Ar gyfer Batris Lithiwm-ion Masnachol: Dadansoddiad o Algorithm Codi Tâl Cyflym MCC wedi'i Optimeiddio Ar gyfer Mesur Tri Electrod

Haniaethol

Mae'r erthygl hon yn cynnig dull newydd sy'n darparu algorithm codi tâl cerrynt cyson aml-gam (MCC) sy'n dibynnu ar gyflwr tâl cywir iawn ar gyfer batris cerbydau trydan. Mae'r algorithm hwn yn lleihau'r amser codi tâl yn sylweddol trwy osgoi platio lithiwm, tra nad yw'n cyflymu'r broses heneiddio. Yn gyntaf, gyda chymorth tair technoleg mesur electrod, dadansoddwyd y berthynas rhwng y gyfradd gyfredol, y cyflwr tâl, a phlatio lithiwm yn arbrofol, a chynigiwyd algorithm codi tâl yn seiliedig ar ddibyniaeth SOC (Cyflwr Tâl). Yn ail, datblygwyd algorithm amcangyfrif SOC yn seiliedig ar hidlydd Kalman estynedig yn amgylchedd MATLAB / Simulink i gyflawni amcangyfrif SOC manwl uchel a rheolaeth fanwl gywir ar y broses codi tâl. Mae'r canlyniadau arbrofol yn dangos mai gwall sgwâr cymedrig gwraidd (RMSE) yr amcangyfrif SOC yw 1.{5}}8%, ac mae'r amser codi tâl yn cael ei leihau 30% yn yr ystod o 0% i 80% SOC.

1. Rhagymadrodd

Ffactorau sy'n dylanwadu ar amser codi tâl a chyfyngiadau'r protocolau codi tâl presennol:Mae maint codi tâl cyhoeddus byd-eang a chyfran codi tâl cyflym wedi cynyddu yn y degawd diwethaf, ond mae amser codi tâl nid yn unig yn dibynnu ar gapasiti gwefrydd, ond hefyd ar nodweddion batri, amodau amgylcheddol, a phrotocolau codi tâl. Y protocol codi tâl safonol ar gyfer LIB yw foltedd cyson cyfredol cyson (CC-CV), sy'n cynnwys dau gam: cerrynt cyson (CC) a foltedd cyson (CV). Mae'r cam CV hir yn cyfyngu ar leihau cyfanswm yr amser codi tâl, a gall cerrynt codi tâl uchel arwain at blatio lithiwm, gan effeithio ar fywyd a diogelwch batri. Felly, ni ellir anwybyddu effaith protocol codi tâl ar fywyd batri.

Cefndir ymchwil a manteision protocol codi tâl cyson aml-gam:Er mwyn gwneud y gorau o'r cydbwysedd rhwng amser codi tâl, effeithlonrwydd a bywyd batri, mae protocolau codi tâl lluosog wedi'u cynnig, ac mae protocol codi tâl cyson aml-gam wedi'i astudio'n eang ymhlith y rhain. Gall protocol MCC leihau'r amser codi tâl ac ymestyn bywyd cylch batri, a gall ei drawsnewidiad cam fod yn seiliedig ar gyfwng SOC neu derfyn uchaf foltedd. Y brif her yw pennu'r nifer gorau posibl o gamau CC, cyfradd gyfredol, ac amodau trosi ar gyfer codi tâl MCC, y gellir eu datrys gan ddefnyddio dulliau Taguchi, algorithmau optimeiddio, neu drwy ganfod platio Li i bennu'r modd codi tâl gorau posibl ar hyn o bryd.

Arloesedd a strwythur erthyglau'r astudiaeth hon

Pwynt arloesi:Mae'r astudiaeth hon yn integreiddio'r trothwy SOC a gafwyd o dri arbrawf batri electrod gydag amcangyfrifydd SOC manwl uchel ar gyfer algorithm codi tâl MCC, gan ddatblygu canllaw codi tâl graddadwy ar gyfer batris masnachol safonol, gan ddileu'r angen am drydydd electrod corfforol mewn cymwysiadau a'r angen am helaeth. profion batri yn ystod cam datblygu'r protocol codi tâl, gyda'r nod o leihau'r amser codi tâl ac atal heneiddio batri cyflymach a achosir gan godi tâl cyflym.

