Đối với pin lithium-ion thương mại: Phân tích thuật toán sạc nhanh MCC được tối ưu hóa cho phép đo ba điện cực

Tóm tắt

Bài viết này đề xuất một phương pháp mới cung cấp thuật toán sạc dòng điện không đổi nhiều giai đoạn (MCC) phụ thuộc trạng thái sạc có độ chính xác cao cho ắc quy xe điện. Thuật toán này giúp giảm đáng kể thời gian sạc bằng cách tránh mạ lithium, đồng thời không đẩy nhanh quá trình lão hóa. Đầu tiên, với sự trợ giúp của công nghệ đo ba điện cực, mối quan hệ giữa tốc độ dòng điện, trạng thái điện tích và lớp mạ lithium đã được phân tích thực nghiệm và đề xuất thuật toán sạc dựa trên sự phụ thuộc SOC (Trạng thái sạc). Thứ hai, thuật toán ước tính SOC dựa trên bộ lọc Kalman mở rộng đã được phát triển trong môi trường MATLAB/Simulink để đạt được ước tính SOC có độ chính xác cao và kiểm soát chính xác quá trình sạc. Kết quả thử nghiệm cho thấy sai số bình phương trung bình gốc (RMSE) của ước tính SOC là 1.08% và thời gian sạc giảm 30% trong khoảng từ 0% đến 80% SOC.

1. Giới thiệu

Các yếu tố ảnh hưởng đến thời gian sạc và hạn chế của các giao thức sạc hiện có:Số lượng sạc công cộng toàn cầu và tỷ lệ sạc nhanh đã tăng lên trong thập kỷ qua, nhưng thời gian sạc không chỉ phụ thuộc vào dung lượng bộ sạc mà còn phụ thuộc vào đặc tính của pin, điều kiện môi trường và giao thức sạc. Giao thức sạc tiêu chuẩn cho LIB là điện áp không đổi dòng không đổi (CC-CV), bao gồm hai giai đoạn: dòng không đổi (CC) và điện áp không đổi (CV). Giai đoạn CV dài hạn chế việc giảm tổng thời gian sạc và dòng sạc cao có thể dẫn đến mạ lithium, ảnh hưởng đến tuổi thọ và độ an toàn của pin. Do đó, không thể bỏ qua tác động của giao thức sạc đến tuổi thọ pin.

Cơ sở nghiên cứu và ưu điểm của giao thức sạc dòng không đổi nhiều giai đoạn:Để tối ưu hóa sự cân bằng giữa thời gian sạc, hiệu suất và tuổi thọ pin, nhiều giao thức sạc đã được đề xuất, trong đó giao thức sạc dòng không đổi nhiều giai đoạn (MCC) đã được nghiên cứu rộng rãi. Giao thức MCC có thể giảm thời gian sạc và kéo dài tuổi thọ của pin, đồng thời quá trình chuyển đổi giai đoạn của nó có thể dựa trên khoảng SOC hoặc giới hạn trên của điện áp. Thách thức chính là xác định số lượng giai đoạn CC, tốc độ hiện tại và điều kiện chuyển đổi tối ưu để sạc MCC, có thể giải quyết bằng phương pháp Taguchi, thuật toán tối ưu hóa hoặc bằng cách phát hiện lớp mạ Li để xác định chế độ dòng sạc tối ưu.

Sự đổi mới và cấu trúc bài viết của nghiên cứu này

Điểm đổi mới:Nghiên cứu này tích hợp ngưỡng SOC thu được từ ba thí nghiệm pin điện cực với công cụ ước tính SOC có độ chính xác cao cho thuật toán sạc MCC, phát triển hướng dẫn dòng sạc có thể mở rộng cho pin thương mại tiêu chuẩn, loại bỏ nhu cầu về điện cực vật lý thứ ba trong các ứng dụng và nhu cầu mở rộng kiểm tra pin trong giai đoạn phát triển giao thức sạc, nhằm giảm thời gian sạc và ngăn chặn tình trạng lão hóa pin nhanh do sạc nhanh.

