สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเชิงพาณิชย์: การวิเคราะห์อัลกอริธึมการชาร์จอย่างรวดเร็วของ MCC ที่ปรับให้เหมาะสมสำหรับการวัดอิเล็กโทรดสามอิเล็กโทรด

เชิงนามธรรม

บทความนี้เสนอวิธีการใหม่ที่ให้อัลกอริธึมการชาร์จกระแสคงที่ (MCC) แบบหลายขั้นตอนขึ้นอยู่กับสถานะการชาร์จที่มีความแม่นยำสูงสำหรับแบตเตอรี่รถยนต์ไฟฟ้า อัลกอริธึมนี้ช่วยลดเวลาในการชาร์จได้อย่างมากโดยหลีกเลี่ยงการชุบลิเธียม ในขณะที่ไม่เร่งกระบวนการชราภาพ ประการแรก ด้วยความช่วยเหลือของเทคโนโลยีการวัดอิเล็กโทรดสามชนิด ได้ทำการวิเคราะห์ความสัมพันธ์ระหว่างอัตราปัจจุบัน สถานะประจุ และการชุบลิเธียม และเสนออัลกอริธึมการชาร์จตามการพึ่งพา SOC (สถานะประจุ) ประการที่สอง อัลกอริธึมการประมาณค่า SOC โดยใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยายได้รับการพัฒนาในสภาพแวดล้อม MATLAB/Simulink เพื่อให้เกิดการประมาณค่า SOC ที่มีความแม่นยำสูงและการควบคุมกระบวนการชาร์จที่แม่นยำ ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าค่าความผิดพลาดรากเฉลี่ยกำลังสอง (RMSE) ของการประมาณ SOC คือ 1.08% และเวลาในการชาร์จลดลง 30% ในช่วง 0% ถึง 80% SOC

1. บทนำ

ปัจจัยที่มีอิทธิพลต่อเวลาในการชาร์จและข้อจำกัดของโปรโตคอลการชาร์จที่มีอยู่:ปริมาณการชาร์จสาธารณะทั่วโลกและส่วนแบ่งการชาร์จเร็วได้เพิ่มขึ้นในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แต่เวลาในการชาร์จไม่เพียงแต่ขึ้นอยู่กับความจุของเครื่องชาร์จเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับลักษณะของแบตเตอรี่ สภาพแวดล้อม และโปรโตคอลการชาร์จด้วย โปรโตคอลการชาร์จมาตรฐานสำหรับ LIB คือแรงดันไฟฟ้าคงที่ในปัจจุบัน (CC-CV) ซึ่งประกอบด้วยสองขั้นตอน: กระแสคงที่ (CC) และแรงดันไฟฟ้าคงที่ (CV) ระดับ CV ที่ยาวจะจำกัดการลดเวลาในการชาร์จทั้งหมด และกระแสไฟชาร์จที่สูงอาจนำไปสู่การชุบลิเธียม ซึ่งส่งผลต่ออายุการใช้งานและความปลอดภัยของแบตเตอรี่ ดังนั้นจึงไม่สามารถละเลยผลกระทบของโปรโตคอลการชาร์จที่มีต่ออายุการใช้งานแบตเตอรี่ได้

ความเป็นมาและข้อดีของโปรโตคอลการชาร์จกระแสคงที่แบบหลายขั้นตอน:เพื่อปรับสมดุลระหว่างเวลาในการชาร์จ ประสิทธิภาพ และอายุการใช้งานแบตเตอรี่ให้เหมาะสม จึงได้มีการเสนอโปรโตคอลการชาร์จหลายแบบ โดยมีโปรโตคอลการชาร์จกระแสคงที่แบบหลายขั้นตอน (MCC) ที่ได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง โปรโตคอล MCC สามารถลดเวลาในการชาร์จและยืดอายุวงจรแบตเตอรี่ได้ และการเปลี่ยนขั้นอาจขึ้นอยู่กับช่วง SOC หรือขีดจำกัดบนของแรงดันไฟฟ้า ความท้าทายหลักคือการกำหนดจำนวนระยะ CC อัตราปัจจุบัน และเงื่อนไขการแปลงที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการชาร์จ MCC ซึ่งสามารถแก้ไขได้โดยใช้วิธี Taguchi อัลกอริธึมการปรับให้เหมาะสม หรือโดยการตรวจจับการชุบ Li เพื่อกำหนดโหมดการชาร์จปัจจุบันที่เหมาะสมที่สุด

