d'una bateria comercial 21700 NMC; En segon lloc, desenvolupar un estimador SOC basat en el filtre Kalman estès (EKF) adequat per a sistemes de gestió de bateries (BMS); A continuació, realitzeu proves de bateria per verificar el rendiment del mètode, feu proves d'envelliment i compareu el protocol MCC amb la càrrega estàndard CC-CV; Finalment, aporta una conclusió.

2. Materials i Mètodes

Anàlisi de característiques electroquímiques:Realitzeu anàlisis de mesura de tres elèctrodes a l'elèctrode de la bateria cilíndrica comercial 21700 NMC. En primer lloc, descarregueu la bateria a la tensió límit inferior després de 5 cicles estàndard segons les especificacions del fabricant. Obriu la bateria en una guantera d'argó, traieu i processeu els elèctrodes i prepareu una bateria de tres elèctrodes. A causa de les característiques dels materials dels elèctrodes LIB, es necessiten elèctrodes de referència addicionals per observar els processos de l'elèctrode de treball i del contraelèctrode per separat. Les característiques electroquímiques de la bateria experimental de tres elèctrodes són similars a les de les bateries comercials. Determinant l'àrea de recobriment de l'elèctrode i la capacitat específica, realitzant proves a diferents velocitats de càrrega i descàrrega, observant els potencials d'ànode i càtode, determinant el SOC crític del revestiment de liti a diferents velocitats C i normalitzant el protocol MCC per fer-lo aplicable a les empreses comercials. bateries, l'experiment es va dur a terme a 25 graus C i caldrà validar-lo en diferents condicions ambientals en el futur.

Modelització de la bateria i identificació de paràmetres:Utilitzant un model de circuit equivalent (ECM) de Thevenin amb una única branca RC per simular les característiques elèctriques de LIB, els paràmetres del model (incloent la tensió de circuit obert, la resistència ohmica, la resistència de polarització i la capacitat) es determinen amb precisió en increments del 10% SOC a diferents temperatures i direccions de descàrrega de càrrega mitjançant proves de característica de potència d'impuls híbrid (HPPC). Els valors dels paràmetres es compilen en una taula de cerca 3D per establir les bases per a l'estimació del SOC.

Estimació de l'estat de càrrega:La variació SOC de LIB es pot expressar en funció del temps, i el recompte de Coulomb és el mètode d'estimació bàsic basat en això, però hi ha errors. Per tant, s'utilitza un filtre de Kalman estès (EKF) per a l'estimació de SOC. EKF resol amb eficàcia els reptes de l'estimació de SOC linealitzant sistemes no lineals i combinant senyals de mesura de corrent, voltatge i temperatura. El seu algorisme inclou dos passos principals: predicció i actualització. A partir de les definicions de Thevenin ECM i SOC, les equacions de procés i mesura es donen en el domini del temps discret. EKF assumeix que el soroll del procés i el soroll de mesura són processos independents de soroll gaussià de mitjana zero i linealitza la funció de mesura mitjançant la matriu de Jacobi.

Anàlisi de l'envelliment:Realitzeu proves cícliques en tres bateries mitjançant procediments de càrrega estàndard i dues bateries mitjançant l'algoritme de càrrega MCC, amb proves de capacitat i proves de resistència interna de corrent continu (RiDC) cada 50 cicles. La prova de capacitat adopta el programa de càrrega estàndard CCCV per carregar i descarregar a 1C de corrent fins a la tensió límit inferior. La prova RiDC aplica polsos de corrent 1C a diferents nivells de SOC i mesura la resistència interna. El grau d'envelliment de la bateria es descriu calculant l'estat de salut (SOH) de la bateria, que es defineix com la relació entre la capacitat real i la capacitat de referència inicial. La prova d'envelliment es realitza fins al final de la vida útil de la bateria (80% SOH).

3. Resultats

Resultats de l'anàlisi de característiques electroquímiques

Canvis en el potencial de l'elèctrode a diferents velocitats 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 disminueix gradualment. Disseny del protocol de càrrega MCC: a partir dels resultats anteriors, es va dissenyar una corba de càrrega de corrent constant multietapa (MCC). La figura 5 mostra les etapes de càrrega dependents del SOC i la taula 3 resumeix els detalls de cada etapa. En comparació amb el protocol de càrrega estàndard CCCV, el protocol MCC té un avantatge de temps en el rang SOC baix, la càrrega al 80% SOC és aproximadament un 30% més ràpida que la càrrega estàndard i la càrrega MCC també és aproximadament un 10% més ràpida quan està completament carregada.

Identificació de paràmetres i resultats de modelització de la bateria

Determinació dels paràmetres del model:Analitzeu els resultats de la prova HPPC a Matlab i utilitzeu la funció "fminsearch()" per determinar els paràmetres de tensió, resistència i capacitat de circuit obert del model de bateria a diferents temperatures i nivells de SOC. Analitzeu l'impacte de la temperatura en la capacitat de la bateria, incorporeu els resultats de la prova de capacitat a una taula de cerca 2D relacionada amb la temperatura i trobeu que el SOC té una influència limitada en els paràmetres del model. Per simplificar, considereu-ho com una constant a la fórmula.

