Resum
La resistència és un dels paràmetres clau per mesurar el rendiment de les bateries d'ions de liti (Ions de Li), que pot reflectir l'eficiència i la capacitat de sortida de potència de la bateria. Igual que altres paràmetres de rendiment de les bateries d'ions Li, la resistència es veu afectada per les condicions de funcionament i augmenta amb l'envelliment de la bateria. Per tal de capturar aquestes dependències, l'enfocament tradicional és utilitzar fitxers de configuració de tasques sintètics per envellir les bateries d'ions de Li en diferents condicions i interrompre periòdicament les proves d'envelliment per mesurar la resistència en condicions estàndard. Tot i que aquest mètode pot obtenir dades precises sobre el comportament de la resistència, aquestes dades sovint no poden reflectir completament els canvis de resistència en aplicacions pràctiques. Per tant, aquest article proposa un nou mètode que pot extreure, modelar i predir directament la resistència del fitxer de configuració de tasques dinàmiques de la bateria. En aquest procés, l'extracció de la resistència es basa principalment en la manipulació i el registre de dades, mentre que la modelització i la predicció utilitzen models lineals logarítmics. Aquest mètode pot simular i predir amb més precisió els canvis de resistència de les bateries en condicions d'ús reals, proporcionant una nova perspectiva per a l'avaluació del rendiment de la bateria i la predicció de la vida útil.
1. Introducció
1.1 La importància i les característiques de la resistència interna de les bateries d'ions de liti
Paràmetres clau de rendiment i aplicació:La resistència interna, com la capacitat, és un paràmetre important per descriure el rendiment i el comportament de la vida útil de les bateries d'ions de liti. En aplicacions com l'emmagatzematge d'energia renovable i els vehicles elèctrics, la resistència interna s'utilitza per determinar la capacitat de potència de les bateries i és crucial per optimitzar el disseny dels sistemes de bateries per satisfer els requisits tècnics i econòmics. Mentrestant, la resistència interna també és un paràmetre clau per al modelatge elèctric i tèrmic de la bateria, que descriu el comportament dinàmic i de calefacció de la bateria, respectivament.
Factors no lineals i influents:La resistència interna de les bateries d'ions de liti és molt no lineal i es veu afectada per la temperatura de funcionament, el corrent de càrrega i l'estat de càrrega de la bateria (SOC). A més, durant el funcionament a llarg termini, la resistència interna envelleix amb el temps.
Mètodes de mesura tradicionals i les seves limitacions:Hi ha diversos mètodes per determinar la resistència interna de les bateries d'ions de liti, entre els quals s'utilitza habitualment la tecnologia de pols actual. Aplicant una certa amplitud i longitud del corrent de càrrega i descàrrega a la bateria, es registra la resposta de tensió de la bateria i després es calcula la resistència interna mitjançant la llei d'Ohm. Aquest mètode es pot utilitzar amb èxit en condicions de laboratori per determinar la resistència interna de les bateries en diferents condicions i fer un seguiment dels canvis en la resistència interna durant el procés d'envelliment. No obstant això, el seu principal inconvenient és que la bateria ha d'estar en mode inactiu durant almenys 15 minuts abans de la mesura per aconseguir l'estabilitat termodinàmica, que està limitada en aplicacions pràctiques a causa del temps d'inactivitat tècnica i econòmic inviable dels sistemes d'emmagatzematge d'ions de liti.
1.2 Objectius i mètodes de recerca
Objectiu de recerca:Analitzar la viabilitat de fer un seguiment directe de la degradació de la resistència interna de les bateries d'ions de liti a partir d'un perfil de tasca real, que s'utilitza per envellir la bateria durant 38 setmanes.
Mètode d'extracció de resistència interna:A partir de la idea que hi ha darrere de l'algorisme SRD, la resistència interna s'extreu fent un seguiment acutic de l'inici i la durada dels polsos actuals. Suposant que el logaritme de la resistència extreta segueix una distribució normal i la seva mitjana és una funció no lineal del SOC de la bateria, els paràmetres del model de resistència interna s'estimen setmanalment per fer un seguiment dels canvis de resistència al llarg del temps.