Strwythur yr erthygl hon:Yn gyntaf, mae'r modd codi tâl gorau posibl wedi'i ddylunio gan ddefnyddio'r dull tri electrod, ac mae batri tri electrod arbrofol yn cael ei ail-greu o batri NMC masnachol 21700; Yn ail, datblygu amcangyfrifydd SOC wedi'i seilio ar hidlydd Kalman (EKF) estynedig sy'n addas ar gyfer systemau rheoli batri (BMS); Yna cynnal profion batri i wirio perfformiad y dull, perfformio profion heneiddio, a chymharu protocol MCC â chodi tâl CC-CV safonol; Yn olaf, rhowch gasgliad.

2. Defnyddiau a Dulliau

Dadansoddiad nodweddion electrocemegol:Cynnal dadansoddiad mesur tri electrod ar electrod batri silindrog masnachol 21700 NMC. Yn gyntaf, gollyngwch y batri i'r foltedd terfyn isaf ar ôl 5 cylch safonol yn unol â manylebau'r gwneuthurwr. Agorwch y batri mewn blwch maneg argon, tynnwch a phroseswch yr electrodau, a pharatowch batri tri electrod. Oherwydd nodweddion deunyddiau electrod LIB, mae angen electrodau cyfeirio ychwanegol i arsylwi prosesau'r electrod gweithio a'r electrod cownter ar wahân. Mae nodweddion electrocemegol y batri tri electrod arbrofol yn debyg i nodweddion batris masnachol. Trwy bennu'r ardal cotio electrod a chynhwysedd penodol, cynnal profion ar wahanol gyfraddau codi tâl a gollwng, arsylwi ar y potensial anod a catod, pennu SOC critigol platio lithiwm ar wahanol gyfraddau C, a normaleiddio protocol MCC i'w wneud yn berthnasol i fasnachol. batris, cynhaliwyd yr arbrawf ar 25 gradd C a bydd angen ei ddilysu o dan amodau amgylcheddol gwahanol yn y dyfodol.

Modelu batri ac adnabod paramedr:Gan ddefnyddio model cylched cyfatebol Thevenin (ECM) gydag un cangen RC i efelychu nodweddion trydanol LIB, mae paramedrau'r model (gan gynnwys foltedd cylched agored, ymwrthedd ohmig, ymwrthedd polareiddio, a chynhwysedd) yn cael eu pennu'n gywir mewn cynyddiadau o 10% SOC ar gwahanol dymereddau a chyfarwyddiadau rhyddhau gwefr trwy brofion nodwedd pŵer pwls hybrid (HPPC). Mae'r gwerthoedd paramedr yn cael eu crynhoi mewn tabl chwilio 3D i osod y sylfaen ar gyfer amcangyfrif SOC.

Amcangyfrif o Gyflwr y Gyhuddiad:Gellir mynegi amrywiad SOC o LIB fel swyddogaeth amser, a chyfrif Coulomb yw'r dull amcangyfrif sylfaenol yn seiliedig ar hyn, ond mae gwallau. Felly, defnyddir Hidlydd Kalman Estynedig (EKF) ar gyfer amcangyfrif SOC. Mae EKF yn datrys yr heriau mewn amcangyfrif SOC yn effeithiol trwy linellu systemau aflinol a chyfuno signalau mesur cerrynt, foltedd a thymheredd. Mae ei algorithm yn cynnwys dau brif gam: rhagfynegi a diweddaru. Yn seiliedig ar ddiffiniadau Thevenin ECM a SOC, rhoddir hafaliadau proses a mesur yn y parth amser arwahanol. Mae EKF yn cymryd yn ganiataol bod sŵn proses a sŵn mesur yn brosesau sŵn Gaussaidd sero cymedrig annibynnol, ac mae'n llinellu'r swyddogaeth fesur trwy fatrics Jacobi.

