Tijoriy lityum-ion batareyalar uchun: uchta elektrodni o'lchash uchun optimallashtirilgan MCC tez zaryadlash algoritmini tahlil qilish

Abstrakt

Ushbu maqola elektr avtomobil akkumulyatorlari uchun yuqori aniqlikdagi zaryad holatiga bog'liq ko'p bosqichli doimiy oqim (MCC) zaryadlash algoritmini ta'minlaydigan yangi usulni taklif qiladi. Ushbu algoritm qarish jarayonini tezlashtirmasdan, lityum qoplamadan qochib, zaryadlash vaqtini sezilarli darajada qisqartiradi. Birinchidan, uchta elektrodni o'lchash texnologiyasi yordamida oqim tezligi, zaryad holati va lityum qoplamasi o'rtasidagi bog'liqlik eksperimental tahlil qilindi va SOC (Zaryad holati) bog'liqligiga asoslangan zaryadlash algoritmi taklif qilindi. Ikkinchidan, yuqori aniqlikdagi SOC baholash va zaryadlash jarayonini aniq nazorat qilish uchun MATLAB/Simulink muhitida kengaytirilgan Kalman filtriga asoslangan SOCni baholash algoritmi ishlab chiqilgan. Tajriba natijalari shuni ko'rsatadiki, SOC baholashning o'rtacha kvadrat xatosi (RMSE) 1.08% ni tashkil qiladi va zaryadlash vaqti 0% dan 80% gacha bo'lgan SOC oralig'ida 30% ga kamayadi.

1. Kirish

Zaryadlash vaqtining ta'sir etuvchi omillari va mavjud zaryadlash protokollarining cheklovlari:So'nggi o'n yillikda global umumiy zaryadlash miqdori va tez zaryadlash ulushi oshdi, lekin zaryadlash vaqti nafaqat zaryadlovchi quvvatiga, balki batareyaning xususiyatlariga, atrof-muhit sharoitlariga va zaryadlash protokollariga ham bog'liq. LIB uchun standart zaryadlash protokoli doimiy oqim doimiy kuchlanish (CC-CV) bo'lib, u ikki bosqichni o'z ichiga oladi: doimiy oqim (CC) va doimiy kuchlanish (CV). Uzoq CV bosqichi jami zaryadlash vaqtini qisqartirishni cheklaydi va yuqori zaryadlash oqimi batareyaning ishlash muddati va xavfsizligiga ta'sir qiladigan lityum qoplamaga olib kelishi mumkin. Shuning uchun zaryadlash protokolining batareyaning ishlash muddatiga ta'sirini e'tiborsiz qoldirib bo'lmaydi.

Tadqiqot foni va ko'p bosqichli doimiy oqim zaryadlash protokolining afzalliklari:Zaryadlash vaqti, samaradorligi va batareyaning ishlash muddati o'rtasidagi muvozanatni optimallashtirish uchun bir nechta zaryadlash protokollari taklif qilingan, ular orasida ko'p bosqichli doimiy oqim zaryadlash (MCC) protokoli keng o'rganilgan. MCC protokoli zaryadlash vaqtini qisqartirishi va batareyaning ishlash muddatini uzaytirishi mumkin va uning bosqichli o'tishi SOC oralig'iga yoki kuchlanishning yuqori chegarasiga asoslangan bo'lishi mumkin. Asosiy qiyinchilik - CC bosqichlarining optimal sonini, joriy tezligini va MCC zaryadlash uchun konvertatsiya qilish shartlarini aniqlash, bu Taguchi usullari, optimallashtirish algoritmlari yoki optimal zaryad oqimi rejimini aniqlash uchun Li qoplamani aniqlash orqali hal qilinishi mumkin.

Ushbu tadqiqotning innovatsion va maqola tuzilishi

Innovatsion nuqta:Ushbu tadqiqot uchta elektrod batareyasi tajribasidan olingan SOC chegarasini MCC zaryadlash algoritmi uchun yuqori aniqlikdagi SOC hisoblagichi bilan birlashtiradi, standart tijorat akkumulyatorlari uchun kengaytiriladigan zaryadlovchi oqim qo'llanmasini ishlab chiqadi, ilovalarda jismoniy uchinchi elektrodga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi va keng ko'lamli elektrodga bo'lgan ehtiyojni yo'q qiladi. zaryadlash protokolini ishlab chiqish bosqichida batareyani sinovdan o'tkazish, zaryadlash vaqtini qisqartirish va batareyaning tez qarishini oldini olishga qaratilgan. tez zaryadlash natijasida yuzaga keladi.

