Ágrip
Til að tryggja betri frammistöðu litíumjónarafhlöðu í forritum eins og rafknúnum ökutækjum er nauðsynlegt að nota rafhlöðustjórnunarkerfi (BMS) til að fylgjast með stöðu þeirra. Í þessu skyni þarf verkfæri sem ekki eru ífarandi til að fylgjast með rafhlöðunni á rafskautaskalanum. Þessi grein leggur til aðferð til að draga rafskautsupplýsingar (jafnvægisgetu, afkastagetu og lithiation rate sem aðgerðir af hleðsluástandi rafhlöðunnar) úr hleðslu og afhleðslu rafhlöðunnar. Gervi OCV líkan var notað til að ákvarða þessar upplýsingar, sem getur dregið úr hlutdrægni sem tengist ofspennu rafhlöðunnar. Nákvæmni nauðsynlegra breytu í gervi-OCV meðaltali (milli losunar og hleðslu) mælinga á LFP/grafít litíumjónarafhlöðum er um það bil 1 mV. Þessi aðferð er hægt að nota fyrir hvaða rafhlöðuefnafræði sem er.
1. Inngangur
Krafan um eftirlit LIBs:Notkun á litíumjónarafhlöðum í forritum eins og rafknúnum ökutækjum krefst rafhlöðustjórnunarkerfis (BMS) til að fylgjast með stöðu þeirra til að tryggja öryggi, betri afköst og langan líftíma.
Gallar og endurbætur á hefðbundnu eftirliti:Hefð var fylgst með LIBs sem „heild“, án nokkurra upplýsinga um innra ástand þeirra. Reyndar samanstanda litíumjónarafhlöður af nokkrum innri hlutum, þar á meðal jákvæðum og neikvæðum rafskautum, raflausn og skilju. Þessi grein miðar að því að fylgjast með rafskautastöðu LIBs fyrir betri stjórn, með áherslu á að ákvarða rafskautsgetu og jafnvægisgetu sem virkni rafhlöðuástands (SOC).
Þessi grein gefur yfirlit yfir aðferðina:Aðferð byggð á gervi OCV líkani er lögð til til að ákvarða ástand LIBS rafskauta. Einkenni þessarar aðferðar er að nota meðalmælingargildi gervi-OCV rafhlöðunnar og meðalviðmiðunarferil rafskautsjafnvægis. Greinin lýsir samsetningu LIBs gervi OCV í kafla 2 og stofnar stærðfræðilegar jöfnur sem tengjast rafskautsástandsbreytum og gervi OCV; Í kafla 3 var aðferðin til að ákvarða rafskautsfæribreytur kynnt; Niðurstöður þessarar aðferðar voru metnar í kafla 4.
2. LIB gervi OCV einkenni
2.1 Skilgreining og líkangerð gervi-OCV
Skilgreining:Pseudo OCV (pOCV) er rafhlaðaspennan þegar yfirspenna rafhlöðunnar (η) er jöfn nokkrum tugum millivolta (þ.e. við mjög lága strauma), og OCV táknar jafnvægisspennu rafhlöðunnar.
Áhrifaþættir:OCV er breytilegt eftir hleðsluástandi (SOC) og hitastigi T rafhlöðunnar, þar með talið framlag ýmissa innri fyrirbæra eins og Ohmic áhrif (flutningur litíumjóna í raflausninni og rafeinda í rafskautunum, ytri rafmagnstengi osfrv.) og kraftmikil áhrif (flutningur og dreifing litíumhleðslu á hverja rafskaut). η hefur einnig áhrif á hitastig, SOC og rafhlöðusögu (hleðsla og afhleðsla rafhlöðunnar og heilsufar hennar), svo pOCV er einnig mismunandi eftir þessum breytum. Þessi grein fjallar aðallega um háð þess á SOC, en aðrar breytur eru taldar fastar. SOC er reiknað með formúlunni:
Reiknaðu, SOCinit er upphafshleðsluástand, I er mældur straumur og t táknar tíma.
2.2 Jafnvæg spenna
Lýsing:OCV rafhlöðu er munurinn á jafnvægismöguleikum (OCP) jákvæðu og neikvæðu rafskautanna. Undirskriftin PE og NE tákna jákvæðu og neikvæðu rafskautin, í sömu röð. x og y eru lithiationshraði rafskautanna, skilgreind sem hlutfall hleðsluástands þeirra og getu þeirra. Rafskautsgetan er tengd sérstökum hönnun þeirra og rafefnafræðilegum eiginleikum. OCP rafskauts er magn raforku sem mælt er í jafnvægi miðað við viðmiðunarrafskaut (venjulega notað málm litíum rafskaut (Li+/Li) sem viðmiðunarrafskaut), sem er ólínulegt breytilegt með lithiation hraða og er undir áhrifum af notkun rafskautsins. saga (hysteresis). OCP ferillinn getur sýnt eina eða fleiri hásléttur, fjöldi þeirra fer eftir efnasamsetningu rafskautsins.
