Μια νέα μέθοδος για την εκτίμηση της ενεργειακής κατάστασης και της κατάστασης ισχύος της μπαταρίας λιθίου

Η περιβαλλοντική ρύπανση και οι ενεργειακές κρίσεις κάνουν τους ανθρώπους να αναπτύσσουν νέα ενέργεια. Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου, οι οποίες έχουν τα χαρακτηριστικά της μεγάλης διάρκειας κύκλου ζωής, του χαμηλού ρυθμού αυτοεκφόρτισης και της φιλικότητας προς το περιβάλλον, εφαρμόζονται ευρέως σε συστήματα αποθήκευσης ενέργειας [1]. Για να διασφαλιστεί ότι η μπαταρία λειτουργεί με υψηλή απόδοση, είναι απαραίτητη μια ακριβής εκτίμηση της ενεργειακής κατάστασης της μπαταρίας (SOE) και της κατάστασης ισχύος (SOP).

Το SOE ορίζεται συνήθως ως ο λόγος της υπολειπόμενης ενέργειας προς τη μέγιστη διαθέσιμη ενέργεια [2], η οποία είναι η συνάρτηση του ρεύματος φορτίου της μπαταρίας και της τάσης ακροδεκτών [3]. Το SOP χρησιμοποιείται για να αντικατοπτρίζει την ικανότητα ισχύος της μπαταρίας, η οποία είναι βασική παράμετρος για τη διασφάλιση της λειτουργίας της μπαταρίας σε μια ασφαλή περιοχή. Δεν μπορεί να μετρηθεί με απευθείας εξοπλισμό μέτρησης. Η κοινή μέθοδος πρόβλεψης μέγιστης ισχύος ήταν η μέθοδος χαρακτηρισμού υβριδικής ισχύος παλμών (HPPC).

Γενικά, μια μπαταρία αποτελείται από πολλά μεμονωμένα κύτταρα. Οι διαφορές στις παραμέτρους των κυψελών και στις θερμοκρασίες λειτουργίας οδηγούν σε ασυνέπεια των στοιχείων και καθιστούν τη μέθοδο της μπαταρίας SOE και SOP δύσκολη. Για την επίλυση αυτών των προβλημάτων, το μοντέλο μπαταρίας ισοδύναμου κυκλώματος εφαρμόζεται πρώτα για να αντικατοπτρίζει τη δυναμική συμπεριφορά μιας μπαταρίας. Στη συνέχεια, η μέθοδος βελτιστοποίησης σμήνος σωματιδίων (PSO) εφαρμόζεται στην αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου μπαταρίας, ενώ η SOE της μπαταρίας και η τάση ακροδεκτών προβλέπονται από το άοσμο φίλτρο Kalman (UKF). Επιπλέον, το SOP καθορίζεται από την τάση ακροδεκτών των κυψελών, το SOC και το όριο σχεδιασμού. Η προτεινόμενη μέθοδος είναι απλή και μπορεί να εφαρμοστεί σε μικροελεγκτή.

Στη μέθοδο PSO-UKF, τα δεδομένα ιστορικού ακρίβειας αποθηκεύονται πρώτα σε έναν μικροελεγκτή που χρησιμοποιείται για την αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου μπαταρίας από το PSO. Με βάση τις ακριβείς παραμέτρους του μοντέλου μπαταρίας, το UKF εφαρμόζεται στην εκτίμηση SOE και SOP μπαταρίας σε κάθε μικρο-χρόνο. Επιπλέον, τα δεδομένα ιστορικού ενημερώνονται κατά τη διαδικασία του UKF. Επειδή οι παράμετροι του μοντέλου της μπαταρίας αλλάζουν αργά, ενημερώνεται μόνο σε κάθε χρόνο μακροεντολής.

Με βάση την παραπάνω ανάλυση, η προτεινόμενη μέθοδος αναφέρεται μόνο σε απλή αριθμητική πράξη χωρίς λειτουργία σύνθετου πίνακα. Και η αναγνώριση παραμέτρων μοντέλου μπαταρίας με βάση τη μέθοδο PSO δεν εκτελείται συνεχώς. Επομένως, η προτεινόμενη μέθοδος μπορεί να εφαρμοστεί για την εκτίμηση SOE και SOP της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο που διεξάγεται σε μικροελεγκτή. Επιπλέον, τα χαρακτηριστικά της μέγιστης διαθέσιμης χωρητικότητας της μπαταρίας και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV) αναλύονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες λειτουργίας (βλ. Εικ. 1).

Για την επαλήθευση της ακρίβειας και της ευρωστίας της προτεινόμενης μεθόδου, χρησιμοποιείται η μέθοδος RLS-UKF στην αναφορά [4] για σύγκριση με την προτεινόμενη μέθοδο στην εκτίμηση SOE και SOP μπαταρίας στα προφίλ NEDC και δυναμικά προφίλ. Τα πειραματικά αποτελέσματα δείχνουν ότι το ρεύμα αιχμής εκφόρτισης/φόρτισης της μπαταρίας καθορίζεται κυρίως από την τάση κυψέλης και τη συνοχή της μπαταρίας και η διαθέσιμη ενέργεια της μπαταρίας αλλάζει με τη θερμοκρασία λειτουργίας της μπαταρίας, γεγονός που οδηγεί σε αύξηση της διαθέσιμης ενέργειας της μπαταρίας με την αύξηση της θερμοκρασίας λειτουργίας των στοιχείων. Επιπλέον, η ασυνέπεια της μπαταρίας στις θερμοκρασίες λειτουργίας των κυψελών οδηγεί σε ασυμμόρφωση του SOC και περιορίζει το άνω και το κάτω όριο του ολοκλήρωσης στον υπολογισμό της διαθέσιμης ενέργειας της μπαταρίας (βλ. Εικ. 2).

Αυτή η εργασία περιγράφεται στο άρθρο με τίτλο Μια νέα μέθοδος για την εκτίμηση της κατάστασης ενέργειας και της κατάστασης ισχύος της μπαταρίας λιθίου με βάση το φίλτρο πολλαπλής κλίμακας, που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο περιοδικό Applied Energy . Αυτή η εργασία διεξήχθη από τους Xu Zhang, Yujie Wang, Ji Wu και Zonghai Chen από το Πανεπιστήμιο Επιστήμης και Τεχνολογίας της Κίνας.

Αναφορές:

1. Vikström, Hanna, Simon Davidsson και Mikael Höök. "Διαθεσιμότητα λιθίου και μελλοντικές προοπτικές παραγωγής." Applied Energy 110 (2013):252-266.
2. Mamadou K, Delaille A, Lemaire-Potteau E, et al. Η κατάσταση της ενέργειας:Ένα νέο κριτήριο για την αξιολόγηση των ενεργειακών επιδόσεων των ηλεκτροχημικών συσκευών αποθήκευσης[J]. ECS Transactions, 2010, 25(35):105-112.
3. Dong G, Zhang X, Zhang C, et al. Μια μέθοδος για την εκτίμηση της κατάστασης της ενέργειας μπαταριών ιόντων λιθίου με βάση το μοντέλο νευρωνικών δικτύων [J]. Ενέργεια, 2015, 90:879-888.
4. Zhang X, Wang Y, Liu C, et al. Μια νέα προσέγγιση πρόβλεψης υπολειπόμενης ενέργειας εκφόρτισης για πακέτο μπαταριών ιόντων λιθίου μεγάλου μεγέθους[J]. Journal of Power Sources, 2017, 343:216-225.