Ushbu maqolaning tuzilishi:Birinchidan, optimal zaryadlash rejimi uchta elektrod usuli yordamida ishlab chiqilgan va eksperimental uchta elektrodli akkumulyator 21700 NMC tijorat akkumulyatoridan rekonstruksiya qilingan; Ikkinchidan, batareyani boshqarish tizimlari (BMS) uchun mos keladigan kengaytirilgan Kalman filtri (EKF) asosidagi SOC hisoblagichini ishlab chiqish; Keyin usulning ishlashini tekshirish uchun batareya sinovini o'tkazing, qarish testini o'tkazing va MCC protokolini standart CC-CV zaryadlash bilan solishtiring; Nihoyat, xulosa bering.

2. Materiallar va usullar

Elektrokimyoviy xarakteristikalar tahlili:21700 NMC tijorat silindrsimon batareyasining elektrodida uchta elektrod o'lchov tahlilini o'tkazing. Birinchidan, batareyani ishlab chiqaruvchining texnik xususiyatlariga muvofiq 5 standart tsikldan so'ng pastki chegara kuchlanishiga tushiring. Argon qo'lqop qutisida batareyani oching, elektrodlarni olib tashlang va qayta ishlang va uchta elektrodli batareyani tayyorlang. LIB elektrod materiallarining xususiyatlaridan kelib chiqqan holda, ishchi elektrod va qarshi elektrodning jarayonlarini alohida kuzatish uchun qo'shimcha mos yozuvlar elektrodlari talab qilinadi. Eksperimental uchta elektrodli akkumulyatorning elektrokimyoviy xususiyatlari tijorat akkumulyatorlarinikiga o'xshaydi. Elektrod qoplama maydonini va o'ziga xos quvvatni aniqlash, turli zaryadlash va tushirish stavkalarida sinovlarni o'tkazish, anod va katod potentsiallarini kuzatish, turli C-stavkalarida lityum qoplamasining muhim SOCni aniqlash va MCC protokolini uni tijorat maqsadlarida qo'llash uchun normallashtirish orqali. Batareyalar, tajriba 25 daraja C da o'tkazildi va kelajakda turli xil atrof-muhit sharoitlarida tasdiqlanishi kerak.

Batareyani modellashtirish va parametrlarni aniqlash:LIB ning elektr xususiyatlarini taqlid qilish uchun bitta RC tarmog'iga ega Thevenin ekvivalent elektron modeli (ECM) yordamida model parametrlari (shu jumladan ochiq kontaktlarning zanglashiga olib kelishi, ohmik qarshilik, qutblanish qarshiligi va sig'im) 10% SOC o'sishi bilan aniq aniqlanadi. gibrid impuls quvvati xarakteristikasi (HPPC) sinovi orqali turli haroratlar va zaryad tushirish yo'nalishlari. Parametr qiymatlari SOCni baholash uchun asos yaratish uchun 3D qidiruv jadvaliga jamlangan.

To'lov holatini baholash:LIB ning SOC o'zgarishi vaqt funktsiyasi sifatida ifodalanishi mumkin va Coulomb hisoblash bunga asoslangan asosiy baholash usuli hisoblanadi, ammo xatolar mavjud. Shuning uchun SOCni baholash uchun kengaytirilgan Kalman filtri (EKF) ishlatiladi. EKF chiziqli bo'lmagan tizimlarni chiziqlilashtirish va oqim, kuchlanish va haroratni o'lchash signallarini birlashtirish orqali SOCni baholashdagi muammolarni samarali hal qiladi. Uning algoritmi ikkita asosiy bosqichni o'z ichiga oladi: bashorat qilish va yangilash. Thevenin ECM va SOC ta'riflariga asoslanib, jarayon va o'lchov tenglamalari diskret vaqt sohasida berilgan. EKF jarayon shovqini va o'lchov shovqini mustaqil nolga teng o'rtacha Gauss shovqin jarayonlari deb hisoblaydi va Yakobi matritsasi orqali o'lchash funktsiyasini chiziqli qiladi.

