Abstrak
Untuk memastikan kinerja baterai litium-ion yang lebih baik dalam aplikasi seperti kendaraan listrik, perlu menggunakan sistem manajemen baterai (BMS) untuk memantau statusnya. Untuk itu diperlukan alat non-invasif untuk memantau baterai pada skala elektroda. Artikel ini mengusulkan metode untuk mengekstraksi informasi elektroda (potensi kesetimbangan, kapasitas, dan laju litasi sebagai fungsi status pengisian baterai) dari pengisian dan pengosongan baterai. Model pseudo OCV digunakan untuk menentukan informasi ini, yang dapat mengurangi bias terkait tegangan berlebih baterai. Keakuratan parameter yang diperlukan dalam pengukuran rata-rata pseudo OCV (antara pengosongan dan pengisian) baterai lithium-ion LFP/grafit adalah sekitar 1 mV. Metode ini dapat digunakan untuk kimia baterai apa pun.
1. Pendahuluan
Permintaan untuk pemantauan LIB:Penggunaan baterai lithium-ion dalam aplikasi seperti kendaraan listrik memerlukan sistem manajemen baterai (BMS) untuk memantau statusnya guna memastikan keselamatan, kinerja yang lebih baik, dan umur yang panjang.
Kekurangan dan Peningkatan Pemantauan Tradisional:Secara tradisional, LIB dipantau secara 'keseluruhan', tanpa informasi apa pun tentang keadaan internalnya. Faktanya, baterai lithium-ion terdiri dari beberapa komponen internal termasuk elektroda positif dan negatif, elektrolit, dan pemisah. Artikel ini bertujuan untuk memantau status elektroda LIB untuk kontrol yang lebih baik, dengan fokus pada penentuan kapasitas elektroda dan potensial kesetimbangan sebagai fungsi status pengisian daya baterai (SOC).
Artikel ini memberikan ikhtisar metode ini:Sebuah metode berdasarkan model pseudo OCV diusulkan untuk menentukan keadaan elektroda LIBS. Ciri dari metode ini adalah menggunakan nilai rata-rata pengukuran OCV semu baterai dan kurva acuan rata-rata potensial kesetimbangan elektroda. Artikel ini menjelaskan komposisi OCV semu LIB di Bagian 2 dan menetapkan persamaan matematika terkait dengan parameter keadaan elektroda dan OCV semu; Pada Bagian 3, metode untuk menentukan parameter elektroda diperkenalkan; Hasil dari metode ini dievaluasi di Bagian 4.
2. Karakteristik LIB semu OCV
2.1 Pengertian dan Pemodelan Pseudo OCV
Definisi:Pseudo OCV (pOCV) adalah tegangan baterai ketika tegangan berlebih baterai (η) sama dengan beberapa puluh milivolt (yaitu pada arus yang sangat rendah), dan OCV mewakili tegangan kesetimbangan baterai.
Faktor yang mempengaruhi:OCV bervariasi menurut status pengisian daya (SOC) dan suhu T baterai, termasuk kontribusi berbagai fenomena internal seperti efek Ohmik (transportasi ion litium dalam elektrolit dan elektron dalam elektroda, konektor listrik eksternal, dll.) dan efek dinamis (transfer dan difusi muatan litium pada setiap elektroda). η juga dipengaruhi oleh suhu, SOC, dan riwayat baterai (pengisian dan pengosongan baterai serta status kesehatannya), sehingga pOCV juga bervariasi menurut parameter ini. Artikel ini terutama berfokus pada ketergantungannya pada SOC, sementara parameter lainnya dianggap konstan. SOC dihitung menggunakan rumus:
Hitung, SOCinit adalah keadaan pengisian awal, I adalah arus yang diukur, dan t mewakili waktu.
2.2 Tegangan seimbang
Keterangan:OCV baterai adalah perbedaan antara potensial keseimbangan (OCP) dari elektroda positif dan negatif. Subskrip PE dan NE masing-masing mewakili elektroda positif dan negatif. x dan y adalah laju litasi elektroda, yang didefinisikan sebagai rasio keadaan muatan terhadap kapasitasnya. Kapasitas elektroda terkait dengan desain spesifik dan sifat elektrokimianya. OCP suatu elektroda adalah jumlah listrik yang diukur dalam kesetimbangan relatif terhadap elektroda referensi (biasanya menggunakan elektroda litium logam (Li+/Li) sebagai elektroda referensi), yang bervariasi secara nonlinier dengan laju litasi dan dipengaruhi oleh penggunaan elektroda. sejarah (histeresis). Kurva OCP dapat menampilkan satu atau lebih dataran tinggi, yang jumlahnya bergantung pada komposisi kimia elektroda.