Mètode de predicció de l'edat de la bateria:Utilitzant paràmetres estimats i assumint probabilitats prèvies de SOC i nombre de cicle, d'acord amb les regles bayesianes i la llei de la probabilitat total, la distribució precisa de l'edat de la bateria es calcula mesurant el nou valor de resistència interna i el SOC corresponent. Finalment, compareu els resultats del mètode proposat amb els resultats de la mesura de la resistència mitjançant mètodes tradicionals després de l'envelliment setmanal.
2. Informació detallada sobre bateries experimentals, condicions d'envelliment i mesura de resistència interna
2.1 Prova de les especificacions de la bateria
Aquest experiment utilitza una bateria d'ió de liti cilíndrica amb una capacitat nominal de 2,5 Ah i una tensió nominal de 3,3 V. La bateria està dissenyada a partir d'ànode de grafit i càtode de fosfat de ferro de liti (LFP), dissenyada específicament per a aplicacions d'alta potència, i pot suportar una càrrega i descàrrega contínua fins a quatre vegades el corrent nominal.
2.2 Configuració de les condicions d'envelliment
Perfil actual i cicle d'envelliment: utilitzeu la bateria d'envelliment del perfil actual que es mostra a la figura 1, amb una durada d'una setmana. La seva singularitat rau en el fet que en més del 95% dels casos, s'utilitza un corrent de 4C (és a dir, 10A) per carregar i descarregar. A una temperatura d'envelliment de 25 graus C, aquest perfil d'envelliment es va aplicar per provar la bateria fins a 38 setmanes. Després d'aplicar aquest perfil actual, el perfil SOC de la bateria es mostra a la figura 2, amb SOC variant entre el 10% i el 90%.
2.3 Procés i resultats de la mesura de la resistència interna
Mètode i paràmetres de mesura:Després de proves setmanals d'envelliment, la resistència interna de la bateria es mesura mitjançant la tecnologia de pols actual. Les mesures es van prendre al 20%, 50% i 80% SOC, amb polsos de corrent a una velocitat de 4C (10A) durant 18 segons. Abans del mesurament, la bateria ha d'estar en mode inactiu durant 15 minuts per aconseguir l'estabilitat termodinàmica.
Anàlisi del resultat de la mesura:Després de 38 setmanes d'envelliment cíclic, la resistència interna de la bateria va augmentar un 8,7%, mentre que la capacitat de la bateria va disminuir en més d'un 15% en comparació amb el valor de mesura inicial. Això indica que durant el procés d'envelliment, tot i que la capacitat de la bateria disminueix significativament, l'augment de la resistència interna és relativament petit, reflectint els canvis de rendiment de la bateria en aquesta condició d'envelliment. Això proporciona una base de dades per a més investigacions sobre la relació entre la resistència interna de la bateria i el SOC, i l'establiment de models de resistència interna.
3. Mètode i característiques relacionades per extreure la resistència interna de la bateria dels perfils dinàmics
3.1 Principi d'extracció de resistències internes basat en el perfil dinàmic
Per extreure la resistència interna de la bateria del perfil dinàmic que es mostra a la figura 1, cal fer un seguiment del corrent I i de la tensió V_s abans de l'inici del pols de corrent. Si es coneixen el corrent, la tensió i V_s en un moment determinat t, aleshores segons la llei d'Ohm:
Calcula la resistència en aquest moment. La clau és determinar quan i com actualitzar les V_. A partir del canvi de corrent des del temps t fins a (t+1), es pot dividir en les tres situacions següents:
3.2. Mètode d'actualització de V_ sota diferents canvis actuals
Canvis actuals de 0 a diferent de zero (escenari 1):V{{0}}s s'actualitza a l'últim valor de tensió quan el corrent va ser l'últim 0 (és a dir (V_t)). Aquest mètode es basa en el temps de relaxació entre polsos de corrent per fer que la tensió de la bateria arribi (o s'acosti) a la tensió de circuit obert (OCV). Com més llarg sigui el temps de relaxació, més precisa serà l'estimació de la resistència de la bateria.
El corrent canvia d'un valor diferent de zero a un altre valor diferent de zero (escenari 2):La situació és complexa. Si l'últim temps d'inactivitat de la bateria és curt, es pot utilitzar el valor emmagatzemat actualment (_s) per determinar la resistència, però com més llarg sigui el temps d'inactivitat, menys precís serà el valor. Per obtenir un model més precís, aquest article ignora les resistències extretes en aquests casos. Hi ha dues possibles solucions a aquest problema:
Un és considerar el canvi de corrent a partir del valor actual, de manera que la situació 2 es pugui transformar en la situació 1 (és a dir, si I2- I2 {t{-1}<€) and (I2 {t+1} - I2- t>€), aleshores sigui (V_s=V_t);
En segon lloc, si es coneix el SOC de la bateria i hi ha un model de relació entre OCV i SOC, aquesta relació es pot utilitzar per actualitzar V_s per millorar la precisió de l'estimació de la resistència interna.
