Para baterias comerciais de íons de lítio: análise do algoritmo de carregamento rápido MCC otimizado para medição de três eletrodos

Resumo

Este artigo propõe um novo método que fornece um algoritmo de carregamento de corrente constante (MCC) multiestágio dependente do estado de carga altamente preciso para baterias de veículos elétricos. Este algoritmo reduz significativamente o tempo de carregamento, evitando o revestimento de lítio, sem acelerar o processo de envelhecimento. Primeiramente, com a ajuda da tecnologia de medição de três eletrodos, a relação entre taxa de corrente, estado de carga e revestimento de lítio foi analisada experimentalmente, e um algoritmo de carregamento baseado na dependência do SOC (estado de carga) foi proposto. Em segundo lugar, um algoritmo de estimativa de SOC baseado no filtro de Kalman estendido foi desenvolvido em ambiente MATLAB/Simulink para obter estimativa de SOC de alta precisão e controle preciso do processo de carregamento. Os resultados experimentais mostram que a raiz do erro quadrático médio (RMSE) da estimativa do SOC é 1,08%, e o tempo de carregamento é reduzido em 30% na faixa de 0% a 80% do SOC.

1. Introdução

Os fatores que influenciam o tempo de carregamento e as limitações dos protocolos de carregamento existentes:A quantidade global de carregamento público e a quota de carregamento rápido aumentaram na última década, mas o tempo de carregamento não depende apenas da capacidade do carregador, mas também das características da bateria, das condições ambientais e dos protocolos de carregamento. O protocolo de carregamento padrão para LIB é tensão constante de corrente constante (CC-CV), que inclui dois estágios: corrente constante (CC) e tensão constante (CV). O longo estágio CV limita a redução do tempo total de carregamento, e a alta corrente de carregamento pode levar ao revestimento de lítio, afetando a vida útil e a segurança da bateria. Portanto, o impacto do protocolo de carregamento na vida útil da bateria não pode ser ignorado.

Histórico de pesquisa e vantagens do protocolo de carregamento de corrente constante em vários estágios:A fim de otimizar o equilíbrio entre tempo de carregamento, eficiência e vida útil da bateria, vários protocolos de carregamento foram propostos, entre os quais o protocolo de carregamento por corrente constante (MCC) de vários estágios foi amplamente estudado. O protocolo MCC pode reduzir o tempo de carregamento e prolongar a vida útil da bateria, e sua transição de estágio pode ser baseada no intervalo SOC ou no limite superior de tensão. O principal desafio é determinar o número ideal de estágios CC, taxa de corrente e condições de conversão para carregamento do MCC, que podem ser resolvidos usando métodos Taguchi, algoritmos de otimização ou detectando revestimento de Li para determinar o modo de corrente de carregamento ideal.

A inovação e a estrutura do artigo deste estudo

Ponto de inovação:Este estudo integra o limite SOC obtido a partir de experimentos de bateria de três eletrodos com um estimador SOC de alta precisão para algoritmo de carregamento MCC, desenvolvendo um guia de corrente de carga escalável para baterias comerciais padrão, eliminando a necessidade de um terceiro eletrodo físico em aplicações e a necessidade de extensos testes de bateria durante a fase de desenvolvimento do protocolo de carregamento, com o objetivo de reduzir o tempo de carregamento e evitar o envelhecimento acelerado da bateria causado pelo carregamento rápido.

Estrutura deste artigo:Em primeiro lugar, o modo de carregamento ideal é projetado usando o método de três eletrodos, e uma bateria experimental de três eletrodos é reconstruída a partir de uma bateria comercial 21700 NMC; Em segundo lugar, desenvolver um estimador SOC baseado em filtro de Kalman estendido (EKF) adequado para sistemas de gerenciamento de bateria (BMS); Em seguida, realize testes de bateria para verificar o desempenho do método, realize testes de envelhecimento e compare o protocolo MCC com o carregamento CC-CV padrão; Finalmente, forneça uma conclusão.

