עבור סוללות ליתיום-יון מסחריות: ניתוח אלגוריתם טעינה מהירה של MCC מותאם למדידת שלוש אלקטרודות

תַקצִיר

מאמר זה מציע שיטה חדשה המספקת אלגוריתם טעינת זרם קבוע רב-שלבי (MCC) תלוי במצב טעינה מדויק ביותר עבור סוללות רכב חשמלי. אלגוריתם זה מקטין משמעותית את זמן הטעינה על ידי הימנעות מציפוי ליתיום, תוך שהוא אינו מאיץ את תהליך ההזדקנות. ראשית, בעזרת טכנולוגיית מדידת שלוש אלקטרודות, נותח בניסוי הקשר בין קצב זרם, מצב מטען וציפוי ליתיום, והוצע אלגוריתם טעינה המבוסס על תלות SOC (State of Charge). שנית, אלגוריתם הערכת SOC המבוסס על מסנן קלמן מורחב פותח בסביבת MATLAB/Simulink כדי להשיג הערכת SOC מדויקת ושליטה מדויקת בתהליך הטעינה. תוצאות הניסוי מראות שהשגיאה הממוצעת של הבסיס (RMSE) של הערכת SOC היא 1.08%, וזמן הטעינה מצטמצם ב-30% בטווח של 0% עד 80% SOC.

1. הקדמה

הגורמים המשפיעים של זמן הטעינה והמגבלות של פרוטוקולי טעינה קיימים:כמות הטעינה הציבורית העולמית ונתח הטעינה המהירה גדלה בעשור האחרון, אך זמן הטעינה לא תלוי רק בקיבולת המטען, אלא גם במאפייני הסוללה, תנאי הסביבה ופרוטוקולי הטעינה. פרוטוקול הטעינה הסטנדרטי עבור LIB הוא מתח קבוע זרם קבוע (CC-CV), הכולל שני שלבים: זרם קבוע (CC) ומתח קבוע (CV). שלב ה-CV הארוך מגביל את הפחתת זמן הטעינה הכולל, וזרם טעינה גבוה עלול להוביל לציפוי ליתיום, להשפיע על חיי הסוללה והבטיחות. לכן, לא ניתן להתעלם מההשפעה של פרוטוקול הטעינה על חיי הסוללה.

רקע מחקר ויתרונות של פרוטוקול טעינת זרם קבוע רב-שלבי:על מנת לייעל את האיזון בין זמן טעינה, יעילות וחיי סוללה, הוצעו פרוטוקולי טעינה מרובים, ביניהם פרוטוקול טעינת זרם קבוע רב-שלבי (MCC) נחקר רבות. פרוטוקול MCC יכול להפחית את זמן הטעינה ולהאריך את חיי מחזור הסוללה, ומעבר השלבים שלו יכול להתבסס על מרווח SOC או גבול עליון של מתח. האתגר העיקרי הוא לקבוע את המספר האופטימלי של שלבי CC, קצב נוכחי ותנאי המרה עבור טעינת MCC, אשר ניתן לפתור באמצעות שיטות Taguchi, אלגוריתמי אופטימיזציה, או על ידי זיהוי ציפוי Li כדי לקבוע את מצב זרם הטעינה האופטימלי.

החדשנות ומבנה המאמרים של מחקר זה

נקודת חדשנות:מחקר זה משלב את סף ה-SOC המתקבל משלושה ניסויים בסוללות אלקטרודות עם אומדן SOC דיוק גבוה עבור אלגוריתם טעינה של MCC, מפתח מדריך זרם טעינה ניתן להרחבה עבור סוללות מסחריות סטנדרטיות, ומבטל את הצורך באלקטרודה שלישית פיזית ביישומים והצורך בהרחבה בדיקת סוללה בשלב פיתוח פרוטוקול הטעינה, במטרה לצמצם את זמן הטעינה ולמנוע הזדקנות מואצת של הסוללה הנגרמת על ידי טעינה מהירה.