นวัตกรรมและโครงสร้างบทความของการศึกษาครั้งนี้

จุดนวัตกรรม:การศึกษานี้รวมเกณฑ์ SOC ที่ได้รับจากการทดลองแบตเตอรี่อิเล็กโทรดสามครั้งเข้ากับตัวประมาณค่า SOC ที่มีความแม่นยำสูงสำหรับอัลกอริธึมการชาร์จ MCC โดยพัฒนาแนวทางการชาร์จกระแสไฟที่ปรับขนาดได้สำหรับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์มาตรฐาน โดยไม่จำเป็นต้องใช้อิเล็กโทรดทางกายภาพตัวที่สามในการใช้งานและความจำเป็นที่กว้างขวาง การทดสอบแบตเตอรี่ในระหว่างขั้นตอนการพัฒนาโปรโตคอลการชาร์จ โดยมีเป้าหมายเพื่อลดเวลาในการชาร์จ และป้องกันการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่อย่างรวดเร็วอันเนื่องมาจากการชาร์จอย่างรวดเร็ว

โครงสร้างของบทความนี้:ประการแรก โหมดการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดได้รับการออกแบบโดยใช้วิธีอิเล็กโทรด 3 อิเล็กโทรด และแบตเตอรี่อิเล็กโทรด 3 อิเล็กโทรดทดลองถูกสร้างขึ้นใหม่จากแบตเตอรี่ 21700 NMC เชิงพาณิชย์ ประการที่สอง พัฒนาตัวประมาณค่า SOC ที่ใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยาย (EKF) ซึ่งเหมาะสมกับระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) จากนั้นทำการทดสอบแบตเตอรี่เพื่อตรวจสอบประสิทธิภาพของวิธีการ ทำการทดสอบอายุ และเปรียบเทียบโปรโตคอล MCC กับการชาร์จ CC-CV มาตรฐาน สุดท้ายนี้ให้ข้อสรุป

2. วัสดุและวิธีการ

การวิเคราะห์ลักษณะทางเคมีไฟฟ้า:ทำการวิเคราะห์การวัดอิเล็กโทรดสามครั้งบนอิเล็กโทรดของแบตเตอรี่ทรงกระบอกเชิงพาณิชย์ 21700 NMC ขั้นแรก ให้คายประจุแบตเตอรี่จนถึงแรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดล่างหลังจากผ่านไป 5 รอบมาตรฐานตามข้อกำหนดเฉพาะของผู้ผลิต เปิดแบตเตอรี่ในกล่องถุงมืออาร์กอน ถอดและประมวลผลอิเล็กโทรด และเตรียมแบตเตอรี่อิเล็กโทรด 3 ก้อน เนื่องจากคุณลักษณะของวัสดุอิเล็กโทรด LIB จึงจำเป็นต้องมีอิเล็กโทรดอ้างอิงเพิ่มเติมเพื่อสังเกตกระบวนการของอิเล็กโทรดทำงานและอิเล็กโทรดเคาน์เตอร์แยกกัน คุณลักษณะทางเคมีไฟฟ้าของแบตเตอรี่อิเล็กโทรดสามก้อนทดลองมีความคล้ายคลึงกับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ โดยการกำหนดพื้นที่เคลือบอิเล็กโทรดและความจุเฉพาะ ทำการทดสอบที่อัตราการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกัน การสังเกตศักย์ไฟฟ้าของขั้วบวกและแคโทด การกำหนด SOC ที่สำคัญของการชุบลิเธียมที่อัตรา C ที่แตกต่างกัน และการทำให้โปรโตคอล MCC เป็นมาตรฐานเพื่อให้นำไปใช้กับเชิงพาณิชย์ได้ แบตเตอรี่ การทดลองดำเนินการที่อุณหภูมิ 25 องศาเซลเซียส และจะต้องได้รับการตรวจสอบภายใต้สภาพแวดล้อมที่แตกต่างกันในอนาคต

