Abstraktus
Atsparumas yra vienas iš pagrindinių ličio jonų (Ličio jonų) akumuliatorių našumo matavimo parametrų, kuris gali atspindėti akumuliatoriaus efektyvumą ir galią. Kaip ir kiti ličio jonų baterijų veikimo parametrai, atsparumą veikia eksploatavimo sąlygos ir jis didėja senstant. Siekiant užfiksuoti šias priklausomybes, tradicinis metodas yra naudoti sintetinius užduočių konfigūracijos failus, kad būtų galima seninti ličio jonų baterijas skirtingomis sąlygomis ir periodiškai nutraukti senėjimo testus, kad būtų galima išmatuoti atsparumą standartinėmis sąlygomis. Nors šiuo metodu galima gauti tikslius duomenis apie atsparumo elgseną, šie duomenys dažnai negali visiškai atspindėti pasipriešinimo pokyčių praktiškai. Todėl šiame straipsnyje siūlomas naujas metodas, kuris gali tiesiogiai išgauti, modeliuoti ir numatyti atsparumą iš akumuliatoriaus dinaminio užduočių konfigūracijos failo. Šiame procese atsparumo išgavimas daugiausia priklauso nuo duomenų apdorojimo ir įrašymo, o modeliuojant ir prognozuojant naudojami logaritminiai tiesiniai modeliai. Šis metodas gali tiksliau imituoti ir numatyti akumuliatorių varžos pokyčius tikromis naudojimo sąlygomis, suteikiant naują perspektyvą baterijos veikimo įvertinimui ir eksploatacijos prognozei.
1. Įvadas
1.1 Ličio jonų akumuliatorių vidinės varžos svarba ir savybės
Pagrindiniai našumo ir taikymo parametrai:Vidinė varža, kaip ir talpa, yra svarbus parametras, apibūdinantis ličio jonų baterijų veikimą ir eksploatavimo trukmę. Tokiose programose kaip atsinaujinančios energijos kaupimas ir elektra varomos transporto priemonės vidinė varža naudojama akumuliatorių galios talpai nustatyti ir yra labai svarbi siekiant optimizuoti akumuliatorių sistemų konstrukciją, kad jos atitiktų techninius ir ekonominius reikalavimus. Tuo tarpu vidinė varža taip pat yra pagrindinis akumuliatoriaus elektrinio ir šiluminio modeliavimo parametras, atitinkamai apibūdinantis akumuliatoriaus dinaminį ir šildymo elgesį.
Netiesiniai ir įtakojantys veiksniai:Ličio jonų akumuliatorių vidinė varža yra labai netiesinė ir jai įtakos turi darbinė temperatūra, apkrovos srovė ir akumuliatoriaus įkrovimo būsena (SOC). Be to, ilgai veikiant, vidinis pasipriešinimas sensta laikui bėgant.
Tradiciniai matavimo metodai ir jų apribojimai:Ličio jonų akumuliatorių vidinei varžai nustatyti yra įvairių metodų, tarp kurių dažniausiai naudojama srovės impulsų technologija. Taikant akumuliatoriui tam tikrą amplitudę ir ilgį įkrovimo ir iškrovimo srovę, užfiksuojama akumuliatoriaus įtampos reakcija, o tada pagal Omo dėsnį apskaičiuojama vidinė varža. Šis metodas gali būti sėkmingai naudojamas laboratorinėmis sąlygomis nustatant akumuliatorių vidinę varžą skirtingomis sąlygomis ir sekant vidinės varžos pokyčius senėjimo proceso metu. Tačiau pagrindinis jo trūkumas yra tas, kad prieš matavimą akumuliatorius turi būti tuščiosios eigos režimu bent 15 minučių, kad būtų pasiektas termodinaminis stabilumas, kuris praktiškai yra ribotas dėl techniškai ir ekonomiškai neįmanomų ličio jonų saugojimo sistemų prastovų.
1.2 Tyrimo tikslai ir metodai
Tyrimo tikslas:Išanalizuoti galimybę tiesiogiai sekti ličio jonų akumuliatorių vidinės varžos mažėjimą iš tikrojo užduoties profilio, kuris naudojamas akumuliatoriui senti 38 savaites.
