باز کردن قفل کد سلامت برای باتری‌های لیتیوم یون: یک استراتژی جدید برای استخراج و نظارت اطلاعات الکترود بر اساس ویژگی‌های شارژ و دشارژ

چکیده

برای اطمینان از عملکرد بهتر باتری‌های لیتیوم یونی در کاربردهایی مانند خودروهای الکتریکی، استفاده از سیستم مدیریت باتری (BMS) برای نظارت بر وضعیت آنها ضروری است. برای این منظور، ابزارهای غیر تهاجمی برای نظارت بر باتری در مقیاس الکترود مورد نیاز است. این مقاله روشی را برای استخراج اطلاعات الکترود (پتانسیل تعادل، ظرفیت، و نرخ لیتیاسیون به عنوان توابع حالت شارژ باتری) از شارژ و دشارژ باتری پیشنهاد می‌کند. یک مدل شبه OCV برای تعیین این اطلاعات استفاده شد که می‌تواند بایاس مربوط به اضافه ولتاژ باتری را کاهش دهد. دقت پارامترهای مورد نیاز در اندازه گیری میانگین شبه OCV (بین تخلیه و شارژ) باتری های لیتیوم یونی LFP/گرافیت تقریباً 1 میلی ولت است. این روش را می توان برای هر شیمی باتری استفاده کرد.

1. مقدمه

تقاضا برای نظارت LIBs:استفاده از باتری‌های لیتیوم یونی در کاربردهایی مانند وسایل نقلیه الکتریکی نیازمند یک سیستم مدیریت باتری (BMS) برای نظارت بر وضعیت آنها برای اطمینان از ایمنی، عملکرد بهتر و طول عمر طولانی است.

کاستی ها و بهبودهای نظارت سنتی:به‌طور سنتی، LIB‌ها به‌عنوان یک «کل» بدون هیچ اطلاعاتی در مورد وضعیت داخلی آن‌ها نظارت می‌شدند. در واقع باتری‌های لیتیوم یونی از اجزای داخلی متعددی شامل الکترودهای مثبت و منفی، الکترولیت و جداکننده تشکیل شده‌اند. هدف این مقاله نظارت بر وضعیت الکترود LIB ها برای کنترل بهتر، با تمرکز بر تعیین ظرفیت الکترود و پتانسیل تعادل به عنوان توابع وضعیت شارژ باتری (SOC) است.

این مقاله یک مرور کلی از روش ارائه می دهد:روشی بر اساس یک مدل شبه OCV برای تعیین وضعیت الکترودهای LIBS پیشنهاد شده است. ویژگی این روش استفاده از مقدار متوسط ​​اندازه گیری شبه OCV باتری و منحنی مرجع متوسط ​​پتانسیل تعادل الکترود است. این مقاله ترکیب شبه OCV LIBs را در بخش 2 توصیف می کند و معادلات ریاضی مربوط به پارامترهای حالت الکترود و شبه OCV را ایجاد می کند. در بخش 3، روش تعیین پارامترهای الکترود معرفی شد. نتایج این روش در بخش 4 مورد ارزیابی قرار گرفت.

2. ویژگی های شبه OCV LIB

2.1 تعریف و مدلسازی شبه OCV

تعریف:شبه OCV (pOCV) ولتاژ باتری است زمانی که اضافه ولتاژ باتری (η) برابر با چند ده میلی ولت باشد (یعنی در جریان های بسیار کم)، و OCV نشان دهنده ولتاژ تعادل باتری است.

عوامل موثر:OCV با وضعیت شارژ (SOC) و دمای T باتری، از جمله مشارکت پدیده های داخلی مختلف مانند اثر اهمی (انتقال یون های لیتیوم در الکترولیت و الکترون ها در الکترودها، اتصال دهنده های الکتریکی خارجی و غیره) متفاوت است. و اثرات دینامیکی (انتقال و انتشار بارهای لیتیوم در هر الکترود). η همچنین تحت تأثیر دما، SOC و تاریخچه باتری (شارژ و دشارژ باتری و وضعیت سلامت آن) است، بنابراین pOCV نیز با این پارامترها متفاوت است. این مقاله عمدتاً بر وابستگی آن به SOC متمرکز است، در حالی که سایر پارامترها ثابت در نظر گرفته می شوند. SOC با استفاده از فرمول محاسبه می شود:

محاسبه کنید، SOCinit حالت شارژ اولیه است، I جریان اندازه گیری شده است، و t نشان دهنده زمان است.