2. Materiais e Métodos

Análise de características eletroquímicas:Realize três análises de medição de eletrodo no eletrodo da bateria cilíndrica comercial 21700 NMC. Primeiramente, descarregue a bateria até a tensão limite inferior após 5 ciclos padrão de acordo com as especificações do fabricante. Abra a bateria em um porta-luvas de argônio, remova e processe os eletrodos e prepare uma bateria de três eletrodos. Devido às características dos materiais do eletrodo LIB, eletrodos de referência adicionais são necessários para observar os processos do eletrodo de trabalho e do contra-eletrodo separadamente. As características eletroquímicas da bateria experimental de três eletrodos são semelhantes às das baterias comerciais. Ao determinar a área de revestimento do eletrodo e a capacidade específica, realizando testes em diferentes taxas de carga e descarga, observando os potenciais anódicos e catódicos, determinando o SOC crítico do revestimento de lítio em diferentes taxas C e normalizando o protocolo MCC para torná-lo aplicável a aplicações comerciais baterias, o experimento foi conduzido a 25 graus C e precisará ser validado sob diferentes condições ambientais no futuro.

Modelagem de bateria e identificação de parâmetros:Usando um modelo de circuito equivalente de Thevenin (ECM) com um único ramal RC para simular as características elétricas do LIB, os parâmetros do modelo (incluindo tensão de circuito aberto, resistência ôhmica, resistência de polarização e capacitância) são determinados com precisão em incrementos de 10% SOC em diferentes temperaturas e direções de descarga de carga por meio de testes de características de potência de pulso híbridas (HPPC). Os valores dos parâmetros são compilados em uma tabela de consulta 3D para estabelecer a base para a estimativa do SOC.

Estimativa do estado de carga:A variação SOC do LIB pode ser expressa em função do tempo, e a contagem de Coulomb é o método básico de estimativa baseado nisso, mas há erros. Portanto, um Filtro de Kalman Estendido (EKF) é usado para estimativa de SOC. O EKF resolve efetivamente os desafios na estimativa de SOC, linearizando sistemas não lineares e combinando sinais de medição de corrente, tensão e temperatura. Seu algoritmo inclui duas etapas principais: previsão e atualização. Com base nas definições de Thevenin ECM e SOC, as equações de processo e medição são fornecidas no domínio do tempo discreto. EKF assume que o ruído do processo e o ruído de medição são processos independentes de ruído gaussiano de média zero e lineariza a função de medição por meio da matriz de Jacobi.

Análise de envelhecimento:Realize testes cíclicos em três baterias usando procedimentos de carregamento padrão e em duas baterias usando o algoritmo de carregamento MCC, com testes de capacidade e testes de resistência interna de corrente contínua (RiDC) a cada 50 ciclos. O teste de capacidade adota o programa de carregamento CCCV padrão para carregar e descarregar na corrente 1C até a tensão limite inferior. O teste RiDC aplica pulsos de corrente 1C em diferentes níveis SOC e mede a resistência interna. O grau de envelhecimento da bateria é descrito calculando o estado de saúde (SOH) da bateria, que é definido como a razão entre a capacidade real e a capacidade de referência inicial. O teste de envelhecimento é realizado até o fim da vida útil da bateria (80% SOH).

3. Resultados

Resultados da análise de características eletroquímicas

Mudanças no potencial do eletrodo em diferentes taxas 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 diminui gradualmente. Projeto do protocolo de carregamento do MCC: Com base nos resultados acima, uma curva de carregamento de corrente constante de vários estágios (MCC) foi projetada. A Figura 5 mostra os estágios de carregamento dependentes do SOC e a Tabela 3 resume os detalhes de cada estágio. Comparado com o protocolo de carregamento CCCV padrão, o protocolo MCC tem uma vantagem de tempo na faixa SOC baixa, carregar até 80% SOC é cerca de 30% mais rápido que o carregamento padrão e o carregamento MCC também é cerca de 10% mais rápido quando totalmente carregado.

Identificação de parâmetros e resultados de modelagem de bateria

Determinação dos parâmetros do modelo:Analise os resultados do teste HPPC no Matlab e use a função "fminsearch()" para determinar os parâmetros de tensão, resistência e capacitância do circuito aberto do modelo de bateria em diferentes temperaturas e níveis SOC. Analise o impacto da temperatura na capacidade da bateria, incorpore os resultados do teste de capacidade em uma tabela de consulta 2D relacionada à temperatura e descubra que o SOC tem influência limitada nos parâmetros do modelo. Para simplificar, considere-o como uma constante na fórmula.

Validação do modelo:O modelo da bateria e o estimador SOC são validados pela descarga completa da bateria de teste, seguida por testes dinâmicos de corrente em diferentes taxas de carregamento e níveis SOC. Simule a mesma sequência de teste no ambiente MATLAB/Simulink e compare-a com dados experimentais usando a avaliação do erro quadrático médio (RMSE). O RMSE da simulação de tensão é 7,09 mV. Embora haja um erro significativo quando a bateria está totalmente descarregada, o desempenho do modelo é robusto e pode capturar com precisão a dinâmica da tensão da bateria sob diferentes condições de carga.