Vidinio pasipriešinimo ištraukimo būdas:Remiantis SRD algoritmo idėja, vidinė varža išgaunama atidžiai stebint srovės impulsų pradžią ir ilgį. Darant prielaidą, kad išskirtos varžos logaritmas atitinka normalųjį pasiskirstymą, o jo vidurkis yra netiesinė akumuliatoriaus SOC funkcija, vidinės varžos modelio parametrai įvertinami kas savaitę, kad būtų galima stebėti varžos pokyčius laikui bėgant.
Akumuliatoriaus amžiaus prognozavimo metodas:Naudojant įvertintus parametrus ir darant išankstines SOC ir ciklo skaičiaus tikimybes, pagal Bajeso taisykles ir bendrosios tikimybės dėsnį, tikslus baterijos amžiaus pasiskirstymas apskaičiuojamas išmatuojant naują vidinės varžos vertę ir atitinkamą SOC. Galiausiai palyginkite siūlomo metodo rezultatus su atsparumo matavimo tradiciniais metodais po kassavaitinio senėjimo rezultatais.
2. Išsami informacija apie eksperimentines baterijas, senėjimo sąlygas ir vidinės varžos matavimą
2.1 Akumuliatoriaus specifikacijų tikrinimas
Šiame eksperimente naudojama cilindrinė ličio jonų baterija, kurios vardinė talpa 2,5Ah ir vardinė įtampa 3,3V. Baterija sukurta remiantis grafito anodu ir ličio geležies fosfato (LFP) katodu, specialiai sukurta didelės galios įrenginiams ir gali atlaikyti nuolatinį įkrovimą ir iškrovimą iki keturių kartų didesnę nei vardinė srovė.
2.2 Senėjimo sąlygų nustatymas
Dabartinis profilis ir senėjimo ciklas: naudokite dabartinio profilio senėjimo bateriją, parodytą 1 paveiksle, kurios trukmė yra viena savaitė. Jo išskirtinumas slypi tame, kad daugiau nei 95% atvejų įkrovimui ir iškrovimui naudojama 4C sparta (ty 10A). Esant 25 laipsnių C sendinimo temperatūrai, šis senėjimo profilis buvo taikomas norint išbandyti akumuliatorių iki 38 savaičių. Pritaikius šį srovės profilį, akumuliatoriaus SOC profilis parodytas 2 paveiksle, o SOC svyruoja nuo 10% iki 90%.
2.3 Vidinio pasipriešinimo matavimo procesas ir rezultatai
Matavimo metodas ir parametrai:Po kassavaitinių senėjimo testų, naudojant srovės impulsų technologiją, išmatuojama vidinė akumuliatoriaus varža. Matavimai buvo atlikti esant 20%, 50% ir 80% SOC, o srovės impulsai buvo 4C (10A) 18 sekundžių. Prieš matuojant, baterija turi būti tuščiosios eigos režimu 15 minučių, kad būtų pasiektas termodinaminis stabilumas.
Matavimo rezultatų analizė:Po 38 savaičių ciklinio senėjimo akumuliatoriaus vidinė varža padidėjo 8,7%, o akumuliatoriaus talpa sumažėjo daugiau nei 15%, palyginti su pradine matavimo reikšme. Tai rodo, kad senėjimo proceso metu, nors akumuliatoriaus talpa žymiai sumažėja, vidinė varža didėja palyginti nedaug, o tai atspindi akumuliatoriaus veikimo pokyčius tokiomis senėjimo sąlygomis. Tai suteikia duomenų bazę tolesniems tyrimams apie ryšį tarp akumuliatoriaus vidinės varžos ir SOC bei kuriant vidinės varžos modelius.