Dadansoddiad heneiddio:Cynnal profion cylchol ar dri batris gan ddefnyddio gweithdrefnau codi tâl safonol a dau fatris gan ddefnyddio algorithm codi tâl MCC, gyda phrofi cynhwysedd a phrofi gwrthiant mewnol cerrynt uniongyrchol (RiDC) bob 50 cylch. Mae'r prawf cynhwysedd yn mabwysiadu rhaglen codi tâl safonol CCCV i godi tâl a gollwng ar gerrynt 1C i'r foltedd terfyn isaf. Mae'r prawf RiDC yn cymhwyso corbys cerrynt 1C ar wahanol lefelau SOC ac yn mesur y gwrthiant mewnol. Disgrifir gradd heneiddio'r batri trwy gyfrifo cyflwr iechyd (SOH) y batri, a ddiffinnir fel cymhareb y capasiti gwirioneddol i'r gallu cyfeirio cychwynnol. Cynhelir y prawf heneiddio tan ddiwedd oes y batri (80% SOH).

3. Canlyniadau

Canlyniadau dadansoddi nodweddion electrocemegol

Newidiadau mewn potensial electrod ar wahanol gyfraddau C: 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 yn gostwng yn raddol. Dyluniad protocol codi tâl MCC: Yn seiliedig ar y canlyniadau uchod, dyluniwyd cromlin codi tâl cerrynt cyson aml-gam (MCC). Mae Ffigur 5 yn dangos y camau codi tâl dibynnol SOC, ac mae Tabl 3 yn crynhoi manylion pob cam. O'i gymharu â phrotocol codi tâl safonol CCCV, mae gan brotocol MCC fantais amser yn yr ystod SOC isel, mae codi tâl i 80% SOC tua 30% yn gyflymach na chodi tâl safonol, ac mae codi tâl MCC hefyd tua 10% yn gyflymach pan gaiff ei gyhuddo'n llawn.

Canlyniadau adnabod paramedr a modelu batri

Penderfyniad paramedr enghreifftiol:Dadansoddwch ganlyniadau prawf HPPC yn Matlab a defnyddiwch y swyddogaeth "fminsearch()" i bennu foltedd cylched agored, gwrthiant a pharamedrau cynhwysedd y model batri ar wahanol dymereddau a lefelau SOC. Dadansoddwch effaith tymheredd ar gapasiti batri, ymgorffori canlyniadau'r prawf cynhwysedd mewn tabl chwilio 2D sy'n gysylltiedig â thymheredd, a darganfyddwch fod gan SOC ddylanwad cyfyngedig ar baramedrau model. I symleiddio, ystyriwch ef fel cysonyn yn y fformiwla.

Dilysu model:Mae'r model batri ac amcangyfrifwr SOC yn cael eu dilysu trwy ollwng y batri prawf yn llawn, ac yna profi cerrynt deinamig ar wahanol gyfraddau codi tâl a lefelau SOC. Efelychu'r un dilyniant prawf yn amgylchedd MATLAB/Simulink a'i gymharu â data arbrofol gan ddefnyddio gwerthusiad gwall sgwâr cymedrig gwraidd (RMSE). RMSE efelychiad foltedd yw 7.09 mV. Er bod gwall sylweddol pan fydd y batri wedi'i ryddhau'n llawn, mae perfformiad y model yn gadarn a gall ddal deinameg foltedd y batri yn gywir o dan amodau llwyth gwahanol.

Canlyniadau amcangyfrifwr SOC yn seiliedig ar EKF:Dilyswch yr amcangyfrifydd SOC yn seiliedig ar EKF ar 25 gradd C a chymharwch y gwerth SOC a amcangyfrifwyd gan algorithm EKF â'r gwerth SOC cyfeirio a gafwyd trwy ddull cyfrif Coulomb. Mae gan y cerrynt prawf gydraniad o 1 mA a chywirdeb o 0.1%. Yn y cam cychwynnol, roedd gwyriad rhwng yr SOC amcangyfrifedig gan EKF a'r SOC cyfeirio. Wrth i'r profion fynd rhagddynt yn gyflym, roedd yr RMSE yn 1.08%. Roedd yr algorithm yn gallu olrhain SOC yn gywir, yn enwedig yn ystod y cyfnod codi tâl, a gallai reoli'r cerrynt gwefru yn union.