การสร้างแบบจำลองแบตเตอรี่และการระบุพารามิเตอร์:การใช้โมเดลวงจรสมมูลของ Thevenin (ECM) กับ RC สาขาเดียวเพื่อจำลองคุณลักษณะทางไฟฟ้าของ LIB พารามิเตอร์โมเดล (รวมถึงแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด ความต้านทานโอห์มมิก ความต้านทานโพลาไรเซชัน และความจุ) จะถูกกำหนดอย่างแม่นยำโดยเพิ่ม SOC 10% ที่ อุณหภูมิที่แตกต่างกันและทิศทางการปล่อยประจุผ่านการทดสอบคุณลักษณะพลังงานพัลส์ไฮบริด (HPPC) ค่าพารามิเตอร์จะถูกรวบรวมลงในตารางการค้นหา 3 มิติเพื่อวางรากฐานสำหรับการประมาณค่า SOC

การประมาณสถานะการชาร์จ:ความแปรผันของ SOC ของ LIB สามารถแสดงเป็นฟังก์ชันของเวลาได้ และการนับคูลอมบ์เป็นวิธีการประมาณค่าพื้นฐานโดยอิงจากสิ่งนี้ แต่มีข้อผิดพลาดอยู่ ดังนั้นจึงใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยาย (EKF) สำหรับการประมาณค่า SOC EKF แก้ปัญหาความท้าทายในการประมาณค่า SOC ได้อย่างมีประสิทธิภาพโดยการทำให้ระบบไม่เชิงเส้นเป็นเส้นตรง และรวมสัญญาณการวัดกระแส แรงดัน และอุณหภูมิเข้าด้วยกัน อัลกอริธึมประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก: การทำนายและการอัปเดต ตามคำจำกัดความของ Thevenin ECM และ SOC สมการกระบวนการและการวัดจะได้รับในโดเมนเวลาที่ไม่ต่อเนื่อง EKF สันนิษฐานว่าเสียงรบกวนจากกระบวนการและเสียงในการวัดเป็นกระบวนการอิสระของสัญญาณรบกวนแบบเกาส์เซียนที่เป็นศูนย์ และทำให้ฟังก์ชันการวัดเป็นเส้นตรงผ่านเมทริกซ์จาโคบี

การวิเคราะห์อายุ:ทำการทดสอบแบบวนรอบกับแบตเตอรี่สามก้อนโดยใช้ขั้นตอนการชาร์จมาตรฐาน และแบตเตอรี่สองก้อนโดยใช้อัลกอริธึมการชาร์จ MCC พร้อมการทดสอบความจุและการทดสอบความต้านทานภายในกระแสตรง (RiDC) ทุกๆ 50 รอบ การทดสอบความจุใช้โปรแกรมการชาร์จ CCCV มาตรฐานเพื่อชาร์จและคายประจุที่กระแส 1C จนถึงแรงดันไฟฟ้าขีดจำกัดล่าง การทดสอบ RiDC ใช้พัลส์กระแส 1C ที่ระดับ SOC ต่างๆ และวัดความต้านทานภายใน ระดับการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่อธิบายได้โดยการคำนวณสภาวะสุขภาพ (SOH) ของแบตเตอรี่ ซึ่งกำหนดเป็นอัตราส่วนของความจุจริงต่อความจุอ้างอิงเริ่มต้น การทดสอบอายุจะดำเนินการจนกระทั่งหมดอายุการใช้งานแบตเตอรี่ (SOH 80%)

3. ผลลัพธ์

ผลการวิเคราะห์คุณลักษณะทางเคมีไฟฟ้า

การเปลี่ยนแปลงศักย์ไฟฟ้าของอิเล็กโทรดที่อัตรา C ต่างกัน: 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 ค่อยๆ ลดลง การออกแบบโปรโตคอลการชาร์จ MCC: จากผลลัพธ์ข้างต้น เส้นโค้งการชาร์จแบบกระแสคงที่ (MCC) แบบหลายขั้นตอนได้รับการออกแบบ รูปที่ 5 แสดงขั้นตอนการชาร์จที่ขึ้นกับ SOC และตารางที่ 3 สรุปรายละเอียดของแต่ละขั้นตอน เมื่อเปรียบเทียบกับโปรโตคอลการชาร์จ CCCV มาตรฐาน โปรโตคอล MCC มีข้อได้เปรียบด้านเวลาในช่วง SOC ต่ำ การชาร์จถึง 80% SOC จะเร็วกว่าการชาร์จมาตรฐานประมาณ 30% และการชาร์จ MCC จะเร็วขึ้นประมาณ 10% เมื่อชาร์จเต็มแล้ว