3. Akumuliatoriaus vidinės varžos ištraukimo iš dinaminių profilių metodas ir susijusios charakteristikos
3.1 Vidinės varžos ištraukimo principas, pagrįstas dinaminiu profiliu
Norint išskirti vidinę baterijos varžą iš dinaminio profilio, parodyto 1 paveiksle, reikia sekti srovę I ir įtampą V_s prieš prasidedant srovės impulsui. Jei srovė, įtampa ir V_s tam tikru momentu t yra žinomi, tai pagal Ohmo dėsnį:
Apskaičiuokite pasipriešinimą tuo momentu. Svarbiausia yra nustatyti, kada ir kaip atnaujinti V{0}}s. Remiantis srovės pokyčiu nuo laiko t iki (t+1), ją galima suskirstyti į šias tris situacijas:
3.2. V_s atnaujinimo metodas pagal skirtingus dabartinius pakeitimus
Dabartiniai pakeitimai iš 0 į ne nulį (1 scenarijus):V{{0}}s atnaujinama iki paskutinės įtampos vertės, kai srovė buvo paskutinė 0 (ty (V_t)). Šis metodas priklauso nuo atsipalaidavimo laiko tarp srovės impulsų, kad akumuliatoriaus įtampa pasiektų (arba priartėtų) prie atviros grandinės įtampos (OCV). Kuo ilgesnis atsipalaidavimo laikas, tuo tikslesnis akumuliatoriaus atsparumo įvertinimas.
Srovė keičiasi iš vienos vertės, kuri nėra nulinė, į kitą, kuri nėra nulinė (2 scenarijus):Situacija sudėtinga. Jei paskutinis akumuliatoriaus tuščiosios eigos laikas yra trumpas, varžai nustatyti galima naudoti šiuo metu saugomus duomenis (V_s), tačiau kuo ilgesnis tuščiosios eigos laikas, tuo tikslesnė reikšmė. Norint gauti tikslesnį modelį, šiame straipsnyje tokiais atvejais nepaisoma ištrauktų rezistorių. Yra du galimi šios problemos sprendimai:
Vienas iš jų yra atsižvelgti į srovės pokytį nuo dabartinės vertės, kad 2 situaciją būtų galima paversti 1 situacija (ty jei I2- I2 {t-1}<€) and (I2 {t+1} - I2- t>€), tada tegul (V_s=V_t);
Antra, jei žinomas akumuliatoriaus SOC ir yra ryšio modelis tarp OCV ir SOC, šis ryšys gali būti naudojamas atnaujinti V{0}}, siekiant pagerinti vidinės varžos įvertinimo tikslumą.
Srovė išlieka nepakitusi (3 scenarijus):Jei|I2- I2 {t+1} |<=&, V_s does not need to be updated. Simply calculate the resistance at time t+1 using the formula and proceed to the next iteration.
3.3 Relaksacijos laikotarpio įtaka ekstrahavimo būdui
The internal resistance is affected by the length of the current pulse, and it takes time for the battery to reach thermodynamic stability after the current interruption. Tracking the previous pulse length L and relaxation period length T is beneficial. By comparing the resistance identification results under two conditions: requiring a relaxation period at least as long as the previous current pulse (T>=L) and requiring only 1 second relaxation period (T>1), tiriama relaksacijos laikotarpio įtaka ekstrahavimo metodo veikimui. Vidinės varžos reikšmės, gautos pagal du scenarijus, žymimos atitinkamai kaip R_i ir bar, atitinkamai {R}_i .
3.4 Vidinės varžos vertinimo charakteristikos
Kadangi vidiniam pasipriešinimui po senėjimo kiekvieną savaitę matuoti naudojamas 18 sekundžių impulso ilgis, vidinė varža, gauta naudojant siūlomą metodą, apibrėžiama kaip pasipriešinimo vertė R_i=R{{3} } {i, 18s} po 18 sekundžių. Srovė nagrinėjamame dinaminio senėjimo profilyje (1 pav.) dažniausiai kinta esant tokiai pačiai C dažnio amplitudei, todėl akumuliatoriaus vidinė varža vertinama tik 9,5A-10.5A srovės diapazone, o tai padeda (1) išskirkite vidinės varžos priklausomybę nuo srovės ir (2) patikrinkite siūlomą metodą be šališkumo.
