Ágrip
Viðnám er ein af lykilstærðum til að mæla frammistöðu litíumjónar (Li jón) rafhlöður, sem getur endurspeglað skilvirkni og aflgjafa getu rafhlöðunnar. Eins og aðrar afkastabreytur Li ion rafhlaðna, hefur viðnám áhrif á notkunarskilyrði og eykst með öldrun rafhlöðunnar. Til þess að ná þessum ósjálfstæði er hefðbundin nálgun sú að nota gerviuppsetningarskrár til að elda Li ion rafhlöður við mismunandi aðstæður og trufla öldrunarpróf reglulega til að mæla viðnám við staðlaðar aðstæður. Þó að þessi aðferð geti fengið nákvæmar upplýsingar um viðnámshegðun, geta þessi gögn oft ekki endurspeglað viðnámsbreytingarnar að fullu í hagnýtri notkun. Þess vegna leggur þessi grein til nýja aðferð sem getur beint út, líkanið og spáð fyrir um viðnám úr kraftmikilli verkstillingarskrá rafhlöðunnar. Í þessu ferli byggir útdráttur viðnáms aðallega á meðferð og skráningu gagna, en líkan og spá nota lógaritmísk línuleg líkön. Þessi aðferð getur nákvæmari líkt eftir og spáð fyrir um viðnámsbreytingar rafhlaðna við raunverulegar notkunaraðstæður, sem gefur nýtt sjónarhorn fyrir mat á frammistöðu rafhlöðunnar og spá um líftíma.
1. Inngangur
1.1 Mikilvægi og eiginleikar innri viðnáms í litíumjónarafhlöðum
Lykilbreytur afkasta og forrits:Innri viðnám, eins og afkastageta, er mikilvæg breytu til að lýsa frammistöðu og líftíma hegðun litíumjónarafhlöðu. Í forritum eins og endurnýjanlegri orkugeymslu og rafknúnum ökutækjum er innra viðnám notað til að ákvarða aflgetu rafgeyma og er mikilvægt til að hámarka hönnun rafhlöðukerfa til að uppfylla tæknilegar og efnahagslegar kröfur. Á sama tíma er innri viðnám einnig lykilbreyta fyrir raf- og varmalíkön rafhlöðu, sem lýsir kraftmiklu og hitunarhegðun rafhlöðunnar, í sömu röð.
Ólínulegir og áhrifaþættir:Innra viðnám litíumjónarafhlöðu er mjög ólínulegt og hefur áhrif á hitastig, hleðslustraum og hleðsluástand rafhlöðunnar (SOC). Þar að auki, við langtímaaðgerð, eldist innri viðnám með auknum tíma.
Hefðbundnar mælingaraðferðir og takmarkanir þeirra:Það eru ýmsar aðferðir til að ákvarða innra viðnám litíumjónarafhlöðu, þar á meðal núverandi púlstækni er almennt notuð. Með því að beita ákveðinni amplitude og lengd hleðslu- og afhleðslustraums á rafhlöðuna er spennuviðbrögð rafhlöðunnar skráð og síðan er innra viðnámið reiknað út með lögmáli Ohms. Þessa aðferð er hægt að nota með góðum árangri við rannsóknarstofuaðstæður til að ákvarða innra viðnám rafhlöðu við mismunandi aðstæður og fylgjast með breytingum á innri viðnámi meðan á öldrun stendur. Hins vegar er helsti galli þess að rafhlaðan þarf að vera í aðgerðalausri stillingu í að minnsta kosti 15 mínútur fyrir mælingu til að ná varmaaflfræðilegum stöðugleika, sem er takmarkaður í hagnýtum notkunum vegna tæknilegra og efnahagslegra niður í miðbæ litíumjóna geymslukerfa.
1.2 Rannsóknarmarkmið og aðferðir
Rannsóknarmarkmið:Til að greina hagkvæmni þess að rekja beint niðurbrot innra viðnáms litíumjónarafhlöðu frá raunverulegu verkefnasniði, sem er notað til að elda rafhlöðuna í 38 vikur.
Útdráttaraðferð með innri viðnám:Byggt á hugmyndinni á bak við SRD reikniritið er innri viðnám dregin út með því að fylgjast vandlega með byrjun og lengd straumpúlsa. Að því gefnu að logaritmi útdregnu viðnámsins fylgi eðlilegri dreifingu og meðaltal þess sé ólínulegt fall rafhlöðunnar SOC, eru breytur innra viðnámslíkans metnar vikulega til að fylgjast með breytingum á viðnámi með tímanum.