Resultados do estimador SOC baseado em EKF:Verifique o estimador SOC baseado em EKF a 25 graus C e compare o valor SOC estimado pelo algoritmo EKF com o valor SOC de referência obtido pelo método de contagem de Coulomb. A corrente de teste tem resolução de 1 mA e precisão de 0,1%. Na fase inicial, houve um desvio entre o SOC estimado pela EKF e o SOC de referência. À medida que os testes progrediram rapidamente, o RMSE foi de 1,08%. O algoritmo foi capaz de rastrear o SOC com precisão, especialmente durante a fase de carregamento, e controlar com precisão a corrente de carregamento.

Resultados de desempenho de envelhecimento do algoritmo de cobrança MCC

Resultados do teste de envelhecimento:A Figura 10 mostra os resultados do teste de envelhecimento. Foram testadas três baterias de carregamento padrão e duas baterias de carregamento MCC, e o desvio entre cada grupo de baterias pode ser ignorado. Durante a fase inicial dos testes de envelhecimento (até 90% SOH), a taxa de envelhecimento do carregamento do MCC é ligeiramente mais lenta. Ao considerar o valor médio, as baterias carregadas do MCC atingem 80% de SOH no final da sua vida útil, cerca de 50 ciclos antes das baterias carregadas padrão, mas o efeito geral na taxa de envelhecimento não é significativo. A bateria carregada pelo MCC apresentou ligeira diminuição no SOH após 850 ciclos devido à interrupção dos testes.

Resultado da mudança de resistência interna:A figura mostra as mudanças na resistência interna total (R ₀+R ₁) da bateria sob dois protocolos de carregamento a 25 graus C e 50% SOC. A diferença na resistência inicial e no valor SOH se deve aos diferentes tempos de armazenamento da bateria. A resistência interna das baterias com ambos os métodos de carregamento diminuiu ligeiramente nos estágios iniciais de envelhecimento e depois aumentou com o envelhecimento. O algoritmo de carregamento do MCC não causou revestimento adicional de lítio, o que é consistente com os resultados do teste de capacidade, indicando que o algoritmo MCC mantém a integridade das características de envelhecimento da bateria.

4. Discussão e Resumo

Contribuição de pesquisa para tecnologia de carregamento de bateria MCC:Ao integrar estimadores SOC de alta precisão e aplicá-los a baterias cilíndricas comerciais (química de bateria NMC), é feita uma contribuição para a tecnologia de carregamento de bateria MCC. A integração bem-sucedida facilitou a transferência de limiares SOC precisos obtidos de experimentos com baterias de três eletrodos para o nível de bateria comercial, melhorando as aplicações práticas e preenchendo a lacuna entre os insights experimentais e a implementação industrial.

Algoritmo de carregamento MCC otimizado para envelhecimento:É introduzido um algoritmo de carregamento MCC dependente de SOC, otimizado para envelhecimento, que reduz o tempo de carregamento sem acelerar a degradação da bateria, reduzindo o risco de revestimento de lítio. Foi enfatizada a importância de combinar análises eletroquímicas, modelagem e técnicas de estimativa para enfrentar os principais desafios no carregamento de baterias, e o SOC foi usado como parâmetro de transferência para garantir que os resultados laboratoriais possam ser estendidos a aplicações industriais.

As vantagens do modo e protocolo de carregamento:O modo de carregamento ideal pode ser determinado através de baterias experimentais de três eletrodos, e o potencial anódico pode ser monitorado para detectar revestimento de lítio. O protocolo de carregamento MCC proposto combinado com o limite SOC obtido em experimentos é mais estável em comparação aos protocolos MCC tradicionais baseados em tensão e é menos afetado por fatores como mudanças de temperatura e histerese eletroquímica.

O papel e os resultados experimentais do estimador SOC:Foi desenvolvido um estimador SOC baseado em Filtro de Kalman Estendido (EKF), com RMSE de 1,08%, adequado para Sistemas de Gerenciamento de Bateria (BMS). Os resultados experimentais mostram que, em comparação com o método tradicional de carregamento de tensão constante de corrente constante (CC-CV), este método pode reduzir o tempo para atingir 80% SOC em 30% sem acelerar o processo de envelhecimento.