מבנה מאמר זה:ראשית, מצב הטעינה האופטימלי מתוכנן בשיטת שלוש האלקטרודות, וסוללת שלוש אלקטרודות ניסיונית נבנית מסוללת 21700 NMC מסחרית; שנית, פתח מעריך SOC מבוסס מסנן קלמן (EKF) מורחב המתאים למערכות ניהול סוללות (BMS); לאחר מכן בצעו בדיקות סוללה לאימות ביצועי השיטה, בצעו בדיקות הזדקנות והשוו את פרוטוקול MCC עם טעינת CC-CV רגילה; לבסוף, ספק מסקנה.

2. חומרים ושיטות

ניתוח מאפיינים אלקטרוכימיים:בצע ניתוח מדידת אלקטרודות על האלקטרודה של הסוללה הגלילית המסחרית 21700 NMC. ראשית, יש לפרוק את הסוללה למתח הגבול התחתון לאחר 5 מחזורים סטנדרטיים לפי מפרט היצרן. פתח את הסוללה בתיבת כפפות ארגון, הסר ועבד את האלקטרודות והכין סוללת שלוש אלקטרודות. בשל המאפיינים של חומרי אלקטרודת LIB, נדרשות אלקטרודות ייחוס נוספות כדי לצפות בתהליכים של האלקטרודה הפועלת ואלקטרודת הנגד בנפרד. המאפיינים האלקטרוכימיים של סוללת שלוש האלקטרודות הניסיונית דומים לאלו של סוללות מסחריות. על ידי קביעת שטח ציפוי האלקטרודה והקיבולת הספציפית, ביצוע בדיקות בקצבי טעינה ופריקה שונים, התבוננות בפוטנציאל האנודה והקתודה, קביעת ה-SOC הקריטי של ציפוי ליתיום בקצבי C שונים, ונרמול פרוטוקול MCC כדי להפוך אותו ליישום מסחרי סוללות, הניסוי נערך ב-25 מעלות צלזיוס ויהיה צורך לאמת אותו בתנאים סביבתיים שונים בעתיד.

מודל סוללה וזיהוי פרמטרים:שימוש במודל מעגל שווה ערך (ECM) של Thevenin עם ענף RC יחיד כדי לדמות את המאפיינים החשמליים של LIB, פרמטרי הדגם (כולל מתח מעגל פתוח, התנגדות אומה, התנגדות קיטוב וקיבול) נקבעים במדויק במרווחים של 10% SOC ב- טמפרטורות שונות וכיווני פריקת טעינה באמצעות בדיקת מאפייני כוח דופק היברידי (HPPC). ערכי הפרמטרים מורכבים לטבלת חיפוש תלת-ממדית כדי להניח את הבסיס להערכת SOC.

אומדן מצב החיוב:ניתן לבטא את וריאציית ה-SOC של LIB כפונקציה של זמן, וספירת קולומב היא שיטת האומדן הבסיסית המבוססת על זה, אך ישנן שגיאות. לכן, נעשה שימוש במסנן קלמן מורחב (EKF) להערכת SOC. EKF פותר ביעילות את האתגרים בהערכת SOC על ידי ליניאריזציה של מערכות לא ליניאריות ושילוב אותות מדידת זרם, מתח וטמפרטורה. האלגוריתם שלו כולל שני שלבים עיקריים: חיזוי ועדכון. בהתבסס על הגדרות Thevenin ECM ו-SOC, משוואות תהליך ומדידה ניתנות בתחום הזמן הדיסקרטי. EKF מניח שרעש תהליך ורעשי מדידה הם תהליכי רעש גאוסי ממוצע אפס עצמאיים, ומייצר את פונקציית המדידה באמצעות מטריצת Jacobi.