Cấu trúc của bài viết này:Thứ nhất, chế độ sạc tối ưu được thiết kế bằng phương pháp ba điện cực và pin ba điện cực thử nghiệm được tái tạo từ pin 21700 NMC thương mại; Thứ hai, phát triển công cụ ước tính SOC dựa trên bộ lọc Kalman (EKF) mở rộng phù hợp với hệ thống quản lý pin (BMS); Sau đó tiến hành kiểm tra pin để xác minh hiệu suất của phương pháp, thực hiện kiểm tra lão hóa và so sánh giao thức MCC với sạc CC-CV tiêu chuẩn; Cuối cùng, đưa ra kết luận.

2. Vật liệu và phương pháp

Phân tích đặc tính điện hóa:Tiến hành phân tích phép đo ba điện cực trên điện cực của pin hình trụ thương mại 21700 NMC. Đầu tiên, xả pin về điện áp giới hạn dưới sau 5 chu kỳ tiêu chuẩn theo thông số kỹ thuật của nhà sản xuất. Mở pin trong hộp găng tay argon, tháo và xử lý các điện cực, đồng thời chuẩn bị pin ba điện cực. Do đặc tính của vật liệu điện cực LIB, cần có thêm các điện cực tham chiếu để quan sát các quá trình của điện cực làm việc và điện cực đếm riêng biệt. Các đặc tính điện hóa của pin ba điện cực thử nghiệm tương tự như pin thương mại. Bằng cách xác định diện tích lớp phủ điện cực và công suất cụ thể, tiến hành thử nghiệm ở các tốc độ sạc và phóng điện khác nhau, quan sát điện thế cực dương và cực âm, xác định SOC tới hạn của lớp mạ lithium ở các tốc độ C khác nhau và chuẩn hóa giao thức MCC để áp dụng cho mục đích thương mại. pin, thí nghiệm được tiến hành ở nhiệt độ 25 độ C và sẽ cần được xác nhận trong các điều kiện môi trường khác nhau trong tương lai.

Mô hình pin và nhận dạng thông số:Sử dụng mô hình mạch tương đương Thevenin (ECM) với một nhánh RC duy nhất để mô phỏng các đặc tính điện của LIB, các tham số của mô hình (bao gồm điện áp mạch hở, điện trở ohmic, điện trở phân cực và điện dung) được xác định chính xác theo gia số 10% SOC tại nhiệt độ khác nhau và hướng phóng điện thông qua thử nghiệm đặc tính công suất xung lai (HPPC). Các giá trị tham số được tổng hợp thành bảng tra cứu 3D để làm nền tảng cho việc ước tính SOC.

Ước tính trạng thái phí:Biến thể SOC của LIB có thể được biểu thị dưới dạng hàm của thời gian và tính Coulomb là phương pháp ước tính cơ bản dựa trên điều này, nhưng vẫn có sai sót. Do đó, Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) được sử dụng để ước tính SOC. EKF giải quyết hiệu quả các thách thức trong ước tính SOC bằng cách tuyến tính hóa các hệ thống phi tuyến và kết hợp các tín hiệu đo dòng điện, điện áp và nhiệt độ. Thuật toán của nó bao gồm hai bước chính: dự đoán và cập nhật. Dựa trên các định nghĩa Thevenin ECM và SOC, các phương trình quá trình và đo lường được đưa ra trong miền thời gian rời rạc. EKF giả định rằng nhiễu quá trình và nhiễu đo lường là các quá trình nhiễu Gaussian trung bình bằng 0 độc lập và tuyến tính hóa hàm đo thông qua ma trận Jacobi.