Spáaðferð fyrir rafhlöðualdur:Með því að nota áætlaðar breytur og gera ráð fyrir fyrri líkum á SOC og lotunúmeri, samkvæmt Bayesian reglum og lögmáli heildarlíkinda, er nákvæm dreifing rafhlöðualdurs reiknuð út með því að mæla nýja innra viðnámsgildið og samsvarandi SOC. Að lokum ber að bera saman niðurstöður fyrirhugaðrar aðferðar við niðurstöður mælinga á mótstöðu með hefðbundnum aðferðum eftir vikulega öldrun.
2. Ítarlegar upplýsingar um tilraunarafhlöður, öldrunarskilyrði og innri viðnámsmælingu
2.1 Prófun rafhlöðuforskrifta
Þessi tilraun notar sívala litíumjónarafhlöðu með nafngetu 2,5Ah og nafnspennu 3,3V. Rafhlaðan er hönnuð á grundvelli grafítskauta og litíumjárnfosfats (LFP) bakskauts, sérstaklega hönnuð fyrir háa orkunotkun, og þolir stöðuga hleðslu og afhleðslu allt að fjórfaldan nafnstraum.
2.2 Stilling öldrunarástands
Núverandi snið og öldrunarferill: Notaðu núverandi snið öldrunarrafhlöðu sem sýnt er á mynd 1, með tímalengd í eina viku. Sérstaða þess felst í því að í yfir 95% tilvika er straumur 4C (þ.e. 10A) notaður við hleðslu og afhleðslu. Við öldrunarhitastig upp á 25 gráður C var þessu öldrunarsniði notað til að prófa rafhlöðuna í allt að 38 vikur. Eftir að þetta núverandi snið hefur verið beitt er SOC snið rafhlöðunnar sýnt á mynd 2, með SOC á bilinu 10% til 90%.
2.3 Mælingarferli innra viðnáms og niðurstöður
Mæliaðferð og færibreytur:Eftir vikulegar öldrunarprófanir er innra viðnám rafhlöðunnar mæld með núverandi púlstækni. Mælingar voru gerðar við 20%, 50% og 80% SOC, með straumpúlsum á hraðanum 4C (10A) í 18 sekúndur. Fyrir mælingu þarf rafhlaðan að vera í aðgerðalausri stillingu í 15 mínútur til að ná varmafræðilegum stöðugleika.
Greining mæliniðurstöðu:Eftir 38 vikna hringlaga öldrun jókst innra viðnám rafhlöðunnar um 8,7% en rafhlaðan minnkaði um meira en 15% miðað við upphafsmælingargildi. Þetta gefur til kynna að á öldrunarferlinu, þó að rafgeymirinn minnki verulega, er aukningin á innri viðnámi tiltölulega lítil, sem endurspeglar afköst rafhlöðunnar við þetta öldrunarástand. Þetta veitir gagnagrunn fyrir frekari rannsóknir á tengslum milli innri viðnáms rafhlöðunnar og SOC, og stofnunar innri viðnámslíkana.
3. Aðferð og tengdir eiginleikar til að draga innra viðnám rafhlöðunnar úr kraftmiklum sniðum
3.1 Meginregla um innri viðnámsútdrátt byggt á kraftmiklu sniði
Til að draga innra viðnám rafhlöðunnar úr kraftmiklu sniðinu sem sýnt er á mynd 1 er nauðsynlegt að rekja strauminn I og spennuna V_s áður en straumpúlsinn hefst. Ef straumur, spenna og V_s á ákveðnu augnabliki t eru þekktir, þá samkvæmt lögmáli Ohms:
Reiknaðu viðnámið á því augnabliki. Lykillinn er að ákvarða hvenær og hvernig á að uppfæra V_s. Byggt á breytingu á straumi frá tíma t til (t+1), má skipta henni í eftirfarandi þrjár aðstæður:
3.2. Uppfærsluaðferð V_s undir mismunandi núverandi breytingum
Núverandi breytingar úr 0 í ekki núll (sviðsmynd 1):V{{0}}s er uppfært í síðasta spennugildi þegar straumurinn var síðast 0 (þ.e. (V_t)). Þessi aðferð byggir á slökunartíma á milli straumpúlsa til að láta rafhlöðuspennuna ná (eða nálgast) opnu rafrásarspennuna (OCV). Því lengri slökunartími, því nákvæmara er mat á viðnám rafhlöðunnar.
Núverandi breytist úr einu gildi sem er ekki núll í annað gildi sem ekki er núll (sviðsmynd 2):Staðan er flókin. Ef síðasti aðgerðalaus tími rafhlöðunnar er stuttur er hægt að nota núverandi geymd (V_s) til að ákvarða viðnámið, en því lengri aðgerðalaus tíminn, því minna nákvæmt verður gildið. Til að fá nákvæmara líkan hunsar þessi grein útdregnar viðnám í slíkum tilvikum. Það eru tvær mögulegar lausnir á þessu vandamáli:
Eitt er að íhuga breytingu á straumi frá núverandi gildi, þannig að hægt sé að breyta ástandi 2 í ástand 1 (þ.e. ef ég2- I2 {t-1}<€) and (I2 {t+1} - I2- t>€), þá láttu (V_s=V_t);
Í öðru lagi, ef SOC rafhlöðunnar er þekkt og það er tengslalíkan á milli OCV og SOC, er hægt að nota þetta samband til að uppfæra V_s til að bæta nákvæmni innra viðnámsmats.
