Til kommercielle lithium-ion-batterier: Analyse af MCC-hurtigopladningsalgoritme optimeret til måling af tre elektroder

Abstrakt

Denne artikel foreslår en ny metode, der giver en meget nøjagtig ladetilstandsafhængig multi-stage constant current (MCC) opladningsalgoritme til elektriske køretøjers batterier. Denne algoritme reducerer opladningstiden betydeligt ved at undgå lithiumplettering, mens den ikke fremskynder ældningsprocessen. For det første blev forholdet mellem strømhastighed, ladningstilstand og lithiumplettering eksperimentelt analyseret ved hjælp af tre-elektrodemåleteknologi, og en opladningsalgoritme baseret på SOC (State of Charge)-afhængighed blev foreslået. For det andet blev en SOC-estimeringsalgoritme baseret på udvidet Kalman-filter udviklet i MATLAB/Simulink-miljøet for at opnå højpræcision SOC-estimering og præcis kontrol af opladningsprocessen. De eksperimentelle resultater viser, at den gennemsnitlige kvadratiske fejl (RMSE) af SOC-estimeringen er 1.08 %, og opladningstiden er reduceret med 30 % i intervallet 0 % til 80 % SOC.

1. Introduktion

Påvirkningsfaktorerne for opladningstid og begrænsningerne af eksisterende ladeprotokoller:Den globale offentlige opladningsmængde og hurtigopladningsandel er steget i det seneste årti, men opladningstiden afhænger ikke kun af opladerkapacitet, men også af batterikarakteristika, miljøforhold og opladningsprotokoller. Standard ladeprotokollen for LIB er konstant strøm konstant spænding (CC-CV), som omfatter to trin: konstant strøm (CC) og konstant spænding (CV). Det lange CV-trin begrænser reduktionen af ​​den samlede opladningstid, og høj ladestrøm kan føre til lithiumbelægning, hvilket påvirker batteriets levetid og sikkerhed. Derfor kan opladningsprotokollens indvirkning på batteriets levetid ikke ignoreres.

Forskningsbaggrund og fordele ved flertrins konstantstrøm opladningsprotokol:For at optimere balancen mellem opladningstid, effektivitet og batterilevetid er flere opladningsprotokoller blevet foreslået, blandt hvilke multi-stage constant current charge (MCC) protokol er blevet undersøgt bredt. MCC-protokollen kan reducere opladningstiden og forlænge batteriets levetid, og dens faseovergang kan være baseret på SOC-interval eller spændings øvre grænse. Hovedudfordringen er at bestemme det optimale antal CC-trin, strømhastighed og konverteringsbetingelser for MCC-opladning, som kan løses ved hjælp af Taguchi-metoder, optimeringsalgoritmer eller ved at detektere Li-belægning for at bestemme den optimale ladestrømstilstand.

Denne undersøgelses innovation og artikelstruktur

Innovationspunkt:Denne undersøgelse integrerer SOC-tærsklen opnået fra tre elektrodebatterieksperimenter med en højpræcision SOC-estimator til MCC-opladningsalgoritme, udvikler en skalerbar ladestrømguide til standard kommercielle batterier, hvilket eliminerer behovet for en fysisk tredje elektrode i applikationer og behovet for omfattende batteritest under udviklingsfasen for opladningsprotokol med det formål at reducere opladningstiden og forhindre accelereret batteriældning forårsaget af hurtig opladning.

Denne artikels opbygning:For det første er den optimale opladningstilstand designet ved hjælp af treelektrodemetoden, og et eksperimentelt treelektrodebatteri er rekonstrueret fra et kommercielt 21700 NMC-batteri; For det andet skal du udvikle en udvidet Kalman-filter (EKF) baseret SOC-estimator, der er egnet til batteristyringssystemer (BMS); Udfør derefter batteritest for at verificere metodens ydeevne, udfør ældningstest og sammenlign MCC-protokollen med standard CC-CV-opladning; Kom endelig med en konklusion.

