Für kommerzielle Lithium-Ionen-Batterien: Analyse des MCC-Schnellladealgorithmus, optimiert für die Messung mit drei Elektroden

Abstrakt

In diesem Artikel wird eine neue Methode vorgeschlagen, die einen hochpräzisen ladezustandsabhängigen mehrstufigen Konstantstrom-Ladealgorithmus (MCC) für Batterien von Elektrofahrzeugen bereitstellt. Dieser Algorithmus verkürzt die Ladezeit erheblich, indem er die Lithiumbeschichtung vermeidet, ohne den Alterungsprozess zu beschleunigen. Zunächst wurde mit Hilfe der Drei-Elektroden-Messtechnik der Zusammenhang zwischen Stromrate, Ladezustand und Lithiumbeschichtung experimentell analysiert und ein Ladealgorithmus basierend auf der SOC-Abhängigkeit (State of Charge) vorgeschlagen. Zweitens wurde in der MATLAB/Simulink-Umgebung ein SOC-Schätzalgorithmus basierend auf einem erweiterten Kalman-Filter entwickelt, um eine hochpräzise SOC-Schätzung und eine präzise Steuerung des Ladevorgangs zu erreichen. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass der mittlere quadratische Fehler (RMSE) der SOC-Schätzung 1,08 % beträgt und die Ladezeit im Bereich von 0 % bis 80 % SOC um 30 % reduziert wird.

1. Einführung

Die Einflussfaktoren der Ladezeit und die Einschränkungen bestehender Ladeprotokolle:Die weltweite öffentliche Lademenge und der Schnellladeanteil sind im letzten Jahrzehnt gestiegen, aber die Ladezeit hängt nicht nur von der Ladegerätkapazität ab, sondern auch von Batterieeigenschaften, Umgebungsbedingungen und Ladeprotokollen. Das Standardladeprotokoll für LIB ist Konstantstrom-Konstantspannung (CC-CV), das zwei Stufen umfasst: Konstantstrom (CC) und Konstantspannung (CV). Die lange CV-Stufe begrenzt die Verkürzung der Gesamtladezeit und ein hoher Ladestrom kann zu einer Lithiumplattierung führen, was die Lebensdauer und Sicherheit der Batterie beeinträchtigt. Daher kann der Einfluss des Ladeprotokolls auf die Batterielebensdauer nicht ignoriert werden.

Forschungshintergrund und Vorteile des mehrstufigen Konstantstrom-Ladeprotokolls:Um das Gleichgewicht zwischen Ladezeit, Effizienz und Batterielebensdauer zu optimieren, wurden mehrere Ladeprotokolle vorgeschlagen, darunter das mehrstufige Konstantstromladeprotokoll (MCC), das umfassend untersucht wurde. Das MCC-Protokoll kann die Ladezeit verkürzen und die Batterielebensdauer verlängern, und sein Stufenübergang kann auf dem SOC-Intervall oder der Spannungsobergrenze basieren. Die größte Herausforderung besteht darin, die optimale Anzahl von CC-Stufen, Stromraten und Umwandlungsbedingungen für das MCC-Laden zu bestimmen. Dies kann mithilfe von Taguchi-Methoden, Optimierungsalgorithmen oder durch die Erkennung von Li-Plattierung gelöst werden, um den optimalen Ladestrommodus zu bestimmen.

Die Innovation und Artikelstruktur dieser Studie

Innovationspunkt:Diese Studie integriert den SOC-Schwellenwert, der aus Drei-Elektroden-Batterieexperimenten ermittelt wurde, mit einem hochpräzisen SOC-Schätzer für den MCC-Ladealgorithmus und entwickelt einen skalierbaren Ladestromleitfaden für handelsübliche Standardbatterien, wodurch die Notwendigkeit einer physischen dritten Elektrode in Anwendungen und die Notwendigkeit umfangreicher Anwendungen entfallen Batterietests während der Entwicklungsphase des Ladeprotokolls mit dem Ziel, die Ladezeit zu verkürzen und eine beschleunigte Alterung der Batterie durch schnelles Laden zu verhindern.