L'actual es manté sense canvis (escenari 3):Si|I2- I2 {t+1} |<=&, V_s does not need to be updated. Simply calculate the resistance at time t+1 using the formula and proceed to the next iteration.
3.3 La influència del període de relaxació en el mètode d'extracció
The internal resistance is affected by the length of the current pulse, and it takes time for the battery to reach thermodynamic stability after the current interruption. Tracking the previous pulse length L and relaxation period length T is beneficial. By comparing the resistance identification results under two conditions: requiring a relaxation period at least as long as the previous current pulse (T>=L) and requiring only 1 second relaxation period (T>1), s'estudia la influència del període de relaxació en el rendiment del mètode d'extracció. Els valors de resistència interna extrets en dos escenaris es denoten com a R_i i bar, respectivament {R}_i .
3.4 Característiques de l'estimació de la resistència interna
A causa de l'ús d'un pols de 18 segons de durada per mesurar la resistència interna després de l'envelliment cada setmana, la resistència interna extreta mitjançant el mètode proposat es defineix com el valor de resistència R_i=R{{3} } {i, 18 s} després de 18 segons. El corrent en el perfil d'envelliment dinàmic considerat (figura 1) varia majoritàriament a la mateixa amplitud de velocitat C, de manera que la resistència interna de la bateria només s'estima en el rang actual de 9,5 A-10,5 A, cosa que ajuda a (1) aïllar la dependència de la resistència interna del corrent i (2) verificar el mètode proposat sense biaix.
4. Relació entre la resistència interna de la bateria i el SOC, i anàlisi de la predicció de l'edat de la bateria
4.1 Relació i establiment de models entre Resistència Interna i SOC
La llei de variació de la resistència interna amb SOC:Després de veure's afectada per la temperatura d'aïllament, el corrent (tasa C) i la durada del pols, la resistència interna de la bateria provada només canvia amb el SOC i augmenta amb l'envelliment de la bateria. Atès que la resistència interna de la bateria augmenta quan el SOC s'acosta a 0 i 1, utilitzeu:
Descriu la seva relació amb SOC i pren el seu logaritme per mostrar la linealitat en l'espai de paràmetres, la qual cosa facilita l'estimació de paràmetres. Suposant la resistència de la bateria durant una setmana determinada \ (w \)
Obeïu una distribució normal amb una mitjana de {{0}} i una variància de o-2, i la variància no varia amb la setmana. Estima els paràmetres mitjançant el mètode de màxima versemblança, suposant que beta_ {1, w} i beta_ {2, w} són tots dos menors o iguals a 0.
Model de validació de dades experimental:D'acord amb el perfil d'envelliment i el mètode esmentats anteriorment, els valors de resistència interna extrets (vegeu la figura 7 i la figura 8, punts negres) es van ajustar amb el model anterior. La línia blava representa l'índex de resistència logarítmica esperat, l'àrea ombrejada és l'interval de confiança del 95% i els punts vermells i les línies discontínues representen els valors de mesura de la inspecció setmanal i els valors del model ajustat mensualment corresponents, respectivament. Comparant els resultats sota dos requisits de període de relaxació, el període de relaxació estricte redueix el nombre de valors de resistència interna, però redueix significativament la variació. Calcula l'error percentual absolut (APE) per verificar la precisió del mètode. En la majoria dels casos, l'APE mitjà de la figura 9 és inferior al 4,5%, cosa que indica que el mètode d'identificació de la resistència interna proposat pot substituir els mètodes tradicionals (que requereixen que la bateria estigui inactiva durant 15 minuts). La figura 11 mostra que amb el temps, a mesura que el paràmetre beta disminueix, la desviació estàndard del model primer disminueix i després augmenta. La disminució de beta_ {1, w} i beta{{10}} {2, w} fa que la resistència interna augmenti més ràpidament quan el SOC s'acosta a 1. El paràmetre beta controla conjuntament el resistència interna mínima esperada quan el SOC és de 0,5, que es manté relativament estable durant el procés d'envelliment.