Canlyniadau perfformiad heneiddio algorithm codi tâl MCC

Canlyniadau profion heneiddio:Mae Ffigur 10 yn dangos canlyniadau profion heneiddio. Profwyd tri batris codi tâl safonol a dau fatris codi tâl MCC, a gellir anwybyddu'r gwyriad rhwng pob grŵp o fatris. Yn ystod cyfnod cynnar y profion heneiddio (hyd at 90% SOH), mae cyfradd heneiddio codi tâl MCC ychydig yn arafach. Wrth ystyried y gwerth cymedrig, mae batris a godir gan MCC yn cyrraedd 80% SOH ar ddiwedd eu hoes tua 50 cylch yn gynharach na'r batris a godir safonol, ond nid yw'r effaith gyffredinol ar gyfradd heneiddio yn sylweddol. Dangosodd y batri a godir gan MCC ostyngiad bach mewn SOH ar ôl 850 o gylchoedd oherwydd ymyrraeth profion.

Canlyniad newid gwrthiant mewnol:Mae'r ffigur yn dangos y newidiadau yng nghyfanswm gwrthiant mewnol (R ₀ + R ₁) y batri o dan ddau brotocol gwefru ar 25 gradd C a 50% SOC. Mae'r gwahaniaeth mewn ymwrthedd cychwynnol a gwerth SOH oherwydd amseroedd storio batri gwahanol. Gostyngodd ymwrthedd mewnol batris gyda'r ddau ddull codi tâl ychydig yn ystod camau cynnar heneiddio, ac yna cynyddodd wrth heneiddio. Nid oedd yr algorithm codi tâl MCC yn achosi platio lithiwm ychwanegol, sy'n gyson â chanlyniadau'r prawf cynhwysedd, sy'n nodi bod algorithm yr MCC yn cynnal uniondeb nodweddion heneiddio batri.

4. Trafodaeth a Chrynodeb

Cyfraniad ymchwil i dechnoleg gwefru batri MCC:Trwy integreiddio amcangyfrifwyr SOC manwl uchel a'u cymhwyso i fatris silindrog masnachol (cemeg batri NMC), gwneir cyfraniad at dechnoleg codi tâl batri MCC. Mae'r integreiddio llwyddiannus wedi hwyluso trosglwyddo trothwyon SOC manwl gywir a gafwyd o dri arbrawf batri electrod i'r lefel batri masnachol, gan wella cymwysiadau ymarferol a phontio'r bwlch rhwng mewnwelediadau arbrofol a gweithredu diwydiannol.

Algorithm codi tâl MCC wedi'i optimeiddio sy'n heneiddio:Cyflwynir algorithm codi tâl MCC sy'n dibynnu ar heneiddio, sy'n dibynnu ar SOC, sy'n lleihau'r amser codi tâl heb gyflymu diraddiad batri trwy leihau risg platio lithiwm. Pwysleisiwyd pwysigrwydd cyfuno technegau dadansoddi, modelu ac amcangyfrif electrocemegol i fynd i'r afael â heriau allweddol mewn codi tâl batri, a defnyddiwyd SOC fel paramedr trosglwyddo i sicrhau y gellir ymestyn canlyniadau labordy i gymwysiadau diwydiannol.

Manteision modd codi tâl a phrotocol:Gellir pennu'r modd codi tâl gorau posibl trwy batris tri electrod arbrofol, a gellir monitro potensial anod i ganfod platio lithiwm. Mae protocol codi tâl arfaethedig MCC ynghyd â throthwy SOC a gafwyd o arbrofion yn fwy sefydlog o'i gymharu â phrotocolau MCC traddodiadol sy'n seiliedig ar foltedd, ac mae ffactorau megis newidiadau tymheredd a hysteresis electrocemegol yn effeithio'n llai arno.

Rôl a chanlyniadau arbrofol yr amcangyfrifwr SOC:Datblygwyd amcangyfrifwr SOC yn seiliedig ar Hidlo Kalman Estynedig (EKF), gyda RMSE o 1.08%, sy'n addas ar gyfer Systemau Rheoli Batri (BMS). Mae'r canlyniadau arbrofol yn dangos, o'i gymharu â'r dull codi tâl foltedd cyson cyfredol cyson traddodiadol (CC-CV), y gall y dull hwn leihau'r amser i gyrraedd 80% SOC 30% heb gyflymu'r broses heneiddio.