Staða í raunverulegri LIB:Mynd 3 sýnir rafskauts OCP (samanborið við lithiation rate) og rafhlöðu OCV ferla (samanborið við rafhlöðu SOC) í raunverulegu LIB. Þegar SOC rafhlaðan eykst (meðan á hleðslu stendur) eykst x og y minnkar vegna þess að litíumjónir flytjast frá jákvæðu rafskautinu yfir í neikvæða rafskautið (öfugt við afhleðslu). Þess vegna er OCPPE ferillinn á mynd 3 snúinn við miðað við mynd 2. Cbat er rafgeymirinn, skilgreindur sem hámarksgildi SOC (þegar rafhlaðan er fullhlaðin eða tæmd), ybat, 100% er lithiation hlutfall PE þegar rafhlaðan er fullhlaðin (þegar SOCmax=Cbat), xbat, 0% er lithiation hlutfall NE þegar rafhlaðan er full tæmd (þegar SOCmin=0 Ah), og lágmarks (2,5 V) og hámarks (3,6 V) mörk rafhlöðuspennu samsvara fullhlaðinnu og hlaðna ástandi rafhlöðunnar, í sömu röð.
Fyrir raunverulegar LIBs er ekki hægt að nýta rafskautin að fullu. Þegar rafhlaðan er fullhlaðin er lithiation rate ybat af PE nálægt 100% (þ.e. 1-ybat, 100% nálægt 1, eins og sýnt er á mynd 3). Þegar rafhlaðan er að fullu tæmd er lithiation rate xbat NE líka nálægt 0%. Almennt séð er hönnunargetan CNE á NE meiri en rúmtak CPE PE, þannig að ferill OCPNE (í Ah) á mynd 3 er meiri en OCPPE. Ofurmikil afkastageta NE kemur í veg fyrir að litíumhraði hans x nái 1 í raunverulegu LIB, og kemur í veg fyrir að OCP þess falli niður í 0 V Li+/Li (sjá mynd 3, x=1), sem er hugsanlegt gildi hvarfsins (kallað litíumhúðun) sem LIB vill ekki að eigi sér stað. Frá mynd 3 er hægt að ákvarða sambandið milli rafhlöðunnar SOC, x og y, sem gerir kleift að reikna út rafhlöðu SOC með jöfnum (3) og (4). Jöfnur (5) og (6) tákna x og y miðað við SOC og aðrar breytur. Að auki er hægt að samþætta rafskaut OCP í pOCV tjáninguna með því að blanda jöfnum (2) og (1).
3. Rafskautsástand viðurkenningaraðferð
Færibreytur og mælingar:Í fyrri hlutanum var skýrt frá því að færibreyturnar sem skilgreina rafskautsástandið (OCP rafskaut, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE og CPE) eru allar innifaldar í gervi OCV rafhlöðunnar. Til að ákvarða þessar færibreytur er hægt að nota afhleðslu- eða hleðslumælingar á pOCV rafhlöðu og OCP ferlum til viðmiðunar rafskauta til að bera kennsl á færibreyturnar með ólínulegri minnstu ferningsfestingu.
Inntaksgögn og markmiðsaðgerð:Inntaksgögnin fela í sér að rannsaka sambandið milli gervi OCV mæligilda og SOC rafhlöðunnar meðan á hleðslu og afhleðslu stendur, til að fá meðaltal gervi OCV mælingar (pOCVavg.meas (SOC)). Af mynd 4 (b) má sjá að ofspenna losunarferilsins eykst í átt að lágum SOC en yfirspenna hleðsluferilsins eykst í átt að háum SOC. Þess vegna hækkar ∆ η frá bæði lágri og hári rafhlöðu SOC. Einbeittu þér aðeins að svæðinu sem inniheldur þrjá palla (sjá mynd 4 (a)), þar sem hægt er að draga fram gagnlegar upplýsingar, og ∆ η er þrisvar sinnum minni en losunar- og hleðsluofspennan. Að auki má sjá að það er veruleg vettvangsbreyting á milli pOCV og OCV ferilanna. Með því að bera saman meðalgildi pOCV og OCV minnkar tilfærslan til muna, sem staðfestir að eins og búist er við er hægt að hunsa framlag ∆ η í meðaltal pOCV.