4.2. Predicció i anàlisi de l'edat de la bateria
Principi de predicció basat en models:A partir del model de relació entre la resistència interna i el SOC esmentat anteriorment, conèixer el valor SOC i l'edat de la bateria (setmanes) pot predir amb precisió la resistència interna de la bateria. En cas contrari, cal determinar
Utilitzeu la distribució de probabilitat per estimar l'edat de la bateria. Per a això, cal assumir la distribució de probabilitat de SOC, nombre de cicle i resistència interna SOC, Distribució conjunta de setmanes. Suposant que el SOC i el número de cicle són independents prèviament, el SOC de la bateria segueix una distribució uniforme contínua en un interval d'unitat i el número de cicle segueix una distribució uniforme discreta en un conjunt de cicles possibles. Segons la regla de Bayes i la llei de la probabilitat total, calculeu la distribució posterior:
Resumeix la distribució posterior dels cicles de la bateria per mitjà ponderat i regió de densitat posterior alta (HPD), on la regió HPD del 95% representa la combinació de regió mínima amb una probabilitat de combinació (àrea sota la corba) del 95%.
Anàlisi dels resultats de predicció sota diferents resistències internes i SOC:Quan la resistència interna és de 15 m Ω, la distribució de probabilitat posterior al 20% i al 80% de SOC és gairebé la mateixa, amb un rang mitjà ponderat de 17,4-24,7 setmanes. La regió d'HPD del 95% cobreix tot el període d'envelliment (1-38 setmanes), cosa que fa difícil distingir l'edat de la bateria. Això és coherent amb el fet que la resistència interna de la bateria només augmenta un 8,7% després de 38 setmanes d'envelliment, i perquè la beta_ {2, w} disminueix més ràpidament que la beta_ {1, w }, hi ha diferències en la distribució posterior al 20% i al 80% de SOC (vegeu la figura 12-14). Quan la resistència interna augmenta a 20 m Ω, hi ha un 95% de probabilitat que la bateria sigui superior a 22,8 setmanes i 27,5 setmanes a un 20% i 80% de SOC, respectivament. Amb un SOC del 50%, la distribució posterior té una probabilitat més alta a 1-10 setmanes i 23-38 setmanes. Això es deu a la disminució dels valors de mesura de la resistència interna prop del 50% de SOC en l'etapa inicial de l'envelliment i les diferents velocitats d'acceleració de la resistència interna augmenten a diferents SOC (vegeu la figura 15-17).
5. Resum
Mètode d'identificació i modelatge de la resistència interna:Aquest estudi proposa un mètode per identificar directament la resistència interna de la bateria a partir dels perfils d'envelliment dinàmic i modelar el seu comportament de degradació. Seguint acuradament els canvis en el perfil actual i utilitzant la llei d'Ohm per calcular la resistència en cada moment, la resistència interna es defineix com la resistència després de 18 segons de càrrega contínua i es limita a la condició que el període de relaxació sigui almenys tan sempre que el pols de corrent anterior. La resistència interna extreta durant una setmana determinada es modela com una funció lineal logarítmica de SOC, que és molt coherent amb la resistència interna mesurada pels mètodes tradicionals.
Anàlisi de l'estabilitat de la resistència interna:L'anàlisi mostra que, en comparació amb la taxa més alta d'augment de la resistència interna al 20% i al 80% de SOC, la resistència interna extreta prop del 50% de SOC és bastant estable en poques setmanes, cosa que és completament coherent amb els resultats obtinguts pels mètodes tradicionals.
El marc per calcular la distribució posterior de probabilitat de l'edat de la bateria:El mètode proposat es pot integrar en el marc per calcular la distribució posterior de probabilitat de l'edat de la bateria. A partir del valor de la resistència interna mesurada i del SOC, es pot determinar la distribució de probabilitat que la bateria tingui \(w\) setmanes d'antiguitat, cosa que ajuda a estimar encara més la vida útil restant (RUL) de la bateria, però aquesta part es deixarà. per a futures investigacions.
A més de l'estimació RUL, una altra simple extensió d'aquest marc de recerca és l'aprenentatge del comportament SOC i la seva relació amb l'ús de la bateria, que no es va abordar en aquest document i que es pot explorar més en el futur per obtenir una comprensió més completa del rendiment de la bateria i optimitzar-ne. gestió de la bateria.