Abstrakt
Um eine bessere Leistung von Lithium-Ionen-Batterien in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen zu gewährleisten, ist der Einsatz eines Batteriemanagementsystems (BMS) zur Überwachung ihres Status erforderlich. Zu diesem Zweck werden nicht-invasive Werkzeuge benötigt, um die Batterie auf der Elektrodenskala zu überwachen. In diesem Artikel wird eine Methode zum Extrahieren von Elektrodeninformationen (Gleichgewichtspotential, Kapazität und Lithiierungsrate als Funktionen des Batterieladezustands) aus dem Laden und Entladen der Batterie vorgeschlagen. Um diese Informationen zu ermitteln, wurde ein Pseudo-OCV-Modell verwendet, das die durch Batterieüberspannung verursachte Verzerrung reduzieren kann. Die Genauigkeit der erforderlichen Parameter bei der Pseudo-OCV-Durchschnittsmessung (zwischen Entladung und Ladung) von LFP/Graphit-Lithium-Ionen-Batterien beträgt etwa 1 mV. Diese Methode kann für jede Batteriechemie verwendet werden.
1. Einführung
Die Nachfrage nach LIBs-Überwachung:Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien in Anwendungen wie Elektrofahrzeugen erfordert ein Batteriemanagementsystem (BMS), um ihren Status zu überwachen und so Sicherheit, bessere Leistung und lange Lebensdauer zu gewährleisten.
Mängel und Verbesserungen der traditionellen Überwachung:Traditionell wurden LIBs als Ganzes überwacht, ohne Informationen über ihren internen Zustand. Tatsächlich bestehen Lithium-Ionen-Batterien aus mehreren internen Komponenten, darunter positive und negative Elektroden, Elektrolyt und Separator. Ziel dieses Artikels ist die Überwachung des Elektrodenstatus von LIBs zur besseren Kontrolle, wobei der Schwerpunkt auf der Bestimmung der Elektrodenkapazität und des Gleichgewichtspotentials als Funktionen des Batterieladezustands (SOC) liegt.
Dieser Artikel bietet einen Überblick über die Methode:Zur Bestimmung des Zustands von LIBS-Elektroden wird eine auf einem Pseudo-OCV-Modell basierende Methode vorgeschlagen. Das Merkmal dieser Methode besteht darin, den durchschnittlichen Messwert des Batterie-Pseudo-OCV und die durchschnittliche Referenzkurve des Elektrodengleichgewichtspotentials zu verwenden. Der Artikel beschreibt die Zusammensetzung des Pseudo-OCV von LIBs in Abschnitt 2 und stellt mathematische Gleichungen in Bezug auf Elektrodenzustandsparameter und Pseudo-OCV auf; In Abschnitt 3 wurde die Methode zur Bestimmung von Elektrodenparametern vorgestellt; Die Ergebnisse dieser Methode wurden in Abschnitt 4 ausgewertet.
2. LIB-Pseudo-OCV-Eigenschaften
2.1 Definition und Modellierung von Pseudo-OCV
Definition:Pseudo-OCV (pOCV) ist die Batteriespannung, wenn die Batterieüberspannung (η) mehrere zehn Millivolt beträgt (dh bei sehr niedrigen Strömen), und OCV stellt die Batteriegleichgewichtsspannung dar.
Einflussfaktoren:Der OCV variiert mit dem Ladezustand (SOC) und der Temperatur T der Batterie, einschließlich des Beitrags verschiedener interner Phänomene wie dem Ohmschen Effekt (Transport von Lithiumionen im Elektrolyten und Elektronen in den Elektroden, externen elektrischen Anschlüssen usw.). und dynamische Effekte (Übertragung und Diffusion von Lithiumladungen auf jeder Elektrode). η wird auch von der Temperatur, dem SOC und dem Batterieverlauf (Laden und Entladen der Batterie und ihrem Gesundheitszustand) beeinflusst, sodass pOCV auch mit diesen Parametern variiert. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf seine Abhängigkeit vom SOC, während andere Parameter als Konstanten betrachtet werden. Der SOC wird nach folgender Formel berechnet:
Berechnen Sie, dass SOCinit der anfängliche Ladezustand ist, I der gemessene Strom ist und t die Zeit darstellt.
2.2 Ausgeglichene Spannung
Beschreibung:Der OCV einer Batterie ist die Differenz zwischen den Gleichgewichtspotentialen (OCPs) der positiven und negativen Elektroden. Die Indizes PE und NE repräsentieren die positive bzw. negative Elektrode. x und y sind die Lithiierungsraten der Elektroden, definiert als das Verhältnis ihres Ladungszustands zu ihrer Kapazität. Die Elektrodenkapazität hängt von ihrem spezifischen Design und ihren elektrochemischen Eigenschaften ab. Der OCP einer Elektrode ist die im Gleichgewicht gemessene Elektrizitätsmenge relativ zu einer Referenzelektrode (normalerweise unter Verwendung einer metallischen Lithiumelektrode (Li+/Li) als Referenzelektrode), die nichtlinear mit der Lithiierungsrate variiert und durch die Verwendung der Elektrode beeinflusst wird Historie (Hysterese). Die OCP-Kurve kann ein oder mehrere Plateaus aufweisen, deren Anzahl von der chemischen Zusammensetzung der Elektrode abhängt.