Aufbau dieses Artikels:Zunächst wird der optimale Lademodus mithilfe der Drei-Elektroden-Methode entworfen und eine experimentelle Drei-Elektroden-Batterie aus einer kommerziellen 21700-NMC-Batterie rekonstruiert. Zweitens: Entwicklung eines SOC-Schätzers auf Basis eines erweiterten Kalman-Filters (EKF), der für Batteriemanagementsysteme (BMS) geeignet ist; Führen Sie dann Batterietests durch, um die Leistung der Methode zu überprüfen, führen Sie Alterungstests durch und vergleichen Sie das MCC-Protokoll mit dem standardmäßigen CC-CV-Laden. Geben Sie abschließend ein Fazit.

2. Materialien und Methoden

Elektrochemische Charakteristikanalyse:Führen Sie eine Drei-Elektroden-Messanalyse an der Elektrode der kommerziellen zylindrischen Batterie 21700 NMC durch. Entladen Sie die Batterie zunächst nach 5 Standardzyklen gemäß den Herstellerangaben auf die untere Grenzspannung. Öffnen Sie die Batterie in einer Argon-Handschuhbox, entfernen und bearbeiten Sie die Elektroden und bereiten Sie eine Batterie mit drei Elektroden vor. Aufgrund der Eigenschaften von LIB-Elektrodenmaterialien sind zusätzliche Referenzelektroden erforderlich, um die Prozesse der Arbeitselektrode und der Gegenelektrode getrennt zu beobachten. Die elektrochemischen Eigenschaften der experimentellen Drei-Elektroden-Batterie ähneln denen kommerzieller Batterien. Durch die Bestimmung der Elektrodenbeschichtungsfläche und der spezifischen Kapazität, die Durchführung von Tests bei verschiedenen Lade- und Entladeraten, die Beobachtung der Anoden- und Kathodenpotentiale, die Bestimmung des kritischen SOC der Lithiumplattierung bei verschiedenen C-Raten und die Normalisierung des MCC-Protokolls, um es kommerziell anwendbar zu machen Batterien wurde das Experiment bei 25 Grad C durchgeführt und muss in Zukunft unter verschiedenen Umgebungsbedingungen validiert werden.

Batteriemodellierung und Parameteridentifikation:Unter Verwendung eines Thevenin-Ersatzschaltkreismodells (ECM) mit einem einzelnen RC-Zweig zur Simulation der elektrischen Eigenschaften von LIB werden die Modellparameter (einschließlich Leerlaufspannung, ohmscher Widerstand, Polarisationswiderstand und Kapazität) in Schritten von 10 % SOC genau bestimmt unterschiedliche Temperaturen und Ladungs-Entladerichtungen durch HPPC-Tests (Hybrid Pulse Power Characteristic). Die Parameterwerte werden in einer 3D-Nachschlagetabelle zusammengestellt, um die Grundlage für die SOC-Schätzung zu legen.

Schätzung des Ladezustands:Die SOC-Variation von LIB kann als Funktion der Zeit ausgedrückt werden, und die darauf basierende Coulomb-Zählung ist die grundlegende Schätzmethode, es gibt jedoch Fehler. Daher wird zur SOC-Schätzung ein erweiterter Kalman-Filter (EKF) verwendet. EKF löst effektiv die Herausforderungen bei der SOC-Schätzung, indem es nichtlineare Systeme linearisiert und Strom-, Spannungs- und Temperaturmesssignale kombiniert. Sein Algorithmus umfasst zwei Hauptschritte: Vorhersage und Aktualisierung. Basierend auf den ECM- und SOC-Definitionen von Thevenin werden Prozess- und Messgleichungen im zeitdiskreten Bereich angegeben. EKF geht davon aus, dass Prozessrauschen und Messrauschen unabhängige Gaußsche Rauschprozesse mit dem Mittelwert Null sind, und linearisiert die Messfunktion durch die Jacobi-Matrix.