ניתוח הזדקנות:בצע בדיקות מחזוריות על שלוש סוללות תוך שימוש בהליכי טעינה סטנדרטיים ושתי סוללות באמצעות אלגוריתם טעינה של MCC, עם בדיקת קיבולת ובדיקת התנגדות פנימית של זרם ישר (RiDC) כל 50 מחזורים. בדיקת הקיבולת מאמצת את תוכנית הטעינה הסטנדרטית של CCCV לטעינה ופריקה בזרם 1C עד למתח הגבול התחתון. מבחן RiDC מחיל פולסי זרם 1C ברמות SOC שונות ומודד את ההתנגדות הפנימית. דרגת ההזדקנות של הסוללה מתוארת על ידי חישוב מצב הבריאות (SOH) של הסוללה, המוגדר כיחס בין הקיבולת בפועל לקיבולת הייחוס הראשונית. בדיקת ההזדקנות מתבצעת עד תום חיי הסוללה (80% SOH).

3. תוצאות

תוצאות ניתוח מאפיינים אלקטרוכימיים

שינויים בפוטנציאל האלקטרודה בקצבי C שונים: 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 יורד בהדרגה. עיצוב פרוטוקול טעינה של MCC: בהתבסס על התוצאות לעיל, תוכננה עקומת טעינה של זרם קבוע רב-שלבי (MCC). איור 5 מציג את שלבי הטעינה התלויים ב-SOC, וטבלה 3 מסכמת את הפרטים של כל שלב. בהשוואה לפרוטוקול הטעינה הסטנדרטי של CCCV, לפרוטוקול MCC יש יתרון בזמן בטווח ה-SOC הנמוך, טעינה ל-80% SOC מהירה בכ-30% מטעינה רגילה, וגם טעינת MCC מהירה בכ-10% בטעינה מלאה.

זיהוי פרמטרים ותוצאות מידול סוללה

קביעת פרמטר דגם:נתח את תוצאות בדיקת HPPC ב-Matlab והשתמש בפונקציה "fminsearch()" כדי לקבוע את פרמטרי המתח, ההתנגדות והקיבול של המעגל הפתוח של דגם הסוללה בטמפרטורות וברמות SOC שונות. נתחו את השפעת הטמפרטורה על קיבולת הסוללה, שלבו את תוצאות בדיקת הקיבולת בטבלת בדיקה דו-ממדית הקשורה לטמפרטורה, ומצאו של-SOC יש השפעה מוגבלת על פרמטרי המודל. כדי לפשט, שקול אותו כקבוע בנוסחה.

אימות מודל:דגם הסוללה ומעריך SOC מאומתים על ידי פריקה מלאה של סוללת הבדיקה, ולאחר מכן בדיקת זרם דינמי בקצבי טעינה ורמות SOC שונים. הדמיית אותו רצף בדיקה בסביבת MATLAB/Simulink והשוואה לנתונים ניסיוניים באמצעות הערכת שגיאת שורש מרובע (RMSE). ה-RMSE של הדמיית מתח הוא 7.09 mV. למרות שקיימת שגיאה משמעותית כאשר הסוללה ריקה לחלוטין, ביצועי הדגם חזקים ויכולים ללכוד במדויק את דינמיקת מתח הסוללה בתנאי עומס שונים.

תוצאות של מעריך SOC המבוסס על EKF:אמת את מעריך ה-SOC המבוסס על EKF ב-25 מעלות צלזיוס והשווה את ערך ה-SOC המוערך על ידי אלגוריתם EKF עם ערך ה-SOC הייחוס המתקבל בשיטת ספירת קולומב. לזרם הבדיקה יש רזולוציה של 1 mA ודיוק של 0.1%. בשלב הראשוני, הייתה סטייה בין ה-SOC המשוער על ידי EKF לבין ה-SOC הייחוס. ככל שהבדיקה התקדמה במהירות, ה-RMSE היה 1.08%. האלגוריתם הצליח לעקוב אחר SOC במדויק, במיוחד בשלב הטעינה, ויכול לשלוט במדויק על זרם הטעינה.