Position im aktuellen LIB:Abbildung 3 zeigt die Elektroden-OCP-Kurven (im Vergleich zur Lithiierungsrate) und die Batterie-OCV-Kurven (im Vergleich zum Batterie-SOC) im tatsächlichen LIB. Wenn der Ladezustand der Batterie steigt (während des Ladevorgangs), nimmt x zu und y ab, da Lithiumionen von der positiven Elektrode zur negativen Elektrode (entgegengesetzt beim Entladen) übertragen werden. Daher ist die OCPPE-Kurve in Abbildung 3 im Vergleich zu Abbildung 2 umgekehrt. Cbat ist die Batteriekapazität, definiert als der maximale Wert des SOC (wenn die Batterie vollständig geladen oder entladen ist), ybat, 100 % die Lithiierungsrate von PE, wenn die Batterie vollständig geladen ist (wenn SOCmax=Cbat), xbat, 0 % ist die Lithiierungsrate von NE, wenn die Batterie vollständig entladen ist (wenn SOCmin=0 Ah) und die minimalen (2,5 V) und maximalen (3,6 V) Grenzwerte der Batteriespannung entsprechen dem vollständig entladenen bzw. geladenen Zustand der Batterie.
Bei tatsächlichen LIBs können die Elektroden nicht vollständig genutzt werden. Wenn der Akku vollständig geladen ist, liegt die Lithiierungsrate ybat von PE nahe bei 100 % (d. h. 1-ybat, 100 % nahe 1, wie in Abbildung 3 dargestellt). Bei vollständig entladener Batterie liegt die Lithiierungsrate xbat von NE ebenfalls nahe bei 0 %. Im Allgemeinen ist die Auslegungskapazität CNE von NE größer als die Kapazität CPE von PE, sodass die Kurve von OCPNE (in Ah) in Abbildung 3 größer ist als die von OCPPE. Die extrem große Kapazität von NE verhindert, dass seine Lithiierungsrate x im tatsächlichen LIB 1 erreicht, und verhindert so, dass sein OCP auf 0 V Li+/Li abfällt (siehe Abbildung 3, x=1), was dem potenziellen Wert der Reaktion entspricht (sogenanntes Lithium-Plating), das LIB nicht auftreten möchte. Aus Abbildung 3 kann die Beziehung zwischen Batterie-SOC, x und y ermittelt werden, was die Berechnung des Batterie-SOC mithilfe der Gleichungen (3) und (4) ermöglicht. Die Gleichungen (5) und (6) stellen x und y basierend auf dem SOC und anderen Parametern dar. Darüber hinaus kann Elektroden-OCP durch Mischen der Gleichungen (2) und (1) in den pOCV-Ausdruck integriert werden.
3. Methode zur Erkennung des Elektrodenzustands
Parameter und Messung:Im vorherigen Abschnitt wurde klargestellt, dass die Parameter, die den Elektrodenzustand definieren (OCP-Elektrode, xbat, 0 %, ybat, 100 %, CNE und CPE), alle im Pseudo-OCV der Batterie enthalten sind. Um diese Parameter zu bestimmen, können Entlade- oder Lademessungen der Batterie-pOCV- und Referenzelektroden-OCP-Kurven verwendet werden, um die Parameter durch nichtlineare Anpassung der kleinsten Quadrate zu identifizieren.
Eingabedaten und Zielfunktion:Die Eingabedaten umfassen die Untersuchung der Beziehung zwischen den Pseudo-OCV-Messwerten und dem SOC der Batterie während des Ladens und Entladens, um den durchschnittlichen Pseudo-OCV-Messwert (pOCVavg.meas (SOC)) zu erhalten. Aus Abbildung 4 (b) ist ersichtlich, dass die Überspannung der Entladekurve zu einem niedrigen SOC hin zunimmt, während die Überspannung der Ladekurve zu einem hohen SOC hin zunimmt. Daher steigt ∆ η sowohl bei niedrigem als auch bei hohem Batterie-SOC. Konzentrieren Sie sich nur auf den Bereich, der drei Plattformen umfasst (siehe Abbildung 4 (a)), wo nützliche Informationen extrahiert werden können und ∆ η dreimal kleiner ist als die Entlade- und Ladeüberspannung. Darüber hinaus lässt sich beobachten, dass zwischen den pOCV- und OCV-Kurven ein deutlicher Plattformshift stattfindet. Durch den Vergleich der Durchschnittswerte von pOCV und OCV wird die Verschiebung stark reduziert, was bestätigt, dass der Beitrag von ∆ η im durchschnittlichen pOCV erwartungsgemäß vernachlässigt werden kann.