Alterungsanalyse:Führen Sie zyklische Tests an drei Batterien unter Verwendung von Standardladeverfahren und an zwei Batterien unter Verwendung des MCC-Ladealgorithmus durch, mit Kapazitätstests und Tests des Gleichstrom-Innenwiderstands (RiDC) alle 50 Zyklen. Der Kapazitätstest übernimmt das Standard-CCCV-Ladeprogramm zum Laden und Entladen mit 1C Strom bis zur unteren Grenzspannung. Der RiDC-Test wendet 1C-Stromimpulse bei unterschiedlichen SOC-Werten an und misst den Innenwiderstand. Der Alterungsgrad der Batterie wird durch die Berechnung des Gesundheitszustands (SOH) der Batterie beschrieben, der als Verhältnis der tatsächlichen Kapazität zur anfänglichen Referenzkapazität definiert ist. Der Alterungstest wird bis zum Ende der Batterielebensdauer (80 % SOH) durchgeführt.

3. Ergebnisse

Ergebnisse der elektrochemischen Charakteristikanalyse

Änderungen des Elektrodenpotentials bei unterschiedlichen C-Raten: 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 nimmt allmählich ab. Design des MCC-Ladeprotokolls: Basierend auf den oben genannten Ergebnissen wurde eine mehrstufige Konstantstrom-Ladekurve (MCC) entworfen. Abbildung 5 zeigt die SOC-abhängigen Ladestufen und Tabelle 3 fasst die Details jeder Stufe zusammen. Im Vergleich zum Standard-CCCV-Ladeprotokoll hat das MCC-Protokoll einen Zeitvorteil im niedrigen SOC-Bereich, das Laden auf 80 % SOC ist etwa 30 % schneller als das Standardladen, und das MCC-Laden ist bei voller Ladung ebenfalls etwa 10 % schneller.

Ergebnisse der Parameteridentifizierung und Batteriemodellierung

Bestimmung der Modellparameter:Analysieren Sie die HPPC-Testergebnisse in Matlab und verwenden Sie die Funktion „fminsearch()“, um die Leerlaufspannungs-, Widerstands- und Kapazitätsparameter des Batteriemodells bei verschiedenen Temperaturen und SOC-Werten zu bestimmen. Analysieren Sie den Einfluss der Temperatur auf die Batteriekapazität, integrieren Sie die Kapazitätstestergebnisse in eine temperaturbezogene 2D-Nachschlagetabelle und stellen Sie fest, dass der SOC nur begrenzten Einfluss auf die Modellparameter hat. Betrachten Sie es zur Vereinfachung als Konstante in der Formel.

Modellvalidierung:Das Batteriemodell und der SOC-Schätzer werden validiert, indem die Testbatterie vollständig entladen wird, gefolgt von dynamischen Stromtests bei verschiedenen Laderaten und SOC-Werten. Simulieren Sie dieselbe Testsequenz in der MATLAB/Simulink-Umgebung und vergleichen Sie sie mit experimentellen Daten mithilfe der RMSE-Bewertung (Root Mean Square Error). Der RMSE der Spannungssimulation beträgt 7,09 mV. Obwohl bei vollständig entladener Batterie ein erheblicher Fehler auftritt, ist die Modellleistung robust und kann die Batteriespannungsdynamik unter verschiedenen Lastbedingungen genau erfassen.

Ergebnisse des SOC-Schätzers basierend auf EKF:Überprüfen Sie den SOC-Schätzer basierend auf EKF bei 25 °C und vergleichen Sie den vom EKF-Algorithmus geschätzten SOC-Wert mit dem Referenz-SOC-Wert, der durch die Coulomb-Zählmethode erhalten wurde. Der Prüfstrom hat eine Auflösung von 1 mA und eine Genauigkeit von 0,1 %. In der Anfangsphase gab es eine Abweichung zwischen dem von EKF geschätzten SOC und dem Referenz-SOC. Da die Tests schnell voranschritten, lag der RMSE bei 1,08 %. Der Algorithmus war in der Lage, den Ladezustand insbesondere während der Ladephase genau zu verfolgen und den Ladestrom präzise zu steuern.