Reiknirit skref:Mynd 5 sýnir mismunandi skref reikniritsins með því að nota ólínulega minnstu ferninga fínstillingaraðgerðina lsqnonlin í Matlab hugbúnaðinum. Færibreytur xbat, 0% og ybat, 100% takmarkaðar á milli 0 og 1 og frumstilltar á núll. CNE og CPE eru frumstillt í Cbat og takmarkaðar sem hér segir: fyrir CNE, á milli Cbat og 1.4Cnom; Fyrir CPE er það á milli Cbat og 1.2Cnom (Cnom er rafgeymirinn sem framleiðandi gefur upp). Í reikniritinu er áætlað rafskaut OCP táknað sem fall af rafhlöðu SOC á eftirfarandi hátt:
4. Niðurstöður og umræður
Tilraunauppsetning:Til að meta fyrirhugaða aðferð var rannsóknin gerð á LIB A123Systems. Rafhlaðan hefur nafngetu (Cnom) 2,3Ah og er sívalur í lögun (stærð 18650), sem samanstendur af grafít neikvæðu rafskauti og LFP jákvæðu rafskauti. Í þessari rannsókn sýndu fyrstu niðurstöður pOCV mælingaprófa sem gerðar voru við hleðslu C/25 (92mA) og afhleðslu C/25 að rafgeymirinn Cbat var um það bil 93% af Cnom. Þessar prófanir voru gerðar við stofuhita (25 gráður C) og lágmarks- og hámarksspenna rafhlöðunnar voru takmörkuð við 2,5V og 3,6V, í sömu röð.
Niðurstöðuskjár:Mynd 6 sýnir niðurstöður þess að beita þessari aðferð við rannsókn á rafhlöðum. Á mynd 6 (a) samsvarar meðal OCP ferill rafhlöðu rafskautsins svæði milli tveggja ósamfelldra lóðréttra lína í svörtu. Áætlað meðaltal OCV (OCVest.avg) (græn ferill) táknar muninn á milli OCPavg, PE og OCPavg, NE ferilanna innan svæðisins. Af mynd 6 (b) má sjá að í áætlaðri OCVest.avg feril er halla í átt að háspennu milli síðustu tveggja pallanna sléttuð vegna sléttleika OCPNE, avg ferilsins (sjá mynd 6 (a)) . Á heildina litið er áætlaður OCVest.avg ferill nær meðalgildi pOCV mælingar. Rótmeðalkvaðratskekkjan (RMSE) á milli meðaltals pOCV mælingar og áætlaðs meðaltals OCV er minna en 1mV (u.þ.b. 0.87mV), sem er ásættanlegt.
Niðurstöður færibreytu:Fengið lithiation hlutfall xbat, {{0}}% og ybat, 100% eru næstum jöfn 0,024 (gildi nálægt 0). Gildin fyrir getu CPE og CNE eru 10% og 30% hærri en gildi Cbat, í sömu röð (þ.e. jákvæðu og neikvæðu rafskautin í rafhlöðunni eru ekki notuð um 10% og 30% í sömu röð). Gildi CNE er um það bil 24% hærra en CPE. Frá líkamlegu sjónarhorni getum við fylgst með því að stærðarröð þessara fjögurra breytu er þýðingarmikil. Síðan er hægt að nota þessi gildi til að ákvarða rafskauts OCP sem fall af rafhlöðu SOC fyrir hleðslu og afhleðslu, í sömu röð, frá viðmiðunarferli rafskauts OCP með því að nota jöfnur (8) og (9).
5. Samantekt
Aðferðarsamantekt:Þessi grein leggur til aðferð til að draga út jafnvægisgetu, getu og lithiation hraða raunverulegra LIBs rafskauta. Aðferðin notar gervi OCV líkan og ákvarðar þessar færibreytur með ólínulegri minnstu ferningastillingu. Það er náð með því að rannsaka meðaltal (milli hleðslu og afhleðslu) mælingar á LIB gervi OCV og viðmiðunarferil rafskauts OCP.
Umsóknarhorfur:Þessi aðferð hefur verið notuð á LFP/grafít LIB í atvinnuskyni og niðurstöðurnar sem fengust eru fullnægjandi hvað varðar nákvæmni. Auðvelt er að nota það til að greina LIBs með því að fylgjast með þróun breytu sem ákvarðast á líftíma rafhlöðunnar, sérstaklega rafskautsgetu (CPE og CNE) og lithiation rate (ybat, 100% og xbat, 0%).