תוצאות ביצועי הזדקנות של אלגוריתם טעינה של MCC

תוצאות בדיקת הזדקנות:איור 10 מציג את תוצאות בדיקת ההזדקנות. נבדקו שלוש סוללות טעינה סטנדרטיות ושתי סוללות MCC טעינה, וניתן להתעלם מהסטייה בין כל קבוצת סוללות. במהלך השלב המוקדם של בדיקת ההזדקנות (עד 90% SOH), קצב ההזדקנות של טעינת ה-MCC מעט יותר איטי. כאשר בוחנים את הערך הממוצע, הסוללות הטעונות של MCC מגיעות ל-80% SOH בסוף תוחלת החיים שלהן כ-50 מחזורים מוקדם יותר מאשר סוללות טעונות סטנדרטיות, אך ההשפעה הכוללת על קצב ההזדקנות אינה משמעותית. הסוללה שנטענה על ידי MCC הראתה ירידה קלה ב-SOH לאחר 850 מחזורים עקב הפרעה בבדיקה.

תוצאת שינוי התנגדות פנימית:האיור מציג את השינויים בהתנגדות הפנימית הכוללת (R ₀+R ₁) של הסוללה תחת שני פרוטוקולי טעינה ב-25 מעלות צלזיוס ו-50% SOC. ההבדל בהתנגדות הראשונית ובערך SOH נובע מזמני אחסון שונים של הסוללה. ההתנגדות הפנימית של סוללות בשתי שיטות הטעינה ירדה מעט בשלבים המוקדמים של ההזדקנות, ולאחר מכן עלתה עם ההזדקנות. אלגוריתם הטעינה של MCC לא גרם לציפוי ליתיום נוסף, מה שעולה בקנה אחד עם תוצאות בדיקת הקיבולת, מה שמצביע על כך שאלגוריתם MCC שומר על שלמות מאפייני הזדקנות הסוללה.

4. דיון וסיכום

תרומה מחקרית לטכנולוגיית הטעינה של הסוללה MCC:על ידי שילוב מערכי SOC בעלי דיוק גבוה והחלתם על סוללות גליליות מסחריות (כימיה של סוללות NMC), תרומה לטכנולוגיית הטעינה של הסוללה MCC. האינטגרציה המוצלחת הקלה על העברה של ספי SOC מדויקים שהתקבלו משלוש ניסויי סוללת אלקטרודות לרמת הסוללה המסחרית, תוך שיפור יישומים מעשיים וגשר על הפער בין תובנות ניסוי ויישום תעשייתי.

אלגוריתם טעינת MCC מותאם להזדקנות:הוצג אלגוריתם טעינה MCC מותאם להזדקנות, תלוי SOC, אשר מקצר את זמן הטעינה מבלי להאיץ את השפלת הסוללה על ידי הפחתת הסיכון לציפוי ליתיום. הודגשה החשיבות של שילוב טכניקות ניתוח, מידול ואומדן אלקטרוכימיים כדי להתמודד עם אתגרים מרכזיים בטעינת סוללות, ו-SOC שימש כפרמטר העברה כדי להבטיח שניתן להרחיב את תוצאות המעבדה ליישומים תעשייתיים.

היתרונות של מצב טעינה ופרוטוקול:ניתן לקבוע את מצב הטעינה האופטימלי באמצעות סוללות ניסיוניות של שלוש אלקטרודות, וניתן לנטר את פוטנציאל האנודה כדי לזהות ציפוי ליתיום. פרוטוקול הטעינה המוצע של MCC בשילוב עם סף SOC המתקבל מניסויים יציב יותר בהשוואה לפרוטוקולי MCC מסורתיים מבוססי מתח, ומושפע פחות מגורמים כמו שינויי טמפרטורה והיסטרזיס אלקטרוכימי.

התפקיד ותוצאות הניסוי של מעריך SOC:פותח מעריך SOC המבוסס על Extended Kalman Filter (EKF), עם RMSE של 1.08%, המתאים למערכות ניהול סוללות (BMS). תוצאות הניסוי מראות שבהשוואה לשיטת הטעינה המסורתית של זרם קבוע קבוע (CC-CV), שיטה זו יכולה להפחית את הזמן להגיע ל-80% SOC ב-30% מבלי להאיץ את תהליך ההזדקנות.