Phân tích lão hóa:Tiến hành kiểm tra theo chu kỳ trên ba pin bằng quy trình sạc tiêu chuẩn và hai pin bằng thuật toán sạc MCC, với kiểm tra công suất và kiểm tra điện trở trong dòng điện một chiều (RiDC) cứ sau 50 chu kỳ. Kiểm tra công suất áp dụng chương trình sạc CCCV tiêu chuẩn để sạc và xả ở dòng điện 1C đến điện áp giới hạn thấp hơn. Thử nghiệm RiDC áp dụng các xung dòng điện 1C ở các mức SOC khác nhau và đo điện trở trong. Mức độ lão hóa của pin được mô tả bằng cách tính toán trạng thái sức khỏe (SOH) của pin, được định nghĩa là tỷ lệ giữa dung lượng thực tế và dung lượng tham chiếu ban đầu. Thử nghiệm lão hóa được tiến hành cho đến khi hết tuổi thọ pin (80% SOH).

3. Kết quả

Kết quả phân tích đặc tính điện hóa

Sự thay đổi thế điện cực ở các tốc độ C khác nhau: 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 giảm dần. Thiết kế giao thức sạc MCC: Dựa trên các kết quả trên, đường cong sạc dòng điện không đổi nhiều giai đoạn (MCC) đã được thiết kế. Hình 5 hiển thị các giai đoạn sạc phụ thuộc SOC và Bảng 3 tóm tắt chi tiết về từng giai đoạn. So với giao thức sạc CCCV tiêu chuẩn, giao thức MCC có lợi thế về thời gian ở phạm vi SOC thấp, sạc đến 80% SOC nhanh hơn khoảng 30% so với sạc tiêu chuẩn và sạc MCC cũng nhanh hơn khoảng 10% khi được sạc đầy.

Kết quả nhận dạng tham số và mô hình pin

Xác định tham số mô hình:Phân tích kết quả kiểm tra HPPC trong Matlab và sử dụng hàm "fminsearch()" để xác định các thông số điện áp, điện trở và điện dung mạch hở của mẫu pin ở các nhiệt độ và mức SOC khác nhau. Phân tích tác động của nhiệt độ đến dung lượng pin, kết hợp các kết quả kiểm tra dung lượng vào bảng tra cứu 2D liên quan đến nhiệt độ và nhận thấy rằng SOC có ảnh hưởng hạn chế đến các thông số mô hình. Để đơn giản hóa, hãy coi nó như một hằng số trong công thức.

Xác nhận mô hình:Kiểu pin và công cụ ước tính SOC được xác thực bằng cách xả hết pin thử nghiệm, sau đó là thử nghiệm dòng điện động ở các tốc độ sạc và mức SOC khác nhau. Mô phỏng trình tự kiểm tra tương tự trong môi trường MATLAB/Simulink và so sánh nó với dữ liệu thực nghiệm bằng cách sử dụng đánh giá lỗi bình phương trung bình gốc (RMSE). RMSE của mô phỏng điện áp là 7,09 mV. Mặc dù có lỗi đáng kể khi pin được xả hết, nhưng hiệu suất của mô hình rất mạnh mẽ và có thể nắm bắt chính xác động lực điện áp của pin trong các điều kiện tải khác nhau.

Kết quả ước tính SOC dựa trên EKF:Xác minh công cụ ước tính SOC dựa trên EKF ở 25 độ C và so sánh giá trị SOC được ước tính bằng thuật toán EKF với giá trị SOC tham chiếu thu được bằng phương pháp đếm Coulomb. Dòng điện thử nghiệm có độ phân giải 1 mA và độ chính xác là 0,1%. Ở giai đoạn đầu, có sự sai lệch giữa SOC ước tính của EKF và SOC tham chiếu. Khi quá trình thử nghiệm diễn ra nhanh chóng, RMSE là 1,08%. Thuật toán có thể theo dõi chính xác SOC, đặc biệt là trong giai đoạn sạc và có thể kiểm soát chính xác dòng sạc.