4. Baterijos vidinės varžos ir SOC ryšys bei akumuliatoriaus amžiaus prognozavimo analizė
4.1 Ryšys ir modelio sukūrimas tarp vidinio pasipriešinimo ir SOC
Vidinio pasipriešinimo kitimo dėsnis naudojant SOC:Po to, kai jį paveikė izoliacijos temperatūra, srovė (C greitis) ir impulso ilgis, išbandyto akumuliatoriaus vidinė varža keičiasi tik SOC ir didėja senstant. Atsižvelgiant į tai, kad vidinė akumuliatoriaus varža padidėja, kai SOC artėja prie 0 ir 1, naudokite:
Apibūdinkite jo ryšį su SOC ir paimkite jo logaritmą, kad parodytumėte tiesiškumą parametrų erdvėje, o tai palengvina parametrų įvertinimą. Darant prielaidą, kad akumuliatoriaus atsparumas tam tikrą savaitę \ (w \)
Laikykitės normaliojo skirstinio, kurio vidurkis yra {{0}}, o dispersija o-2, o dispersija savaitės metu nesikeičia. Įvertinkite parametrus naudodami didžiausios tikimybės metodą, darydami prielaidą, kad beta_ {1, w} ir beta_ {2, w} yra mažesni arba lygūs 0.
Eksperimentinis duomenų patvirtinimo modelis:Remiantis pirmiau minėtu senėjimo profiliu ir metodu, išskirtos vidinės varžos vertės (žr. 7 ir 8 pav., juodi taškai) buvo pritaikytos aukščiau pateiktam modeliui. Mėlyna linija žymi numatomą logaritminio pasipriešinimo indeksą, užtamsinta sritis – 95 % pasikliautinąjį intervalą, o raudoni taškai ir brūkšninės linijos – atitinkamai savaitės tikrinimo matavimo vertes ir atitinkamas mėnesines pritaikytas modelio vertes. Lyginant rezultatus pagal du atsipalaidavimo periodo reikalavimus, griežtas atsipalaidavimo laikotarpis sumažina vidinio pasipriešinimo verčių skaičių, tačiau žymiai sumažina variaciją. Apskaičiuokite absoliučią procentinę paklaidą (APE), kad patikrintumėte metodo tikslumą. Daugeliu atvejų vidutinė APE 9 paveiksle yra mažesnė nei 4,5%, o tai rodo, kad siūlomas vidinės varžos identifikavimo metodas gali pakeisti tradicinius metodus (kurie reikalauja, kad akumuliatorius neveiktų 15 minučių). 11 paveiksle parodyta, kad laikui bėgant, mažėjant beta parametrui, modelio standartinis nuokrypis pirmiausia mažėja, o paskui didėja. Sumažėjus beta_ {1, w} ir beta{{10}} {2, w}, vidinis pasipriešinimas didėja greičiau, kai SOC artėja prie 1. Beta parametras kartu valdo minimalus numatomas vidinis pasipriešinimas, kai SOC yra 0,5, kuris išlieka gana stabilus senėjimo proceso metu.
4.2. Baterijos amžiaus prognozavimas ir analizė
Modeliu pagrįstas prognozavimo principas:Remiantis pirmiau minėtu vidinės varžos ir SOC ryšio modeliu, žinant SOC reikšmę ir baterijos amžių (savaitėmis), galima tiksliai numatyti vidinę akumuliatoriaus varžą. Priešingu atveju būtina nustatyti
Norėdami įvertinti akumuliatoriaus amžių, naudokite tikimybių pasiskirstymą. Tam reikia daryti prielaidą, kad SOC, ciklo skaičiaus ir vidinio pasipriešinimo SOC tikimybių pasiskirstymas, Jungtinis savaičių pasiskirstymas. Darant prielaidą, kad SOC ir ciklo skaičius yra iš anksto nepriklausomi, akumuliatoriaus SOC laikosi nuolatinio tolygaus pasiskirstymo vieneto intervale, o ciklo skaičius seka atskirą vienodą galimų ciklų rinkinį. Pagal Bayeso taisyklę ir bendrosios tikimybės dėsnį apskaičiuokite užpakalinį skirstinį:
Apibendrinkite užpakalinį akumuliatoriaus ciklų pasiskirstymą pagal svertinį medianą ir didelio užpakalinio tankio regioną (HPD), kur 95 % HPD sritis reiškia minimalų regiono derinį, o derinio tikimybė (plotas po kreive) yra 95 %.