Posisi di LIB sebenarnya:Gambar 3 menunjukkan OCP elektroda (dibandingkan dengan laju lithiasi) dan kurva OCV baterai (dibandingkan dengan SOC baterai) di LIB sebenarnya. Ketika SOC baterai meningkat (selama pengisian), x meningkat dan y menurun karena ion litium berpindah dari elektroda positif ke elektroda negatif (berlawanan selama pengosongan). Oleh karena itu, kurva OCPPE pada Gambar 3 terbalik dibandingkan dengan Gambar 2. Cbat adalah kapasitas baterai, didefinisikan sebagai nilai maksimum SOC (saat baterai terisi penuh atau kosong), ybat, 100% adalah laju litasi PE saat baterai terisi penuh (saat SOCmax=Cbat), xbat, 0% adalah laju litasi NE saat baterai terisi penuh (saat SOCmin=0 Ah), dan batas tegangan baterai minimum (2,5 V) dan maksimum (3,6 V) masing-masing sesuai dengan status baterai kosong dan terisi penuh.
Untuk LIB sebenarnya, elektroda tidak dapat dimanfaatkan sepenuhnya. Saat baterai terisi penuh, tingkat litasi ybat PE mendekati 100% (yaitu 1-ybat, 100% mendekati 1, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3). Ketika baterai benar-benar habis, tingkat lithiasi xbat NE juga mendekati 0%. Secara umum, kapasitas desain CNE dari NE lebih besar dari kapasitas CPE dari PE, sehingga kurva OCPNE (dalam Ah) pada Gambar 3 lebih besar dari pada OCPPE. Kapasitas NE yang sangat besar mencegah laju litasi x mencapai 1 pada LIB aktual, menghindari OCP turun hingga 0 V Li+/Li (lihat Gambar 3, x=1), yang merupakan nilai potensial reaksi (disebut litium plating) yang tidak diinginkan LIB terjadi. Dari Gambar 3, dapat ditentukan hubungan antara SOC baterai, x, dan y, sehingga memungkinkan penghitungan SOC baterai menggunakan persamaan (3) dan (4). Persamaan (5) dan (6) mewakili x dan y berdasarkan SOC dan parameter lainnya. Selain itu, elektroda OCP dapat diintegrasikan ke dalam ekspresi pOCV dengan mencampurkan persamaan (2) dan (1).
3. Metode pengenalan keadaan elektroda
Parameter dan Pengukuran:Pada bagian sebelumnya, telah diklarifikasi bahwa parameter yang menentukan status elektroda (elektroda OCP, xbat, 0%, ybat, 100%, CNE, dan CPE) semuanya termasuk dalam OCV semu baterai. Untuk menentukan parameter ini, pengukuran pengosongan atau pengisian pOCV baterai dan kurva OCP elektroda referensi dapat digunakan untuk mengidentifikasi parameter melalui pemasangan kuadrat terkecil nonlinier.
Masukkan data dan fungsi tujuan:Data masukannya meliputi mempelajari hubungan antara nilai pengukuran pseudo OCV dengan SOC baterai pada saat pengisian dan pengosongan, sehingga diperoleh nilai rata-rata pengukuran pseudo OCV (pOCVavg.meas (SOC)). Dari Gambar 4 (b), terlihat bahwa tegangan lebih pada kurva pelepasan meningkat menuju SOC rendah, sedangkan tegangan lebih pada kurva muatan meningkat menuju SOC tinggi. Oleh karena itu, ∆ η meningkat dari SOC baterai rendah dan tinggi. Hanya fokus pada area yang mencakup tiga platform (lihat Gambar 4 (a)), di mana informasi berguna dapat diekstraksi, dan ∆ η tiga kali lebih kecil dari tegangan lebih pelepasan dan pengisian daya. Selain itu, dapat diamati bahwa terdapat pergeseran platform yang signifikan antara kurva pOCV dan OCV. Dengan membandingkan nilai rata-rata pOCV dan OCV, pergeseran tersebut sangat berkurang, yang menegaskan bahwa seperti yang diharapkan, kontribusi ∆ η pada rata-rata pOCV dapat diabaikan.