Kết quả hiệu suất lão hóa của thuật toán sạc MCC

Kết quả kiểm tra lão hóa:Hình 10 cho thấy kết quả kiểm tra lão hóa. Ba pin sạc tiêu chuẩn và hai pin sạc MCC đã được thử nghiệm và có thể bỏ qua độ lệch giữa mỗi nhóm pin. Trong giai đoạn đầu của quá trình thử nghiệm lão hóa (lên tới 90% SOH), tốc độ sạc MCC chậm hơn một chút. Khi xem xét giá trị trung bình, pin sạc MCC đạt 80% SOH khi hết tuổi thọ sớm hơn khoảng 50 chu kỳ so với pin sạc tiêu chuẩn, nhưng ảnh hưởng tổng thể đến tốc độ lão hóa là không đáng kể. Pin do MCC sạc cho thấy SOH giảm nhẹ sau 850 chu kỳ do quá trình thử nghiệm bị gián đoạn.

Kết quả thay đổi điện trở trong:Hình này cho thấy sự thay đổi về tổng điện trở trong (R ₀+R ₁) của pin theo hai giao thức sạc ở 25 độ C và 50% SOC. Sự khác biệt về điện trở ban đầu và giá trị SOH là do thời gian bảo quản pin khác nhau. Điện trở trong của pin với cả hai phương pháp sạc giảm nhẹ trong giai đoạn đầu của quá trình lão hóa và sau đó tăng lên khi lão hóa. Thuật toán sạc MCC không gây ra lớp mạ lithium bổ sung, điều này phù hợp với kết quả kiểm tra dung lượng, cho thấy thuật toán MCC duy trì tính toàn vẹn của các đặc tính lão hóa của pin.

4. Thảo luận và tóm tắt

Đóng góp nghiên cứu cho công nghệ sạc pin MCC:Bằng cách tích hợp các công cụ ước tính SOC có độ chính xác cao và áp dụng chúng cho pin hình trụ thương mại (hóa học pin NMC), góp phần tạo nên công nghệ sạc pin MCC. Việc tích hợp thành công đã tạo điều kiện thuận lợi cho việc chuyển các ngưỡng SOC chính xác thu được từ ba thí nghiệm pin điện cực sang mức pin thương mại, nâng cao các ứng dụng thực tế và thu hẹp khoảng cách giữa hiểu biết thực nghiệm và triển khai công nghiệp.

Thuật toán tính phí MCC được tối ưu hóa lão hóa:Thuật toán sạc MCC phụ thuộc SOC được tối ưu hóa lão hóa được giới thiệu, giúp giảm thời gian sạc mà không làm tăng tốc độ xuống cấp của pin bằng cách giảm rủi ro mạ lithium. Tầm quan trọng của việc kết hợp các kỹ thuật phân tích điện hóa, mô hình hóa và ước tính để giải quyết các thách thức chính trong việc sạc pin đã được nhấn mạnh và SOC được sử dụng làm thông số truyền để đảm bảo rằng kết quả trong phòng thí nghiệm có thể được mở rộng sang các ứng dụng công nghiệp.

Ưu điểm của chế độ và giao thức sạc:Chế độ sạc tối ưu có thể được xác định thông qua ba pin điện cực thử nghiệm và điện thế cực dương có thể được theo dõi để phát hiện lớp mạ lithium. Giao thức sạc MCC được đề xuất kết hợp với ngưỡng SOC thu được từ các thử nghiệm ổn định hơn so với giao thức MCC dựa trên điện áp truyền thống và ít bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như thay đổi nhiệt độ và độ trễ điện hóa.

Vai trò và kết quả thử nghiệm của công cụ ước tính SOC:Công cụ ước tính SOC dựa trên Bộ lọc Kalman mở rộng (EKF) đã được phát triển, với RMSE là 1,08%, phù hợp với Hệ thống quản lý pin (BMS). Kết quả thử nghiệm cho thấy so với phương pháp sạc điện áp không đổi dòng không đổi (CC-CV) truyền thống, phương pháp này có thể giảm 30% thời gian để đạt 80% SOC mà không đẩy nhanh quá trình lão hóa.