Qarish tahlili:Standart zaryadlash tartib-qoidalaridan foydalangan holda uchta batareyada va MCC zaryadlash algoritmidan foydalangan holda ikkita batareyada tsiklik sinovni o'tkazing, sig'im va to'g'ridan-to'g'ri oqimning ichki qarshiligini (RiDC) har 50 tsiklda sinovdan o'tkazing. Imkoniyatlar sinovi 1C oqimida pastki chegara kuchlanishiga zaryad qilish va tushirish uchun standart CCCV zaryadlash dasturini qabul qiladi. RiDC testi turli SOC darajalarida 1C oqim impulslarini qo'llaydi va ichki qarshilikni o'lchaydi. Batareyaning qarish darajasi batareyaning salomatlik holatini (SOH) hisoblash yo'li bilan tavsiflanadi, bu haqiqiy quvvatning dastlabki mos yozuvlar quvvatiga nisbati sifatida aniqlanadi. Qarish testi batareyaning ishlash muddati tugaguncha (80% SOH) o'tkaziladi.

3. Natijalar

Elektrokimyoviy xarakteristikani tahlil qilish natijalari

Turli C-stavkalarida elektrod potentsialidagi o'zgarishlar: 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 asta-sekin kamayadi. MCC zaryadlash protokoli dizayni: Yuqoridagi natijalarga asoslanib, ko'p bosqichli doimiy oqim (MCC) zaryadlash egri chizig'i ishlab chiqilgan. 5-rasmda SOCga bog'liq zaryadlash bosqichlari ko'rsatilgan va 3-jadvalda har bir bosqichning tafsilotlari keltirilgan. Standart CCCV zaryadlash protokoli bilan solishtirganda, MCC protokoli past SOC diapazonida vaqt ustunligiga ega, 80% SOC ga zaryadlash standart zaryaddan taxminan 30% tezroq va to'liq zaryadlanganda MCC zaryadlash ham taxminan 10% tezroq.

Parametrlarni aniqlash va batareyani modellashtirish natijalari

Model parametrlarini aniqlash:Matlab-da HPPC test natijalarini tahlil qiling va turli haroratlarda va SOC darajalarida batareya modelining ochiq kontaktlarning zanglashiga olib keladigan kuchlanishini, qarshiligini va sig'im parametrlarini aniqlash uchun "fminsearch ()" funksiyasidan foydalaning. Haroratning batareya quvvatiga ta'sirini tahlil qiling, quvvat sinovi natijalarini harorat bilan bog'liq 2D qidiruv jadvaliga kiriting va SOC ning model parametrlariga cheklangan ta'sirini aniqlang. Soddalashtirish uchun uni formulada doimiy deb hisoblang.

Modelni tekshirish:Batareya modeli va SOC hisoblagichi sinov batareyasini to'liq zaryadsizlantirish, so'ngra turli zaryadlash stavkalari va SOC darajalarida dinamik oqim sinovi orqali tasdiqlanadi. MATLAB/Simulink muhitida bir xil sinov ketma-ketligini simulyatsiya qiling va uni o'rtacha kvadrat xato (RMSE) baholash yordamida eksperimental ma'lumotlar bilan solishtiring. Voltaj simulyatsiyasining RMSE 7,09 mV ni tashkil qiladi. Batareya to'liq zaryadsizlanganda sezilarli xatolik yuzaga kelgan bo'lsa-da, modelning ishlashi mustahkam va turli xil yuk sharoitida batareyaning kuchlanish dinamikasini aniq ushlab turishi mumkin.

EKF asosidagi SOC hisoblagichi natijalari:EKF ga asoslangan SOC hisoblagichini 25 daraja C da tasdiqlang va EKF algoritmi bo'yicha hisoblangan SOC qiymatini Kulon hisoblash usuli bilan olingan mos yozuvlar SOC qiymati bilan solishtiring. Sinov oqimining ruxsati 1 mA va aniqligi 0,1%. Dastlabki bosqichda EKF tomonidan hisoblangan SOC va mos yozuvlar SOC o'rtasida og'ish mavjud edi. Sinov tez o'tishi bilan RMSE 1,08% ni tashkil etdi. Algoritm, ayniqsa, zaryadlash bosqichida SOC ni aniq kuzatishga muvaffaq bo'ldi va zaryadlash oqimini aniq nazorat qila oldi.

