Haniaethol
Er mwyn sicrhau perfformiad gwell o batris lithiwm-ion mewn cymwysiadau megis cerbydau trydan, mae angen defnyddio system rheoli batri (BMS) i fonitro eu statws. At y diben hwn, mae angen offer anfewnwthiol i fonitro'r batri ar y raddfa electrod. Mae'r erthygl hon yn cynnig dull ar gyfer echdynnu gwybodaeth electrod (potensial ecwilibriwm, cynhwysedd, a chyfradd lithiation fel swyddogaethau cyflwr codi tâl batri) rhag codi tâl a rhyddhau batri. Defnyddiwyd model ffug OCV i bennu'r wybodaeth hon, a all leihau'r rhagfarn sy'n gysylltiedig â gorfoltedd batri. Mae cywirdeb y paramedrau gofynnol yn y mesuriad cyfartalog ffug OCV (rhwng rhyddhau a gwefr) o fatris lithiwm-ion LFP/graffit tua 1 mV. Gellir defnyddio'r dull hwn ar gyfer unrhyw gemeg batri.
1. Rhagymadrodd
Y galw am fonitro LIBs:Mae defnyddio batris lithiwm-ion mewn cymwysiadau fel cerbydau trydan yn gofyn am system rheoli batri (BMS) i fonitro eu statws i sicrhau diogelwch, perfformiad gwell, a hyd oes hir.
Diffygion a Gwelliannau Monitro Traddodiadol:Yn draddodiadol, roedd LIBs yn cael eu monitro fel 'cyfan', heb unrhyw wybodaeth am eu cyflwr mewnol. Mewn gwirionedd, mae batris lithiwm-ion yn cynnwys nifer o gydrannau mewnol gan gynnwys electrodau positif a negyddol, electrolyte, a gwahanydd. Nod yr erthygl hon yw monitro statws electrod LIBs i gael gwell rheolaeth, gan ganolbwyntio ar bennu cynhwysedd electrod a photensial ecwilibriwm fel swyddogaethau cyflwr gwefr batri (SOC).
Mae'r erthygl hon yn rhoi trosolwg o'r dull:Cynigir dull sy'n seiliedig ar fodel ffug OCV i bennu cyflwr electrodau LIBS. Nodwedd y dull hwn yw defnyddio gwerth mesur cyfartalog ffug batri OCV a chromlin gyfeirio gyfartalog potensial ecwilibriwm electrod. Mae'r erthygl yn disgrifio cyfansoddiad ffug OCV LIBs yn Adran 2 ac yn sefydlu hafaliadau mathemategol yn ymwneud â pharamedrau cyflwr electrod a ffug OCV; Yn Adran 3, cyflwynwyd y dull ar gyfer pennu paramedrau electrod; Gwerthuswyd canlyniadau’r dull hwn yn Adran 4.
2. Nodweddion ffug OCV LIB
2.1 Diffinio a Modelu Ffug OCV
Diffiniad:Ffug OCV (pOCV) yw foltedd y batri pan fo gorfoltedd y batri (η) yn hafal i sawl degau o filifolt (hy ar gerrynt isel iawn), ac mae OCV yn cynrychioli foltedd cydbwysedd y batri.
Ffactorau sy'n dylanwadu:Mae OCV yn amrywio gyda chyflwr gwefr (SOC) a thymheredd T y batri, gan gynnwys cyfraniad gwahanol ffenomenau mewnol megis yr effaith Ohmic (cludo ïonau lithiwm yn yr electrolyte ac electronau yn yr electrodau, cysylltwyr trydanol allanol, ac ati) ac effeithiau deinamig (trosglwyddo a thryledu taliadau lithiwm ar bob electrod). Mae η hefyd yn cael ei effeithio gan dymheredd, SOC, a hanes batri (codi tâl a gollwng y batri a'i statws iechyd), felly mae pOCV hefyd yn amrywio gyda'r paramedrau hyn. Mae'r erthygl hon yn canolbwyntio'n bennaf ar ei dibyniaeth ar SOC, tra bod paramedrau eraill yn cael eu hystyried yn gysonion. Cyfrifir SOC gan ddefnyddio'r fformiwla:
Cyfrifwch, SOCinit yw'r cyflwr codi tâl cychwynnol, I yw'r cerrynt mesuredig, ac mae t yn cynrychioli amser.
2.2 Foltedd cytbwys
Disgrifiad:OCV batri yw'r gwahaniaeth rhwng potensial ecwilibriwm (OCPs) yr electrodau positif a negyddol. Mae'r tanysgrifiadau PE ac NE yn cynrychioli'r electrodau positif a negyddol, yn y drefn honno. x ac y yw cyfraddau lithiation yr electrodau, a ddiffinnir fel cymhareb eu cyflwr gwefr i'w cynhwysedd. Mae cynhwysedd yr electrod yn gysylltiedig â'u dyluniad penodol a'u priodweddau electrocemegol. OCP electrod yw faint o drydan a fesurir mewn ecwilibriwm o'i gymharu ag electrod cyfeirio (fel arfer yn defnyddio electrod lithiwm metel (Li + / Li) fel electrod cyfeirio), sy'n amrywio'n aflinol gyda'r gyfradd lithiation ac yn cael ei ddylanwadu gan ddefnydd yr electrod hanes (hysteresis). Gall y gromlin OCP gyflwyno un llwyfandir neu fwy, y mae ei nifer yn dibynnu ar gyfansoddiad cemegol yr electrod.