Núverandi helst óbreytt (sviðsmynd 3):Ef|I2- I2 {t+1} |<=&, V_s does not need to be updated. Simply calculate the resistance at time t+1 using the formula and proceed to the next iteration.
3.3 Áhrif slökunartíma á útdráttaraðferð
The internal resistance is affected by the length of the current pulse, and it takes time for the battery to reach thermodynamic stability after the current interruption. Tracking the previous pulse length L and relaxation period length T is beneficial. By comparing the resistance identification results under two conditions: requiring a relaxation period at least as long as the previous current pulse (T>=L) and requiring only 1 second relaxation period (T>1), áhrif slökunartímabilsins á frammistöðu útdráttaraðferðarinnar eru rannsökuð. Innri viðnámsgildin sem tekin eru út í tveimur sviðsmyndum eru táknuð sem R_i og bar, í sömu röð {R}_i .
3.4 Einkenni mats á innri viðnám
Vegna notkunar á 18 sekúndna púlslengd til að mæla innra viðnám eftir öldrun í hverri viku, er innra viðnámið sem er dregið út með fyrirhugaðri aðferð skilgreint sem viðnámsgildið R_i=R{{3} } {i, 18s} eftir 18 sekúndur. Straumurinn í hinu virka öldrunarsniði sem talið er (Mynd 1) er að mestu breytilegt við sama C-hraða amplitude, þannig að innra viðnám rafhlöðunnar er aðeins áætlað á núverandi bilinu 9,5A-10.5A, sem hjálpar til við að (1) einangra háð innri viðnáms á straumi og (2) sannreyna fyrirhugaða aðferð án hlutdrægni.
4. Tengsl milli innri viðnáms rafhlöðunnar og SOC, og greining á aldursspá rafhlöðunnar
4.1 Tengsl og fyrirmynd milli innri mótstöðu og SOC
Breytingarlögmál innri viðnáms með SOC:Eftir að hafa orðið fyrir áhrifum af einangrunarhitastigi, straumi (C-hraða) og púlslengd breytist innra viðnám rafhlöðunnar aðeins með SOC og eykst með öldrun rafhlöðunnar. Í ljósi þess að innra viðnám rafhlöðunnar eykst þegar SOC nálgast 0 og 1, notaðu:
Lýstu tengslum þess við SOC og taktu logaritma hans til að sýna línuleika í færibreyturýminu, sem auðveldar mat á færibreytum. Miðað er við rafhlöðuviðnám í tiltekna viku \ (w \)
Fylgdu normaldreifingu með meðaltali {{0}} og dreifni o-2, og dreifingin er ekki breytileg eftir viku. Áætlaðu færibreyturnar með því að nota hámarkslíkindaaðferð, að því gefnu að beta_ {1, w} og beta_ {2, w} séu bæði minni en eða jöfn 0.
Sannprófunarlíkan fyrir tilraunagögn:Byggt á öldrunarsniðinu og aðferðinni sem nefnd er hér að ofan, voru innri viðnámsgildin sem dregin voru út (sjá mynd 7 og mynd 8, svartir punktar) settar með ofangreindu líkaninu. Bláa línan táknar væntanlega lógaritmíska viðnámsvísitölu, skyggða svæðið er 95% öryggisbilið, og rauðu punktarnir og strikalínurnar tákna mæligildi vikulegrar skoðunar og samsvarandi mánaðarlega innréttuð líkangildi, í sömu röð. Með því að bera saman niðurstöðurnar undir tveimur kröfum um slökunartímabil, dregur strangur slökunartími úr fjölda innri viðnámsgilda, en dregur verulega úr breytingunni. Reiknið út algera prósentuvilluna (APE) til að sannreyna nákvæmni aðferðarinnar. Í flestum tilfellum er miðgildi APE á mynd 9 minna en 4,5%, sem gefur til kynna að fyrirhuguð innri viðnám auðkenningaraðferð geti komið í stað hefðbundinna aðferða (sem krefjast þess að rafhlaðan sé aðgerðalaus í 15 mínútur). Mynd 11 sýnir að með tímanum, þegar beta færibreytan minnkar, minnkar staðalfrávik líkansins fyrst og eykst síðan. Minnkun beta_ {1, w} og beta{{10}} {2, w} veldur því að innri viðnám eykst hraðar þegar SOC nálgast 1. Beta færibreytan stjórnar sameiginlega lágmarks væntanleg innri viðnám þegar SOC er 0,5, sem helst tiltölulega stöðugt meðan á öldrun stendur.