2.2 ولتاژ متعادل

توضیحات:OCV یک باتری، تفاوت بین پتانسیل تعادل (OCPs) الکترودهای مثبت و منفی است. زیرنویس های PE و NE به ترتیب نشان دهنده الکترودهای مثبت و منفی هستند. x و y نرخ لیتیاسیون الکترودها هستند که به عنوان نسبت حالت بار آنها به ظرفیت آنها تعریف می شود. ظرفیت الکترود به طراحی خاص و خواص الکتروشیمیایی آنها مربوط می شود. OCP یک الکترود مقدار الکتریسیته ای است که در حالت تعادل نسبت به یک الکترود مرجع (معمولاً از یک الکترود لیتیوم فلزی (Li+/Li) به عنوان الکترود مرجع استفاده می شود)، که به طور غیرخطی با نرخ لیتیاسیون تغییر می کند و تحت تأثیر استفاده از الکترود است. تاریخچه (هیسترزیس). منحنی OCP می تواند یک یا چند فلات را نشان دهد که تعداد آنها به ترکیب شیمیایی الکترود بستگی دارد.

موقعیت در LIB واقعی:شکل 3 OCP الکترود (در مقایسه با نرخ لیتیاسیون) و منحنی های OCV باتری (در مقایسه با SOC باتری) را در LIB واقعی نشان می دهد. با افزایش SOC باتری (در طول شارژ)، x افزایش و y کاهش می‌یابد زیرا یون‌های لیتیوم از الکترود مثبت به الکترود منفی (برعکس در هنگام تخلیه) منتقل می‌شوند. بنابراین، منحنی OCPPE در شکل 3 در مقایسه با شکل 2 معکوس شده است. Cbat ظرفیت باتری است که به عنوان حداکثر مقدار SOC (زمانی که باتری به طور کامل شارژ یا دشارژ می شود) تعریف می شود، ybat، 100٪ است. نرخ لیتیاسیون پلی اتیلن در هنگام شارژ کامل باتری (زمانی که SOCmax=Cbat)، xbat، 0% نرخ لیتیاسیون است NE هنگامی که باتری کاملاً تخلیه می شود (زمانی که SOCmin=0 Ah) و حداقل (2.5 V) و حداکثر (3.6 V) حد ولتاژ باتری به ترتیب با حالت های کاملاً تخلیه و شارژ باتری مطابقت دارد.

برای LIB های واقعی، الکترودها را نمی توان به طور کامل مورد استفاده قرار داد. هنگامی که باتری به طور کامل شارژ می شود، نرخ لیتیاسیون ybat PE نزدیک به 100% است (یعنی 1-ybat، 100% نزدیک به 1، همانطور که در شکل 3 نشان داده شده است). هنگامی که باتری به طور کامل تخلیه می شود، نرخ لیتیاسیون xbat NE نیز نزدیک به 0٪ است. به طور کلی، ظرفیت طراحی CNE NE بیشتر از ظرفیت CPE PE است، بنابراین منحنی OCPNE (بر حسب Ah) در شکل 3 بزرگتر از OCPPE است. ظرفیت فوق العاده بزرگ NE از رسیدن نرخ لیتیشن x آن به 1 در LIB واقعی جلوگیری می کند و از کاهش OCP آن به 0 V Li+/Li جلوگیری می کند (شکل 3، x=1 را ببینید)، که مقدار بالقوه واکنش است. (به نام آبکاری لیتیوم) که LIB نمی خواهد رخ دهد. از شکل 3، رابطه بین SOC، x و y باتری را می توان ایجاد کرد که امکان محاسبه SOC باتری را با استفاده از معادلات (3) و (4) فراهم می کند. معادلات (5) و (6) x و y را بر اساس SOC و سایر پارامترها نشان می دهند. علاوه بر این، OCP الکترود را می توان با اختلاط معادلات (2) و (1) در بیان pOCV ادغام کرد.

3. روش تشخیص حالت الکترود

پارامترها و اندازه گیری:در بخش قبل، مشخص شد که پارامترهای تعیین کننده وضعیت الکترود (الکترود OCP، xbat، 0٪، ybat، 100٪، CNE و CPE) همه در شبه OCV باتری گنجانده شده است. برای تعیین این پارامترها، اندازه‌گیری‌های تخلیه یا شارژ باتری pOCV و منحنی‌های OCP الکترود مرجع را می‌توان برای شناسایی پارامترها از طریق برازش حداقل مربعات غیرخطی استفاده کرد.

داده های ورودی و تابع هدف:داده های ورودی شامل مطالعه رابطه بین مقادیر اندازه گیری شبه OCV و SOC باتری در طول شارژ و دشارژ، به منظور به دست آوردن میانگین مقدار اندازه گیری شبه OCV (pOCVavg.meas (SOC)) است. از شکل 4 (ب) می توان مشاهده کرد که اضافه ولتاژ منحنی تخلیه به سمت SOC پایین افزایش می یابد، در حالی که اضافه ولتاژ منحنی شارژ به سمت SOC بالا افزایش می یابد. بنابراین، ∆ η از SOC باتری کم و زیاد افزایش می‌یابد. فقط روی ناحیه ای تمرکز کنید که شامل سه پلت فرم است (شکل 4 (الف) را ببینید)، جایی که اطلاعات مفید قابل استخراج است، و Δ η سه برابر کوچکتر از ولتاژ تخلیه و شارژ است. علاوه بر این، می توان مشاهده کرد که یک تغییر پلت فرم قابل توجهی بین منحنی های pOCV و OCV وجود دارد. با مقایسه مقادیر میانگین pOCV و OCV، تغییر بسیار کاهش می‌یابد، که تأیید می‌کند که همانطور که انتظار می‌رود، سهم Δ η در pOCV متوسط ​​می‌تواند نادیده گرفته شود.