การระบุพารามิเตอร์และผลลัพธ์การสร้างแบบจำลองแบตเตอรี่

การกำหนดพารามิเตอร์โมเดล:วิเคราะห์ผลการทดสอบ HPPC ใน Matlab และใช้ฟังก์ชัน "fminsearch()" เพื่อกำหนดพารามิเตอร์แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด ความต้านทาน และความจุของรุ่นแบตเตอรี่ที่อุณหภูมิและระดับ SOC ที่แตกต่างกัน วิเคราะห์ผลกระทบของอุณหภูมิที่มีต่อความจุของแบตเตอรี่ รวมผลการทดสอบความจุไว้ในตารางค้นหา 2 มิติที่เกี่ยวข้องกับอุณหภูมิ และพบว่า SOC มีอิทธิพลอย่างจำกัดต่อพารามิเตอร์ของโมเดล เพื่อให้ง่ายขึ้น ให้พิจารณาว่าเป็นค่าคงที่ในสูตร

การตรวจสอบโมเดล:รุ่นแบตเตอรี่และตัวประมาณค่า SOC ได้รับการตรวจสอบโดยการคายประจุแบตเตอรี่ทดสอบจนหมด ตามด้วยการทดสอบกระแสไฟฟ้าแบบไดนามิกที่อัตราการชาร์จและระดับ SOC ที่แตกต่างกัน จำลองลำดับการทดสอบเดียวกันในสภาพแวดล้อม MATLAB/Simulink และเปรียบเทียบกับข้อมูลการทดลองโดยใช้การประเมินข้อผิดพลาดรูตเฉลี่ยกำลังสอง (RMSE) RMSE ของการจำลองแรงดันไฟฟ้าคือ 7.09 mV แม้ว่าจะมีข้อผิดพลาดที่สำคัญเมื่อแบตเตอรี่คายประจุจนหมด แต่ประสิทธิภาพของรุ่นนั้นแข็งแกร่งและสามารถจับการเปลี่ยนแปลงของแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำภายใต้สภาวะโหลดที่แตกต่างกัน

ผลลัพธ์ของตัวประมาณค่า SOC ตาม EKF:ตรวจสอบตัวประมาณค่า SOC ตาม EKF ที่ 25 องศา C และเปรียบเทียบค่า SOC ที่ประมาณโดยอัลกอริทึม EKF กับค่า SOC อ้างอิงที่ได้รับโดยวิธีการนับคูลอมบ์ กระแสไฟทดสอบมีความละเอียด 1 mA และความแม่นยำ 0.1% ในระยะเริ่มแรก มีความเบี่ยงเบนระหว่าง SOC โดยประมาณโดย EKF และ SOC อ้างอิง ในขณะที่การทดสอบดำเนินไปอย่างรวดเร็ว RMSE อยู่ที่ 1.08% อัลกอริธึมสามารถติดตาม SOC ได้อย่างแม่นยำ โดยเฉพาะในระหว่างขั้นตอนการชาร์จ และสามารถควบคุมกระแสการชาร์จได้อย่างแม่นยำ

ผลลัพธ์ประสิทธิภาพการเสื่อมสภาพของอัลกอริธึมการชาร์จ MCC

ผลการทดสอบอายุ:รูปที่ 10 แสดงผลการทดสอบความชรา มีการทดสอบการชาร์จมาตรฐานสามก้อนและแบตเตอรี่ชาร์จ MCC สองก้อน และสามารถละเว้นค่าเบี่ยงเบนระหว่างแบตเตอรี่แต่ละกลุ่มได้ ในช่วงแรกของการทดสอบอายุ (สูงถึง 90% SOH) อัตราการชราของการชาร์จ MCC จะช้าลงเล็กน้อย เมื่อพิจารณาค่าเฉลี่ย แบตเตอรี่ที่ชาร์จของ MCC จะมีค่า SOH ถึง 80% เมื่อสิ้นสุดอายุการใช้งานเร็วกว่าแบตเตอรี่ที่ชาร์จมาตรฐานประมาณ 50 รอบ แต่ผลกระทบโดยรวมต่ออัตราการเสื่อมสภาพไม่มีนัยสำคัญ แบตเตอรี่ที่ชาร์จโดย MCC มี SOH ลดลงเล็กน้อยหลังจากผ่านไป 850 รอบ เนื่องจากการทดสอบหยุดชะงัก