Langkah-langkah algoritma:Gambar 5 menunjukkan langkah-langkah algoritma yang berbeda, menggunakan fungsi optimasi kuadrat terkecil nonlinier lsqnonlin dari perangkat lunak Matlab. Parameter xbat, 0% dan ybat, 100% dibatasi antara 0 dan 1 dan diinisialisasi ke nol. CNE dan CPE diinisialisasi ke Cbat dan dibatasi sebagai berikut: untuk CNE, antara Cbat dan 1.4Cnom; Untuk CPE antara Cbat dan 1,2Cnom (Cnom adalah kapasitas baterai yang disediakan oleh pabrikan). Dalam algoritma, perkiraan OCP elektroda direpresentasikan sebagai fungsi SOC baterai dengan cara berikut:
4. Hasil dan Pembahasan
Pengaturan eksperimental:Untuk mengevaluasi metode yang diusulkan, penelitian dilakukan pada LIB A123Systems. Baterai memiliki kapasitas nominal (Cnom) 2,3Ah dan berbentuk silinder (ukuran 18650), terdiri dari elektroda negatif grafit dan elektroda positif LFP. Pada penelitian ini, hasil awal pengujian pengukuran pOCV yang dilakukan pada muatan C/25 (92mA) dan debit C/25 menunjukkan bahwa kapasitas baterai Cbat kurang lebih 93% dari Cnom. Pengujian ini dilakukan pada suhu kamar (25 derajat C) dan tegangan minimum dan maksimum baterai dibatasi masing-masing pada 2,5V dan 3,6V.
Tampilan hasil:Gambar 6 menunjukkan hasil penerapan metode ini dalam studi baterai. Pada Gambar 6 (a), kurva OCP rata-rata elektroda baterai sesuai dengan luas antara dua garis vertikal terputus-putus berwarna hitam. Estimasi rata-rata OCV (OCVest.avg) (kurva hijau) mewakili perbedaan antara kurva OCPavg, PE, dan OCPavg, NE di wilayah tersebut. Dari Gambar 6 (b), dapat diamati bahwa dalam estimasi kurva OCVest.avg, kemiringan menuju tegangan tinggi antara dua platform terakhir diperhalus karena kelancaran kurva OCPNE, rata-rata (lihat Gambar 6 (a)) . Secara keseluruhan, perkiraan kurva OCVest.avg lebih mendekati nilai rata-rata pengukuran pOCV. Root mean square error (RMSE) antara pengukuran pOCV rata-rata dan estimasi rata-rata OCV kurang dari 1mV (kira-kira 00,87mV), dan ini dapat diterima.
Hasil parameter:Tingkat lithiasi yang diperoleh xbat, {{0}}% dan ybat, 100% hampir sama dengan 0,024 (nilai mendekati 0). Nilai kapasitas CPE dan CNE masing-masing 10% dan 30% lebih besar dari nilai Cbat (yaitu elektroda positif dan negatif pada baterai tidak digunakan masing-masing sekitar 10% dan 30%). Nilai CNE sekitar 24% lebih tinggi dibandingkan CPE. Dari sudut pandang fisik, kita dapat mengamati bahwa urutan besaran keempat parameter ini mempunyai arti. Kemudian, nilai-nilai ini dapat digunakan untuk menentukan OCP elektroda sebagai fungsi SOC baterai untuk pengisian dan pengosongan, masing-masing, dari kurva referensi OCP elektroda menggunakan persamaan (8) dan (9).
5. Ringkasan
Ringkasan Metode:Artikel ini mengusulkan metode untuk mengekstraksi potensial kesetimbangan, kapasitas, dan laju litasi elektroda LIBs sebenarnya. Metode ini menggunakan model pseudo OCV dan menentukan parameter ini melalui pemasangan kuadrat terkecil nonlinier. Hal ini dicapai dengan mempelajari rata-rata (antara pengisian dan pengosongan) pengukuran LIB pseudo OCV dan kurva referensi elektroda OCP.
Prospek aplikasi:Metode ini telah diterapkan pada LFP/LIB grafit komersial, dan hasil yang diperoleh memuaskan dari segi akurasi. Ini dapat dengan mudah digunakan untuk mendiagnosis LIB dengan melacak evolusi parameter yang ditentukan selama masa pakai baterai, khususnya kapasitas elektroda (CPE dan CNE) dan laju litasi (ybat, 100% dan xbat, 0%).