2. Materialer og metoder

Elektrokemisk karakteristisk analyse:Udfør analyse af tre elektrodemålinger på elektroden på det 21700 NMC kommercielle cylindriske batteri. Aflad først batteriet til den nedre grænsespænding efter 5 standardcyklusser i henhold til producentens specifikationer. Åbn batteriet i en argon handskeboks, fjern og bearbejd elektroderne, og klargør et batteri med tre elektroder. På grund af egenskaberne ved LIB-elektrodematerialer kræves der yderligere referenceelektroder for at observere processerne af arbejdselektroden og modelektroden separat. De elektrokemiske egenskaber for det eksperimentelle batteri med tre elektroder ligner dem for kommercielle batterier. Ved at bestemme elektrodebelægningsarealet og den specifikke kapacitet, udføre tests ved forskellige opladnings- og afladningshastigheder, observere anode- og katodepotentialerne, bestemme den kritiske SOC for lithiumplettering ved forskellige C-hastigheder og normalisere MCC-protokollen for at gøre den anvendelig til kommerciel batterier, blev eksperimentet udført ved 25 grader C og skal valideres under forskellige miljøforhold i fremtiden.

Batterimodellering og parameteridentifikation:Ved at bruge en Thevenin-ækvivalent kredsløbsmodel (ECM) med en enkelt RC-gren til at simulere de elektriske karakteristika af LIB, bestemmes modelparametrene (herunder åben kredsløbsspænding, ohmsk modstand, polarisationsmodstand og kapacitans) nøjagtigt i trin på 10 % SOC ved forskellige temperaturer og ladningsudladningsretninger gennem hybrid pulse power karakteristik (HPPC) test. Parameterværdierne kompileres i en 3D-opslagstabel for at lægge grundlaget for SOC-estimering.

Estimering af ladetilstand:SOC-variationen af ​​LIB kan udtrykkes som en funktion af tid, og Coulomb-tælling er den grundlæggende estimeringsmetode baseret på dette, men der er fejl. Derfor bruges et udvidet Kalman-filter (EKF) til SOC-estimering. EKF løser effektivt udfordringerne i SOC-estimering ved at linearisere ikke-lineære systemer og kombinere strøm-, spændings- og temperaturmålingssignaler. Dens algoritme omfatter to hovedtrin: forudsigelse og opdatering. Baseret på Thevenin ECM- og SOC-definitioner er proces- og måleligninger givet i det diskrete-tidsdomæne. EKF antager, at processtøj og målestøj er uafhængige nulmiddel Gauss-støjprocesser, og lineariserer målefunktionen gennem Jacobi-matrix.

Aldringsanalyse:Udfør cyklisk test på tre batterier ved hjælp af standardopladningsprocedurer og to batterier ved hjælp af MCC-opladningsalgoritme, med kapacitetstestning og jævnstrøms intern modstand (RiDC) test hver 50. cyklus. Kapacitetstesten anvender standard CCCV-opladningsprogram til at oplade og aflade ved 1C strøm til den nedre grænsespænding. RiDC-testen anvender 1C-strømimpulser på forskellige SOC-niveauer og måler den interne modstand. Batteriets ældningsgrad beskrives ved at beregne batteriets sundhedstilstand (SOH), som er defineret som forholdet mellem den faktiske kapacitet og den oprindelige referencekapacitet. Ældningstesten udføres indtil slutningen af ​​batteriets levetid (80 % SOH).

3. Resultater

Elektrokemiske karakteristiske analyseresultater

Ændringer i elektrodepotentiale ved forskellige C-hastigheder: 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 falder gradvist. MCC-opladningsprotokoldesign: Baseret på ovenstående resultater blev der designet en multi-stage constant current (MCC) ladekurve. Figur 5 viser de SOC-afhængige opladningstrin, og tabel 3 opsummerer detaljerne for hvert trin. Sammenlignet med standard CCCV-opladningsprotokollen har MCC-protokollen en tidsfordel i det lave SOC-område, opladning til 80 % SOC er omkring 30 % hurtigere end standardopladning, og MCC-opladning er også omkring 10 % hurtigere, når den er fuldt opladet.

Parameteridentifikation og batterimodelleringsresultater

Modelparameterbestemmelse:Analyser HPPC-testresultaterne i Matlab og brug funktionen "fminsearch()" til at bestemme batterimodellens åbne kredsløbsspænding, modstand og kapacitansparametre ved forskellige temperaturer og SOC-niveauer. Analyser temperaturens indflydelse på batterikapaciteten, inkorporer kapacitetstestresultaterne i en temperaturrelateret 2D-opslagstabel, og find ud af, at SOC har begrænset indflydelse på modelparametre. For at forenkle, betragte det som en konstant i formlen.

Modelvalidering:Batterimodellen og SOC-estimatoren valideres ved at aflade testbatteriet helt, efterfulgt af dynamisk strømtestning ved forskellige opladningshastigheder og SOC-niveauer. Simuler den samme testsekvens i MATLAB/Simulink-miljø og sammenlign den med eksperimentelle data ved hjælp af root mean square error (RMSE) evaluering. RMSE for spændingssimulering er 7,09 mV. Selvom der er en væsentlig fejl, når batteriet er helt afladet, er modellens ydeevne robust og kan nøjagtigt fange batterispændingsdynamikken under forskellige belastningsforhold.