ผลการเปลี่ยนแปลงความต้านทานภายใน:รูปภาพนี้แสดงการเปลี่ยนแปลงของความต้านทานภายในทั้งหมด (R ₀+R ₁) ของแบตเตอรี่ภายใต้โปรโตคอลการชาร์จสองรูปแบบที่ 25 องศา C และ 50% SOC ความแตกต่างของความต้านทานเริ่มต้นและค่า SOH เนื่องมาจากระยะเวลาในการจัดเก็บแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน ความต้านทานภายในของแบตเตอรี่ที่มีวิธีการชาร์จทั้งสองวิธีลดลงเล็กน้อยในช่วงแรกของการเสื่อมสภาพ และเพิ่มขึ้นตามอายุ อัลกอริธึมการชาร์จ MCC ไม่ได้ทำให้เกิดการชุบลิเธียมเพิ่มเติม ซึ่งสอดคล้องกับผลการทดสอบความจุ ซึ่งบ่งชี้ว่าอัลกอริธึม MCC จะรักษาความสมบูรณ์ของลักษณะการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่

4. การอภิปรายและสรุป

ผลงานการวิจัยเกี่ยวกับเทคโนโลยีการชาร์จแบตเตอรี่ MCC:ด้วยการผสานรวมตัวประมาณค่า SOC ที่มีความแม่นยำสูงและนำไปใช้กับแบตเตอรี่ทรงกระบอกเชิงพาณิชย์ (เคมีของแบตเตอรี่ NMC) จึงมีคุณูปการต่อเทคโนโลยีการชาร์จ MCC ของแบตเตอรี่ การบูรณาการที่ประสบความสำเร็จได้อำนวยความสะดวกในการถ่ายโอนเกณฑ์ SOC ที่แม่นยำที่ได้รับจากการทดลองแบตเตอรี่อิเล็กโทรดสามครั้งไปยังระดับแบตเตอรี่เชิงพาณิชย์ ปรับปรุงการใช้งานจริง และเชื่อมช่องว่างระหว่างข้อมูลเชิงลึกเชิงทดลองและการใช้งานทางอุตสาหกรรม

อัลกอริธึมการชาร์จ MCC ที่ปรับให้เหมาะสมตามอายุ:มีการแนะนำอัลกอริธึมการชาร์จ MCC ที่ขึ้นกับ SOC ที่ได้รับการปรับให้เหมาะสมตามอายุ ซึ่งช่วยลดเวลาในการชาร์จโดยไม่เร่งการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่โดยลดความเสี่ยงในการชุบลิเธียม มีการเน้นย้ำถึงความสำคัญของการผสมผสานการวิเคราะห์ทางเคมีไฟฟ้า การสร้างแบบจำลอง และการประมาณค่าเพื่อจัดการกับความท้าทายที่สำคัญในการชาร์จแบตเตอรี่ และใช้ SOC เป็นพารามิเตอร์การถ่ายโอนเพื่อให้แน่ใจว่าผลลัพธ์จากห้องปฏิบัติการสามารถขยายไปสู่การใช้งานทางอุตสาหกรรมได้

ข้อดีของโหมดการชาร์จและโปรโตคอล:โหมดการชาร์จที่เหมาะสมที่สุดสามารถกำหนดได้จากแบตเตอรี่อิเล็กโทรดสามก้อนทดลอง และสามารถตรวจสอบศักยภาพของแอโนดเพื่อตรวจจับการชุบลิเธียม โปรโตคอลการชาร์จ MCC ที่นำเสนอรวมกับเกณฑ์ SOC ที่ได้รับจากการทดลองมีความเสถียรมากกว่าเมื่อเทียบกับโปรโตคอล MCC ที่ใช้แรงดันไฟฟ้าแบบดั้งเดิม และได้รับผลกระทบน้อยกว่าจากปัจจัยต่างๆ เช่น การเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิและฮิสเทรีซิสเคมีไฟฟ้า

บทบาทและผลการทดลองของตัวประมาณค่า SOC:ตัวประมาณค่า SOC ที่ใช้ตัวกรองคาลมานแบบขยาย (EKF) ได้รับการพัฒนา โดยมี RMSE อยู่ที่ 1.08% ซึ่งเหมาะสำหรับระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ผลการทดลองแสดงให้เห็นว่าเมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการชาร์จด้วยแรงดันคงที่ในปัจจุบัน (CC-CV) แบบเดิม วิธีนี้สามารถลดเวลาในการไปถึง 80% SOC ได้ถึง 30% โดยไม่ต้องเร่งกระบวนการชราภาพ