Validació del model:El model de bateria i l'estimador de SOC es validen mitjançant la descàrrega completa de la bateria de prova, seguida de proves de corrent dinàmic a diferents velocitats de càrrega i nivells de SOC. Simuleu la mateixa seqüència de prova a l'entorn MATLAB/Simulink i compareu-la amb dades experimentals mitjançant l'avaluació de l'error quadrat mitjà (RMSE). El RMSE de la simulació de tensió és de 7,09 mV. Tot i que hi ha un error important quan la bateria està completament descarregada, el rendiment del model és robust i pot capturar amb precisió la dinàmica de la tensió de la bateria en diferents condicions de càrrega.

Resultats de l'estimador SOC basat en EKF:Verifiqueu l'estimador SOC basat en EKF a 25 graus C i compareu el valor SOC estimat per l'algorisme EKF amb el valor SOC de referència obtingut pel mètode de recompte de Coulomb. El corrent de prova té una resolució d'1 mA i una precisió de 0,1%. En l'etapa inicial, hi va haver una desviació entre el SOC estimat per EKF i el SOC de referència. A mesura que les proves van avançar ràpidament, l'RMSE va ser de l'1,08%. L'algoritme va poder fer un seguiment del SOC amb precisió, especialment durant la fase de càrrega, i va poder controlar amb precisió el corrent de càrrega.

Resultats de rendiment d'envelliment de l'algoritme de càrrega MCC

Resultats de la prova d'envelliment:La figura 10 mostra els resultats de la prova d'envelliment. Es van provar tres bateries de càrrega estàndard i dues bateries de càrrega MCC, i es pot ignorar la desviació entre cada grup de bateries. Durant l'etapa inicial de les proves d'envelliment (fins a un 90% de SOH), la taxa d'envelliment de la càrrega MCC és lleugerament més lenta. Quan es té en compte el valor mitjà, les bateries carregades MCC arriben al 80% de SOH al final de la seva vida útil uns 50 cicles abans que les bateries carregades estàndard, però l'efecte general sobre la taxa d'envelliment no és significatiu. La bateria carregada per MCC va mostrar una lleugera disminució del SOH després de 850 cicles a causa de la interrupció de les proves.

Resultat del canvi de resistència interna:La figura mostra els canvis en la resistència interna total (R₀+R₁) de la bateria sota dos protocols de càrrega a 25 graus C i 50% SOC. La diferència en la resistència inicial i el valor SOH es deu als diferents temps d'emmagatzematge de la bateria. La resistència interna de les bateries amb els dos mètodes de càrrega va disminuir lleugerament en les primeres etapes de l'envelliment, i després va augmentar amb l'envelliment. L'algoritme de càrrega MCC no va provocar un revestiment de liti addicional, que és coherent amb els resultats de les proves de capacitat, cosa que indica que l'algoritme MCC manté la integritat de les característiques d'envelliment de la bateria.

4. Debat i resum

Contribució a la investigació a la tecnologia de càrrega de la bateria MCC:Mitjançant la integració d'estimadors SOC d'alta precisió i aplicant-los a bateries cilíndriques comercials (química de bateries NMC), es contribueix a la tecnologia de càrrega MCC de bateries. L'èxit d'integració ha facilitat la transferència de llindars de SOC precisos obtinguts a partir d'experiments de tres elèctrodes de bateries al nivell de bateria comercial, millorant les aplicacions pràctiques i superant la bretxa entre els coneixements experimentals i la implementació industrial.

Algoritme de càrrega MCC optimitzat per envelliment:S'introdueix un algorisme de càrrega MCC optimitzat per a l'envelliment i depenent del SOC, que redueix el temps de càrrega sense accelerar la degradació de la bateria reduint el risc de revestiment de liti. Es va destacar la importància de combinar tècniques d'anàlisi, modelització i estimació electroquímica per abordar els reptes clau en la càrrega de bateries, i es va utilitzar SOC com a paràmetre de transferència per garantir que els resultats del laboratori es puguin estendre a aplicacions industrials.

Els avantatges del mode i protocol de càrrega:El mode de càrrega òptim es pot determinar mitjançant bateries experimentals de tres elèctrodes i es pot controlar el potencial de l'ànode per detectar el revestiment de liti. El protocol de càrrega MCC proposat combinat amb el llindar SOC obtingut a partir dels experiments és més estable en comparació amb els protocols MCC tradicionals basats en voltatge i es veu menys afectat per factors com els canvis de temperatura i la histèresi electroquímica.

El paper i els resultats experimentals de l'estimador SOC:Es va desenvolupar un estimador SOC basat en el filtre de Kalman estès (EKF), amb un RMSE de l'1,08%, adequat per a sistemes de gestió de bateries (BMS). Els resultats experimentals mostren que, en comparació amb el mètode de càrrega tradicional de tensió constant de corrent constant (CC-CV), aquest mètode pot reduir el temps per arribar al 80% de SOC en un 30% sense accelerar el procés d'envelliment.