Resultater af SOC-estimator baseret på EKF:Bekræft SOC-estimatoren baseret på EKF ved 25 grader C, og sammenlign SOC-værdien estimeret af EKF-algoritmen med reference-SOC-værdien opnået ved Coulomb-tællemetoden. Teststrømmen har en opløsning på 1 mA og en nøjagtighed på 0,1 %. I den indledende fase var der en afvigelse mellem den estimerede SOC af EKF og reference SOC. Da testen skred hurtigt frem, var RMSE 1,08%. Algoritmen var i stand til nøjagtigt at spore SOC, især under opladningsfasen, og kunne præcist styre ladestrømmen.

Ældrende præstationsresultater af MCC-opladningsalgoritme

Aldringstestresultater:Figur 10 viser ældningstestresultaterne. Tre standardopladnings- og to MCC-opladningsbatterier blev testet, og afvigelsen mellem hver gruppe af batterier kan ignoreres. I det tidlige stadium af ældningstestning (op til 90 % SOH) er ældningshastigheden for MCC-opladning lidt langsommere. Når man betragter middelværdien, når MCC-ladede batterier 80 % SOH ved slutningen af ​​deres levetid omkring 50 cyklusser tidligere end standardopladede batterier, men den samlede effekt på ældningshastigheden er ikke signifikant. Batteriet opladet af MCC viste et lille fald i SOH efter 850 cyklusser på grund af testafbrydelse.

Resultat af intern modstandsændring:Figuren viser ændringerne i batteriets totale interne modstand (R ₀+R ₁) under to opladningsprotokoller ved 25 grader C og 50 % SOC. Forskellen i startmodstand og SOH-værdi skyldes forskellige batteriopbevaringstider. Den interne modstand af batterier med begge opladningsmetoder faldt lidt i de tidlige stadier af ældning og steg derefter med ældning. MCC-opladningsalgoritmen forårsagede ikke yderligere lithiumbelægning, hvilket er i overensstemmelse med kapacitetstestresultaterne, hvilket indikerer, at MCC-algoritmen bevarer integriteten af ​​batteriets ældningsegenskaber.

4. Diskussion og resumé

Forskningsbidrag til batteri-MCC-opladningsteknologi:Ved at integrere højpræcisions SOC-estimatorer og anvende dem på kommercielle cylindriske batterier (NMC-batterikemi), ydes der et bidrag til batteriets MCC-opladningsteknologi. Den vellykkede integration har lettet overførslen af ​​præcise SOC-tærskler opnået fra tre elektrodebatterieksperimenter til det kommercielle batteriniveau, hvilket forbedrer praktiske applikationer og bygger bro mellem eksperimentel indsigt og industriel implementering.

Aldringsoptimeret MCC-opladningsalgoritme:En aldringsoptimeret, SOC-afhængig MCC-opladningsalgoritme introduceres, som reducerer opladningstiden uden at accelerere batterinedbrydningen ved at reducere risikoen for lithiumplettering. Vigtigheden af ​​at kombinere elektrokemiske analyse-, modellerings- og estimeringsteknikker for at løse centrale udfordringer i batteriopladning blev understreget, og SOC blev brugt som en overførselsparameter for at sikre, at laboratorieresultater kan udvides til industrielle applikationer.

Fordelene ved opladningstilstand og protokol:Den optimale opladningstilstand kan bestemmes gennem eksperimentelle treelektrodebatterier, og anodepotentialet kan overvåges for at detektere lithiumplettering. Den foreslåede MCC-opladningsprotokol kombineret med SOC-tærsklen opnået fra eksperimenter er mere stabil sammenlignet med traditionelle spændingsbaserede MCC-protokoller og er mindre påvirket af faktorer som temperaturændringer og elektrokemisk hysterese.

Rollen og eksperimentelle resultater af SOC-estimator:En SOC-estimator baseret på Extended Kalman Filter (EKF) blev udviklet, med en RMSE på 1,08%, egnet til Battery Management Systems (BMS). De eksperimentelle resultater viser, at sammenlignet med den traditionelle opladningsmetode med konstant strøm konstant spænding (CC-CV), kan denne metode reducere tiden til at nå 80 % SOC med 30 % uden at accelerere ældningsprocessen.