MCC zaryadlash algoritmining qarish samaradorligi natijalari

Qarish testi natijalari:10-rasmda qarish testi natijalari ko'rsatilgan. Uchta standart zaryadlovchi va ikkita MCC zaryadlovchi batareyasi sinovdan o'tkazildi va har bir batareya guruhi orasidagi og'ish e'tiborga olinmasligi mumkin. Qarish testining dastlabki bosqichida (90% SOH gacha), MCC zaryadlashning qarish tezligi biroz sekinroq. O'rtacha qiymatni hisobga olgan holda, MCC zaryadlangan batareyalar ishlash muddati tugagandan so'ng, standart zaryadlangan batareyalardan taxminan 50 tsikl oldin 80% SOH ga etadi, ammo qarish tezligiga umumiy ta'sir sezilarli emas. MCC tomonidan zaryadlangan batareya sinov uzilishi tufayli 850 tsikldan keyin SOH biroz pasayganini ko'rsatdi.

Ichki qarshilikning o'zgarishi natijasi:Rasmda batareyaning umumiy ichki qarshiligidagi (R ₀ + R ₁) ikkita zaryadlash protokoli bo'yicha 25 daraja C va 50% SOC da o'zgarishlar ko'rsatilgan. Dastlabki qarshilik va SOH qiymatidagi farq batareyani saqlash vaqtlarining har xilligi bilan bog'liq. Har ikkala zaryadlash usuli bilan batareyalarning ichki qarshiligi qarishning dastlabki bosqichlarida bir oz pasayib, keyin qarish bilan ortdi. MCC zaryadlash algoritmi qo'shimcha lityum qoplamaga olib kelmadi, bu quvvat sinovlari natijalariga mos keladi, bu MCC algoritmi batareyaning qarish xususiyatlarining yaxlitligini saqlab qolishini ko'rsatadi.

4. Muhokama va xulosa

Batareya MCC zaryadlash texnologiyasiga tadqiqot hissasi:Yuqori aniqlikdagi SOC hisoblagichlarini birlashtirish va ularni tijorat silindrsimon batareyalarga (NMC batareyalar kimyosi) qo'llash orqali batareya MCC zaryadlash texnologiyasiga hissa qo'shiladi. Muvaffaqiyatli integratsiya uchta elektrod akkumulyatori tajribasidan olingan aniq SOC chegaralarini tijorat akkumulyatori darajasiga o'tkazishni osonlashtirdi, amaliy ilovalarni oshirdi va eksperimental tushunchalar va sanoat tatbiq etish o'rtasidagi bo'shliqni bartaraf etdi.

Qarish uchun optimallashtirilgan MCC zaryadlash algoritmi:Qarish uchun optimallashtirilgan, SOCga bog'liq MCC zaryadlash algoritmi joriy etildi, bu lityum qoplama xavfini kamaytirish orqali batareyaning buzilishini tezlashtirmasdan zaryadlash vaqtini qisqartiradi. Batareyani zaryadlashda asosiy muammolarni hal qilish uchun elektrokimyoviy tahlil, modellashtirish va baholash usullarini birlashtirish muhimligi ta'kidlandi va SOC laboratoriya natijalarini sanoat ilovalariga kengaytirishni ta'minlash uchun uzatish parametri sifatida foydalanildi.

Zaryadlash rejimi va protokolining afzalliklari:Optimal zaryadlash rejimi eksperimental uchta elektrodli batareyalar orqali aniqlanishi mumkin va lityum qoplamani aniqlash uchun anod potentsialini kuzatish mumkin. Tajribalardan olingan SOC chegarasi bilan birlashtirilgan taklif qilingan MCC zaryadlash protokoli an'anaviy kuchlanishga asoslangan MCC protokollariga nisbatan ancha barqaror va harorat o'zgarishi va elektrokimyoviy histerezis kabi omillardan kamroq ta'sirlanadi.

SOC smetatorining roli va eksperimental natijalari:Kengaytirilgan Kalman filtriga (EKF) asoslangan SOC hisoblagichi ishlab chiqildi, RMSE 1,08% bo'lib, batareyani boshqarish tizimlari (BMS) uchun mos keladi. Eksperimental natijalar shuni ko'rsatadiki, an'anaviy doimiy oqim doimiy kuchlanish (CC-CV) zaryadlash usuli bilan solishtirganda, bu usul qarish jarayonini tezlashtirmasdan 80% SOC ga erishish vaqtini 30% ga qisqartirishi mumkin.