4.2. Spá og greining á rafhlöðuöld
Líkanbundin spáregla:Byggt á tengslalíkani milli innri viðnáms og SOC sem nefnt er hér að ofan, með því að þekkja SOC gildi og rafhlöðualdur (vikur) getur nákvæmlega spáð fyrir um innra viðnám rafhlöðunnar. Annars er nauðsynlegt að ákveða
Notaðu líkindadreifingu til að áætla aldur rafhlöðunnar. Til þess er nauðsynlegt að gera ráð fyrir líkindadreifingu SOC, lotunúmeri og innri viðnám SOC, Sameiginleg dreifing vikna. Að því gefnu að SOC og lotunúmer séu áður óháð, fylgir rafhlaða SOC samfelldri samræmdri dreifingu á einingarbili og lotunúmer fylgir stakri samræmdri dreifingu á mengi mögulegra lota. Samkvæmt reglu Bayes og lögmáli heildarlíkinda, reiknaðu dreifingu aftan:
Dragðu saman aftari dreifingu rafhlöðulota eftir vegnu miðgildi og háum bakþéttleikasvæði (HPD), þar sem 95% HPD-svæðið táknar lágmarkssvæðissamsetningu með samsetningarlíkum (flatarmál undir ferlinum) upp á 95%.
Greining á spániðurstöðum undir mismunandi innri viðnám og SOC:Þegar innra viðnám er 15m Ω er aftari líkindadreifingin við 20% og 80% SOC nánast sú sama, með vegið miðgildi svið upp á 17.4-24.7 vikur. 95% HPD svæðið nær yfir allt öldrunartímabilið (1-38 vikur), sem gerir það að verkum að erfitt er að greina aldur rafhlöðunnar. Þetta er í samræmi við þá staðreynd að innra viðnám rafhlöðunnar eykst aðeins um 8,7% eftir 38 vikna öldrun og vegna þess að beta_ {2, w} minnkar hraðar en beta_ {1, w }, það er munur á aftari dreifingu við 20% og 80% SOC (sjá mynd 12-14). Þegar innra viðnámið eykst í 20m Ω eru 95% líkur á að rafhlaðan verði meiri en 22,8 vikur og 27,5 vikur við 20% og 80% SOC, í sömu röð. Við 50% SOC er aftari dreifingin meiri líkur á 1-10 vikum og 23-38 vikum. Þetta er vegna lækkunar á mæligildum innri viðnáms nálægt 50% SOC á fyrstu stigum öldrunar og mismunandi hröðunarhraða innri viðnáms eykst við mismunandi SOC (sjá mynd 15-17).
5. Samantekt
Innri viðnám auðkenningar og líkanagerðaraðferð:Þessi rannsókn leggur til aðferð til að greina beint innra viðnám rafhlöðunnar frá kraftmiklum öldrunarsniðum og móta niðurbrotshegðun hennar. Með því að fylgjast vandlega með breytingum á núverandi sniði og nota lögmál Ohms til að reikna út viðnám á hverju augnabliki, er innra viðnám skilgreint sem viðnám eftir 18 sekúndur samfellda hleðslu og takmarkast við það skilyrði að slökunartíminn sé a.m.k. langur eins og fyrri núverandi púls. Útdregin innri viðnám fyrir tiltekna viku er líkönuð sem logaritmískt línulegt fall SOC, sem er mjög í samræmi við innra viðnám mæld með hefðbundnum aðferðum.
Stöðugleikagreining á innri viðnám:Greiningin sýnir að samanborið við hærra hlutfall innri mótstöðuaukningar við 20% og 80% SOC, er innra mótspyrna sem er dregin út nálægt 50% SOC nokkuð stöðug innan nokkurra vikna, sem er algjörlega í samræmi við niðurstöður sem fást með hefðbundnum aðferðum.
Ramminn til að reikna út aftari líkindadreifingu rafhlöðualdurs:Hægt er að samþætta fyrirhugaða aðferð inn í rammann til að reikna út aftari líkindadreifingu rafhlöðualdurs. Byggt á mældu innra viðnámsgildi og SOC er hægt að ákvarða líkindadreifingu þess að rafhlaðan sé \(w\) vikna gömul, sem hjálpar til við að meta frekar eftirstandandi endingartíma (RUL) rafhlöðunnar, en þessi hluti verður eftir til framtíðarrannsókna.
Auk RUL-mats er önnur einföld framlenging á þessum rannsóknarramma að læra SOC hegðun og tengsl hennar við rafhlöðunotkun, sem ekki var fjallað um í þessari grein og hægt er að kanna það frekar í framtíðinni til að öðlast víðtækari skilning á rafhlöðuafköstum og hámarka rafhlöðustjórnun.