Safle yn LIB gwirioneddol:Mae Ffigur 3 yn dangos yr electrod OCP (o'i gymharu â chyfradd lithiation) a chromliniau OCV batri (o'i gymharu â batri SOC) yn LIB gwirioneddol. Wrth i SOC y batri gynyddu (yn ystod codi tâl), mae x yn cynyddu ac y yn lleihau oherwydd bod ïonau lithiwm yn trosglwyddo o'r electrod positif i'r electrod negyddol (gyferbyn yn ystod rhyddhau). Felly, mae'r gromlin OCPPE yn Ffigur 3 yn cael ei wrthdroi o'i gymharu â Ffigur 2. Cbat yw cynhwysedd y batri, a ddiffinnir fel gwerth uchaf SOC (pan fydd y batri wedi'i wefru neu ei ollwng yn llawn), ybat, 10 0% yw cyfradd lithiation PE pan fydd y batri wedi'i wefru'n llawn (pan SOCmax=Cbat), xbat, 0% yw cyfradd lithiation NE pan fydd y batri wedi'i ryddhau'n llawn (pan SOCmin=0 Ah), ac mae terfynau isafswm (2.5 V) ac uchaf (3.6 V) foltedd batri yn cyfateb i gyflwr y batri sydd wedi'i ryddhau a'i wefru'n llawn, yn y drefn honno.
Ar gyfer LIBs gwirioneddol, ni ellir defnyddio'r electrodau yn llawn. Pan fydd y batri wedi'i wefru'n llawn, mae cyfradd lithiation ybat PE yn agos at 100% (hy 1-ybat, 100% yn agos at 1, fel y dangosir yn Ffigur 3). Pan fydd y batri wedi'i ryddhau'n llawn, mae'r gyfradd lithiation xbat o NE hefyd yn agos at 0%. Yn gyffredinol, mae cynhwysedd dylunio CNE o NE yn fwy na chynhwysedd CPE PE, felly mae cromlin OCPNE (yn Ah) yn Ffigur 3 yn fwy na chromlin OCPPE. Mae cynhwysedd hynod fawr NE yn atal ei gyfradd lithiation x rhag cyrraedd 1 mewn LIB gwirioneddol, gan osgoi ei OCP rhag gostwng i 0 V Li +/Li (gweler Ffigur 3, x=1), sef gwerth potensial yr adwaith (a elwir yn blatio lithiwm) nad yw LIB am ddigwydd. O Ffigur 3, gellir sefydlu'r berthynas rhwng batri SOC, x, ac y, gan ganiatáu ar gyfer cyfrifo SOC batri gan ddefnyddio hafaliadau (3) a (4). Mae hafaliadau (5) a (6) yn cynrychioli x ac y yn seiliedig ar SOC a pharamedrau eraill. Yn ogystal, gellir integreiddio electrod OCP i'r mynegiant pOCV trwy gymysgu hafaliadau (2) a (1).
3. dull adnabod cyflwr electrod
Paramedrau a Mesur:Yn yr adran flaenorol, eglurwyd bod y paramedrau sy'n diffinio'r cyflwr electrod (electrod OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE, a CPE) i gyd wedi'u cynnwys yn ffug OCV y batri. Er mwyn pennu'r paramedrau hyn, gellir defnyddio mesuriadau rhyddhau neu wefru pOCV batri a chromliniau OCP electrod cyfeirio i nodi'r paramedrau trwy osod sgwariau lleiaf aflinol.
Data mewnbwn a swyddogaeth wrthrychol:Mae'r data mewnbwn yn cynnwys astudio'r berthynas rhwng gwerthoedd mesur ffug OCV a SOC y batri wrth godi tâl a gollwng, er mwyn cael y gwerth mesur OCV ffug cyfartalog (pOCVavg.meas (SOC)). O Ffigur 4 (b), gellir gweld bod gorfoltedd y gromlin rhyddhau yn cynyddu tuag at SOC isel, tra bod gorfoltedd y gromlin wefr yn cynyddu tuag at SOC uchel. Felly, mae ∆ η yn cynyddu o SOC batri isel ac uchel. Canolbwyntiwch ar yr ardal sy'n cynnwys tri llwyfan yn unig (gweler Ffigur 4 (a)), lle gellir echdynnu gwybodaeth ddefnyddiol, ac mae ∆ η dair gwaith yn llai na'r gorfoltedd rhyddhau a gwefr. Yn ogystal, gellir gweld bod newid platfform sylweddol rhwng cromliniau pOCV ac OCV. Trwy gymharu gwerthoedd cyfartalog pOCV ac OCV, mae'r shifft yn cael ei leihau'n fawr, sy'n cadarnhau, yn ôl y disgwyl, y gellir anwybyddu cyfraniad ∆ η yn y pOCV cyfartalog.