Alterungsleistungsergebnisse des MCC-Ladealgorithmus

Ergebnisse des Alterungstests:Abbildung 10 zeigt die Ergebnisse des Alterungstests. Es wurden drei Standard-Ladebatterien und zwei MCC-Ladebatterien getestet, und die Abweichung zwischen den einzelnen Batteriegruppen kann vernachlässigt werden. In der frühen Phase des Alterungstests (bis zu 90 % SOH) ist die Alterungsrate beim MCC-Laden etwas langsamer. Wenn man den Mittelwert berücksichtigt, erreichen MCC-geladene Batterien am Ende ihrer Lebensdauer etwa 50 Zyklen früher einen SOH von 80 % als standardmäßig geladene Batterien, aber der Gesamteffekt auf die Alterungsrate ist nicht signifikant. Der von MCC geladene Akku zeigte aufgrund einer Testunterbrechung nach 850 Zyklen einen leichten Rückgang des SOH.

Ergebnis der Innenwiderstandsänderung:Die Abbildung zeigt die Änderungen des gesamten Innenwiderstands (R₀+R₁) der Batterie unter zwei Ladeprotokollen bei 25 °C und 50 % Ladezustand. Der Unterschied im Anfangswiderstand und SOH-Wert ist auf unterschiedliche Batterielagerzeiten zurückzuführen. Der Innenwiderstand von Batterien nahm bei beiden Lademethoden in den frühen Stadien der Alterung leicht ab und stieg dann mit der Alterung an. Der MCC-Ladealgorithmus verursachte keine zusätzliche Lithiumbeschichtung, was mit den Ergebnissen des Kapazitätstests übereinstimmt und darauf hindeutet, dass der MCC-Algorithmus die Integrität der Batteriealterungseigenschaften aufrechterhält.

4. Diskussion und Zusammenfassung

Forschungsbeitrag zur Batterie-MCC-Ladetechnologie:Durch die Integration hochpräziser SOC-Schätzer und deren Anwendung auf kommerzielle zylindrische Batterien (NMC-Batteriechemie) wird ein Beitrag zur Batterie-MCC-Ladetechnologie geleistet. Die erfolgreiche Integration hat die Übertragung präziser SOC-Schwellenwerte aus Drei-Elektroden-Batterieexperimenten auf die Ebene kommerzieller Batterien erleichtert, wodurch praktische Anwendungen verbessert und die Lücke zwischen experimentellen Erkenntnissen und industrieller Umsetzung geschlossen wurden.

Alterungsoptimierter MCC-Ladealgorithmus:Es wird ein alterungsoptimierter, SOC-abhängiger MCC-Ladealgorithmus eingeführt, der die Ladezeit verkürzt, ohne die Batterieverschlechterung zu beschleunigen, indem er das Lithium-Plating-Risiko verringert. Die Bedeutung der Kombination elektrochemischer Analyse-, Modellierungs- und Schätztechniken zur Bewältigung zentraler Herausforderungen beim Batterieladen wurde hervorgehoben, und der Ladezustand (SOC) wurde als Übertragungsparameter verwendet, um sicherzustellen, dass Laborergebnisse auf industrielle Anwendungen übertragen werden können.

Die Vorteile von Lademodus und Protokoll:Der optimale Lademodus kann durch experimentelle Drei-Elektroden-Batterien bestimmt werden, und das Anodenpotential kann überwacht werden, um eine Lithiumplattierung zu erkennen. Das vorgeschlagene MCC-Ladeprotokoll ist in Kombination mit dem aus Experimenten ermittelten SOC-Schwellenwert stabiler im Vergleich zu herkömmlichen spannungsbasierten MCC-Protokollen und wird weniger von Faktoren wie Temperaturänderungen und elektrochemischer Hysterese beeinflusst.

Die Rolle und experimentelle Ergebnisse des SOC-Schätzers:Es wurde ein SOC-Schätzer basierend auf dem Extended Kalman Filter (EKF) mit einem RMSE von 1,08 % entwickelt, der für Batteriemanagementsysteme (BMS) geeignet ist. Die experimentellen Ergebnisse zeigen, dass diese Methode im Vergleich zur herkömmlichen Lademethode mit konstantem Strom und konstanter Spannung (CC-CV) die Zeit bis zum Erreichen von 80 % SOC um 30 % verkürzen kann, ohne den Alterungsprozess zu beschleunigen.