Algorithmusschritte:Abbildung 5 zeigt die verschiedenen Schritte des Algorithmus unter Verwendung der nichtlinearen Optimierungsfunktion der kleinsten Quadrate lsqnonlin der Matlab-Software. Parameter xbat, 0% und ybat, 100% zwischen 0 und 1 eingeschränkt und auf Null initialisiert. CNE und CPE werden auf Cbat initialisiert und wie folgt eingeschränkt: für CNE zwischen Cbat und 1,4Cnom; Bei CPE liegt sie zwischen Cbat und 1,2Cnom (Cnom ist die vom Hersteller angegebene Batteriekapazität). Im Algorithmus wird der geschätzte Elektroden-OCP als Funktion des Batterie-SOC auf folgende Weise dargestellt:
4. Ergebnisse und Diskussion
Versuchsaufbau:Um die vorgeschlagene Methode zu bewerten, wurde die Studie am LIB von A123Systems durchgeführt. Die Batterie hat eine Nennkapazität (Cnom) von 2,3 Ah und ist zylinderförmig (Größe 18650), bestehend aus einer negativen Graphitelektrode und einer positiven LFP-Elektrode. In dieser Studie zeigten die ersten Ergebnisse von pOCV-Messtests, die bei Ladung C/25 (92 mA) und Entladung C/25 durchgeführt wurden, dass die Batteriekapazität Cbat etwa 93 % von Cnom betrug. Diese Tests wurden bei Raumtemperatur (25 °C) durchgeführt und die minimale und maximale Spannung der Batterie war auf 2,5 V bzw. 3,6 V begrenzt.
Ergebnisanzeige:Abbildung 6 zeigt die Ergebnisse der Anwendung dieser Methode bei der Untersuchung von Batterien. In Abbildung 6 (a) entspricht die durchschnittliche OCP-Kurve der Batterieelektrode der Fläche zwischen zwei unterbrochenen vertikalen Linien in Schwarz. Der geschätzte durchschnittliche OCV (OCVest.avg) (grüne Kurve) stellt die Differenz zwischen den OCPavg-, PE- und OCPavg-, NE-Kurven innerhalb der Region dar. Aus Abbildung 6 (b) ist ersichtlich, dass in der geschätzten OCVest.avg-Kurve die Steigung in Richtung Hochspannung zwischen den letzten beiden Plattformen aufgrund der Glätte der OCPNE, avg-Kurve geglättet wird (siehe Abbildung 6 (a)). . Insgesamt liegt die geschätzte OCVest.avg-Kurve näher am durchschnittlichen pOCV-Messwert. Der quadratische Mittelfehler (RMSE) zwischen der durchschnittlichen pOCV-Messung und dem geschätzten durchschnittlichen OCV beträgt weniger als 1 mV (ungefähr 0,87 mV), was akzeptabel ist.
Parameterergebnisse:Die erhaltenen Lithiierungsraten xbat, {{0}} % und ybat, 100 % liegen nahezu bei 0,024 (ein Wert nahe 0). Die Werte der Kapazität CPE und CNE sind 10 % bzw. 30 % größer als der Wert von Cbat (dh die positiven und negativen Elektroden in der Batterie werden zu etwa 10 % bzw. 30 % nicht genutzt). Der Wert von CNE ist etwa 24 % höher als der von CPE. Aus physikalischer Sicht können wir beobachten, dass die Größenordnung dieser vier Parameter sinnvoll ist. Anschließend können diese Werte verwendet werden, um den Elektroden-OCP als Funktion des Batterie-SOC beim Laden bzw. Entladen aus der Referenzkurve des Elektroden-OCP unter Verwendung der Gleichungen (8) und (9) zu bestimmen.
5. Zusammenfassung
Zusammenfassung der Methode:In diesem Artikel wird eine Methode zum Extrahieren des Gleichgewichtspotentials, der Kapazität und der Lithiierungsrate tatsächlicher LIBs-Elektroden vorgeschlagen. Die Methode verwendet ein Pseudo-OCV-Modell und bestimmt diese Parameter durch nichtlineare Anpassung der kleinsten Quadrate. Dies wird durch die Untersuchung der durchschnittlichen Messung (zwischen Ladung und Entladung) des Pseudo-OCV der LIBs und der Referenzkurve des Elektroden-OCP erreicht.
Bewerbungsaussichten:Diese Methode wurde auf kommerzielle LFP/Graphit-LIB angewendet und die erzielten Ergebnisse sind hinsichtlich der Genauigkeit zufriedenstellend. Es kann leicht zur Diagnose von LIBs verwendet werden, indem die Entwicklung der während der Batterielebensdauer ermittelten Parameter verfolgt wird, insbesondere der Elektrodenkapazität (CPE und CNE) und der Lithiierungsrate (ybat, 100 % und xbat, 0 %).