Camau algorithm:Mae Ffigur 5 yn dangos gwahanol gamau'r algorithm, gan ddefnyddio'r swyddogaeth optimeiddio sgwariau lleiaf aflinol lsqnonlin o feddalwedd Matlab. Paramedrau xbat, 0% ac ybat, 100% wedi'i gyfyngu rhwng 0 ac 1 a'i gychwyn i sero. Mae CNE a CPE yn cael eu cychwyn i Cbat a'u cyfyngu fel a ganlyn: ar gyfer CNE, rhwng Cbat ac 1.4Cnom; Ar gyfer CPE, mae rhwng Cbat a 1.2Cnom (Cnom yw'r capasiti batri a ddarperir gan y gwneuthurwr). Yn yr algorithm, cynrychiolir yr electrod OCP amcangyfrifedig fel swyddogaeth batri SOC yn y ffordd ganlynol:
4. Canlyniadau a Thrafodaeth
Gosodiad arbrofol:Er mwyn gwerthuso'r dull arfaethedig, cynhaliwyd yr astudiaeth ar LIB o A123Systems. Mae gan y batri gapasiti enwol (Cnom) o 2.3Ah ac mae'n siâp silindrog (maint 18650), sy'n cynnwys electrod negyddol graffit ac electrod positif LFP. Yn yr astudiaeth hon, dangosodd canlyniadau cychwynnol profion mesur pOCV a gynhaliwyd ar dâl C/25 (92mA) a rhyddhau C/25 fod cynhwysedd batri Cbat tua 93% o Cnom. Cynhaliwyd y profion hyn ar dymheredd ystafell (25 gradd C) ac roedd folteddau isaf ac uchaf y batri wedi'u cyfyngu i 2.5V a 3.6V, yn y drefn honno.
Arddangosfa canlyniad:Mae Ffigur 6 yn dangos canlyniadau cymhwyso'r dull hwn wrth astudio batris. Yn Ffigur 6 (a), mae cromlin OCP gyfartalog yr electrod batri yn cyfateb i'r arwynebedd rhwng dwy linell fertigol amharhaol mewn du. Mae'r OCV cyfartalog amcangyfrifedig (OCVest.avg) (cromlin werdd) yn cynrychioli'r gwahaniaeth rhwng cromliniau OCPavg, PE, ac OCPavg, NE yn y rhanbarth. O Ffigur 6 (b), gellir arsylwi, yn y gromlin OCVest.avg amcangyfrifedig, bod y llethr tuag at foltedd uchel rhwng y ddau lwyfan olaf yn cael ei lyfnhau oherwydd llyfnder y gromlin OCPNE, avg (gweler Ffigur 6 (a)) . Yn gyffredinol, mae'r gromlin OCVest.avg amcangyfrifedig yn agosach at y gwerth mesur pOCV cyfartalog. Mae'r gwall sgwâr cymedrig gwraidd (RMSE) rhwng y mesuriad pOCV cyfartalog a'r OCV cyfartalog amcangyfrifedig yn llai nag 1mV (tua 0.87mV), sy'n dderbyniol.
Canlyniadau paramedr:Mae'r cyfraddau lithiation a gafwyd xbat, {{0}}% ac ybat, 100% bron yn hafal i 0.024 (gwerth yn agos at 0). Mae gwerthoedd cynhwysedd CPE a CNE 10% a 30% yn fwy na gwerth Cbat, yn y drefn honno (hy ni ddefnyddir yr electrodau positif a negyddol yn y batri gan tua 10% a 30%, yn y drefn honno). Mae gwerth CNE tua 24% yn uwch na gwerth CPE. O safbwynt corfforol, gallwn arsylwi bod trefn maint y pedwar paramedrau hyn yn ystyrlon. Yna, gellir defnyddio'r gwerthoedd hyn i bennu electrod OCP fel swyddogaeth batri SOC ar gyfer codi tâl a gollwng, yn y drefn honno, o gromlin gyfeirio electrod OCP gan ddefnyddio hafaliadau (8) a (9).
5. Crynodeb
Crynodeb Dull:Mae'r erthygl hon yn cynnig dull ar gyfer echdynnu potensial ecwilibriwm, cynhwysedd, a chyfradd lithiation electrodau LIBs gwirioneddol. Mae'r dull yn defnyddio model OCV ffug ac yn pennu'r paramedrau hyn trwy osod sgwariau lleiaf aflinol. Fe'i cyflawnir trwy astudio mesuriad cyfartalog (rhwng gwefr a gollyngiad) o ffug OCV LIBs a chromlin gyfeirio electrod OCP.
Rhagolygon cais:Mae'r dull hwn wedi'i gymhwyso i LFP / graffit LIB masnachol, ac mae'r canlyniadau a gafwyd yn foddhaol o ran cywirdeb. Gellir ei ddefnyddio'n hawdd i wneud diagnosis o LIBs trwy olrhain esblygiad paramedrau a bennir yn ystod oes y batri, yn enwedig cynhwysedd electrod (CPE a CNE) a chyfradd lithiation (ybat, 10 0% a xbat, 0%).