Prognozavimo rezultatų analizė esant skirtingoms vidinėms varžoms ir SOC:Kai vidinė varža yra 15 m Ω, užpakalinis tikimybių pasiskirstymas esant 20 % ir 80 % SOC yra beveik vienodas, o svertinis mediana yra 17.4-24.7 savaitės. 95 % HPD sritis apima visą senėjimo laikotarpį (1-38 savaites), todėl sunku atskirti akumuliatoriaus amžių. Tai atitinka faktą, kad akumuliatoriaus vidinė varža po 38 senėjimo savaičių padidėja tik 8,7 %, o beta_ {2, w} mažėja greičiau nei beta_ {1, w }, užpakalinis pasiskirstymas skiriasi 20 % ir 80 % SOC (žr. 12-14 pav.). Kai vidinė varža padidėja iki 20 m Ω, yra 95 % tikimybė, kad baterija veiks ilgiau nei 22,8 savaitės ir 27,5 savaitės, esant atitinkamai 20 % ir 80 % SOC. Esant 50 % SOC, užpakalinio pasiskirstymo tikimybė yra didesnė 1-10 sav. ir 23-38 sav. Taip yra dėl to, kad ankstyvoje senėjimo stadijoje sumažėjo vidinės varžos matavimo vertės, artimos 50 % SOC, ir skirtingi vidinio pasipriešinimo pagreičio greičiai didėja esant skirtingam SOC (žr. 15-17 pav.).
5. Santrauka
Vidinės varžos identifikavimo ir modeliavimo metodas:Šiame tyrime siūlomas metodas, leidžiantis tiesiogiai nustatyti akumuliatoriaus vidinį atsparumą iš dinaminio senėjimo profilių ir modeliuoti jo degradacijos elgesį. Atidžiai stebint srovės profilio pokyčius ir naudojant Ohmo dėsnį varžai kiekvienu momentu apskaičiuoti, vidinė varža apibrėžiama kaip varža po 18 sekundžių nepertraukiamo įkrovimo ir apribojama su sąlyga, kad atsipalaidavimo laikotarpis yra bent ilgesnis nei ankstesnis srovės impulsas. Išskirta tam tikros savaitės vidinė varža modeliuojama kaip logaritminė tiesinė SOC funkcija, kuri labai atitinka vidinę varžą, išmatuotą tradiciniais metodais.
Vidinio pasipriešinimo stabilumo analizė:Analizė rodo, kad, palyginti su didesniu vidinio pasipriešinimo padidėjimo greičiu, kai SOC yra 20% ir 80%, vidinė varža, išgauta beveik 50% SOC, yra gana stabili per kelias savaites, o tai visiškai atitinka rezultatus, gautus naudojant tradicinius metodus.
Baterijos amžiaus galinio pasiskirstymo apskaičiavimo sistema:Siūlomas metodas gali būti integruotas į baterijos amžiaus užpakalinio tikimybės pasiskirstymo skaičiavimo sistemą. Remiantis išmatuota vidinės varžos verte ir SOC, galima nustatyti \(w\) savaičių senumo akumuliatoriaus tikimybės pasiskirstymą, kuris padeda toliau įvertinti likusį akumuliatoriaus naudingo tarnavimo laiką (RUL), tačiau ši dalis bus palikta. būsimiems tyrimams.
Be RUL įvertinimo, dar vienas paprastas šios tyrimo sistemos išplėtimas yra SOC elgsenos ir jos ryšio su baterijos naudojimu mokymasis, kuris nebuvo aptartas šiame darbe ir gali būti toliau nagrinėjamas ateityje, siekiant gauti išsamesnį supratimą apie akumuliatoriaus veikimą ir optimizuoti. akumuliatoriaus valdymas.