Jump to content

Эквивалентная модель схемы для литий-ионных элементов

Модель эквивалентной схемы (ECM) — это распространенная модель с сосредоточенными элементами для литий-ионных аккумуляторов элементов . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Модуль ECM моделирует на динамику напряжения клеммах литий-ионного элемента через эквивалентную электрическую сеть , состоящую из пассивных элементов, таких как резисторы и конденсаторы , и генератора напряжения . ECM широко используется в нескольких областях применения, включая компьютерное моделирование , из-за его простоты, низких вычислительных затрат, простоты определения характеристик и структурной гибкости. [ 2 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] Эти функции делают ECM подходящим для системы управления батареями задач состояния заряда (SoC), (BMS) в реальном времени, таких как оценка [ 7 ] Мониторинг состояния здоровья (SoH) [ 8 ] и управление температурой батареи. [ 9 ]

Модель эквивалентной схемы первого порядка для литий-ионного элемента

Структура модели

[ редактировать ]

Модель эквивалентной схемы используется для моделирования напряжения на клеммах элемента, когда электрический ток для его разрядки или перезарядки подается . Наиболее распространенное схемное представление состоит из трех последовательно соединенных элементов: источника переменного напряжения, представляющего напряжение холостого хода (OCV) ячейки, резистора, представляющего омическое внутреннее сопротивление ячейки, и набора параллельных резистор-конденсатор (RC). учет динамических падений напряжения . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]

Напряжение холостого хода

[ редактировать ]
Напряжение холостого хода различных катодных материалов, обычно используемых в литий-ионных элементах [ 10 ]

Напряжение холостого хода литий-ионного элемента (или батареи) — это напряжение на его клеммах в равновесных условиях, т. е. измеренное при отсутствии тока нагрузки и после длительного периода покоя. Напряжение холостого хода является убывающей нелинейной функцией и его форма зависит от химического состава анода ( обычно из графита ) и катода ( LFP , NMC , NCA , LCO ...) элемента. [ 11 ] Напряжение холостого хода, представленное в схеме генератором напряжения, управляемым зарядом, является основным вкладом напряжения и наиболее информативным индикатором состояния заряда элемента. [ 12 ] [ 13 ]

Внутреннее сопротивление

[ редактировать ]

Внутреннее сопротивление, представленное в схеме простым резистором, используется для имитации мгновенного падения напряжения из-за омических эффектов, таких как удельное сопротивление электродов , [ 4 ] [ 14 ] электролита проводимость [ 4 ] [ 14 ] [ 15 ] и контактное сопротивление [ 14 ] [ 15 ] ( например, граница раздела твердый электролит (SEI) и контактное сопротивление коллекторов).

На внутреннее сопротивление сильно влияют несколько факторов, таких как:

  • Температура . Внутреннее сопротивление значительно возрастает при низких температурах. [ 16 ] [ 14 ] Этот эффект делает литий-ионные аккумуляторы особенно неэффективными при низких температурах. [ 17 ] [ 18 ]
  • Состояние заряда . Внутреннее сопротивление заметно зависит от состояния заряда элемента. [ 19 ] В частности, при низком уровне заряда (почти разряженный элемент) и высоком уровне заряда (полностью заряженный элемент) наблюдается увеличение внутреннего сопротивления. [ 19 ]
  • Старение клеток . Внутреннее сопротивление увеличивается по мере старения литий-ионного элемента. [ 14 ] Основной причиной увеличения сопротивления является утолщение границы раздела твердое тело-электролит (SEI), твердого барьера с защитными функциями, который естественным образом растет на поверхности анода и состоит из соединений, образующихся в результате разложения электролита. [ 20 ] [ 21 ]

RC-параллели

[ редактировать ]