مراحل الگوریتم:شکل 5 مراحل مختلف الگوریتم را با استفاده از تابع بهینه سازی حداقل مربعات غیرخطی lsqnonlin نرم افزار متلب نشان می دهد. پارامترهای xbat، 0% و ybat، 100% بین 0 و 1 محدود شده و به صفر مقداردهی شده است. CNE و CPE به Cbat راه اندازی شده و به صورت زیر محدود می شوند: برای CNE، بین Cbat و 1.4Cnom. برای CPE، بین Cbat و 1.2Cnom است (Cnom ظرفیت باتری ارائه شده توسط سازنده است). در الگوریتم، OCP الکترود تخمین زده شده به عنوان تابعی از SOC باتری به شکل زیر نمایش داده می شود:

4. نتایج و بحث

راه اندازی آزمایشی:به منظور ارزیابی روش پیشنهادی، مطالعه بر روی LIB سیستم های A123 انجام شد. باتری دارای ظرفیت اسمی (Cnom) 2.3Ah و شکل استوانه ای (اندازه 18650) است که از یک الکترود گرافیت منفی و یک الکترود مثبت LFP تشکیل شده است. در این مطالعه، نتایج اولیه آزمایش‌های اندازه‌گیری pOCV انجام شده در شارژ C/25 (92mA) و دشارژ C/25 نشان داد که ظرفیت باتری Cbat تقریباً 93 درصد از Cnom است. این آزمایشات در دمای اتاق (25 درجه سانتیگراد) انجام شد و حداقل و حداکثر ولتاژ باتری به ترتیب به 2.5 ولت و 3.6 ولت محدود شد.

نمایش نتایج:شکل 6 نتایج به کارگیری این روش را در بررسی باتری ها نشان می دهد. در شکل 6 (الف)، میانگین منحنی OCP الکترود باتری مربوط به ناحیه بین دو خط عمودی ناپیوسته به رنگ مشکی است. میانگین تخمینی OCV (OCVest.avg) (منحنی سبز) نشان دهنده تفاوت بین منحنی های OCPavg، PE، و OCPavg، NE در منطقه است. از شکل 6 (ب)، می توان مشاهده کرد که در منحنی تخمینی OCVest.avg، شیب به سمت ولتاژ بالا بین دو سکوی آخر به دلیل صاف بودن منحنی میانگین OCPNE، هموار شده است (شکل 6 (الف) را ببینید). . به طور کلی، منحنی تخمینی OCVest.avg به میانگین مقدار اندازه‌گیری pOCV نزدیک‌تر است. ریشه میانگین مربعات خطا (RMSE) بین میانگین اندازه گیری pOCV و میانگین تخمینی OCV کمتر از 1mV (تقریباً 0.87mV) است که قابل قبول است.

نتایج پارامتر:نرخ لیتیاسیون بدست آمده xbat، {0}}% و ybat، 100% تقریباً برابر با 0.024 است (مقداری نزدیک به 0). مقادیر ظرفیت CPE و CNE به ترتیب 10% و 30% بزرگتر از مقدار Cbat هستند (یعنی الکترودهای مثبت و منفی در باتری به ترتیب حدود 10% و 30% استفاده نمی شوند). مقدار CNE تقریباً 24٪ بیشتر از CPE است. از منظر فیزیکی، می‌توان مشاهده کرد که ترتیب بزرگی این چهار پارامتر معنادار است. سپس، این مقادیر را می توان برای تعیین OCP الکترود به عنوان تابعی از SOC باتری برای شارژ و دشارژ، به ترتیب از منحنی مرجع OCP الکترود با استفاده از معادلات (8) و (9) استفاده کرد.

5. خلاصه

خلاصه روش:این مقاله روشی را برای استخراج پتانسیل تعادل، ظرفیت و نرخ لیتیاسیون الکترودهای LIBs واقعی پیشنهاد می‌کند. این روش از یک مدل شبه OCV استفاده می کند و این پارامترها را از طریق برازش حداقل مربعات غیرخطی تعیین می کند. این با مطالعه میانگین (بین شارژ و دشارژ) اندازه گیری شبه OCV LIBs و منحنی مرجع OCP الکترود به دست می آید.

چشم انداز برنامه:این روش برای LFP/graphite LIB تجاری استفاده شده است و نتایج به‌دست‌آمده از نظر دقت رضایت‌بخش است. با ردیابی تکامل پارامترهای تعیین شده در طول عمر باتری، به ویژه ظرفیت الکترود (CPE و CNE) و نرخ لیتیاسیون (ybat، 100% و xbat، 0%)، به راحتی می توان برای تشخیص LIB ها استفاده کرد.