К модели часто добавляют одну или несколько RC-параллелей, чтобы повысить точность моделирования динамических переходных процессов напряжения. Количество RC-параллелей является произвольным выбором при моделировании: в общем, большое количество RC-параллелей повышает точность модели, но усложняет процесс идентификации и увеличивает вычислительную нагрузку, в то время как небольшое количество приведет к легкости и простоте вычислений. для характеристики модели, но менее точно прогнозирует напряжение элемента во время переходных процессов. Обычно оптимальным выбором считается одна или две RC-параллели. [ 1 ]

Уравнения модели

[ редактировать ]

ECM может быть описан представлением в пространстве состояний , которое имеет текущий ( ) в качестве входного сигнала и напряжения на клеммах ячейки ( ) в качестве вывода. Рассмотрим общую модель ECM с несколькими RC-параллелями. . Состояния модели ( т. е . переменные, которые изменяются со временем посредством дифференциальных уравнений ), являются состоянием заряда ( ) и напряжение падает на RC-параллелях ( ) [ 2 ] .

Модель эквивалентной схемы общего порядка для литий-ионного элемента. Слева: схематическое представление расчета состояния заряда с помощью формулы интегрирования кулоновского счета . Справа: моделирование напряжения ячейки.

Состояние заряда обычно рассчитывается путем интегрирования тока, потребляемого/подаваемого батареей/к батарее, по формуле, известной как кулоновский счет : [ 22 ]

где элемента — номинальная емкость (выраженная в ампер-часах ). Напряжение по каждой параллели RC моделируется как: [ 2 ]

где и – соответственно поляризационное сопротивление и емкость. Наконец, зная зависимость напряжения холостого хода от состояния заряда и внутреннее сопротивление напряжение на клеммах ячейки можно рассчитать как: [ 2 ]

Введение в экспериментальную идентификацию

[ редактировать ]

Экспериментальная идентификация ECM включает оценку неизвестных параметров, особенно емкости. , кривая напряжения холостого хода и пассивные компоненты и , . Обычно идентификация осуществляется в несколько последовательных этапов. [ 23 ]

Оценка потенциала

[ редактировать ]

Емкость ячейки обычно измеряется путем полной разрядки аккумулятора постоянным током. [ 24 ] Проверка емкости обычно проводится путем полной разрядки аккумулятора (от верхнего предела напряжения). для снижения предела напряжения ) при номинальном токе 0,5 С /1С (то есть, ток, необходимый, по данным производителя, для полной разрядки за два/один час) и после полной зарядки (обычно проводимой по CC-CV ). стратегии зарядки [ 24 ] Емкость можно рассчитать как: .

Характеристика напряжения холостого хода

[ редактировать ]

Существует два основных экспериментальных метода определения напряжения холостого хода:

  1. Пульсовый тест: [ 11 ] элемент полностью разряжается/заряжается серией импульсов тока. Каждый импульс разряжает заранее определенную часть емкости ячейки и, таким образом, позволяет точка, которую нужно изучить. После каждого импульса тока ячейку оставляют в покое на несколько часов, а затем напряжение холостого хода измеряется. Наконец, кривая получается подгонкой собранного [ , ] указывает на произвольно выбранную функцию (обычно полиномиальную). Этот метод считается быстрым и эффективным, однако качественный результат зависит от плана эксперимента и затраченного на него времени. [ 11 ]
  2. Медленный гальваностатический разряд [ 11 ] : другой метод оценки напряжения холостого хода элемента заключается в его медленном разряде/зарядке в гальваностатических условиях (т. е. при низких постоянных токах). Действительно, для малых токов приближение применяется. Также и в этом случае, поскольку точность оценки зависит от того, насколько мал ток разряда, качество результата тесно связано со временем, затраченным на испытание. [ 11 ]
Экспериментальный результат испытания на импульсный разряд, выполненного на элементе LFP емкостью 3,2 Ач. Сверху вниз: профиль импульсного тока; результирующий отклик по напряжению; детальная характеристика напряжения с некоторыми особенностями (точки напряжения холостого хода, омические падения и переходные процессы RC).

Характеристика динамического отклика

[ редактировать ]

Параметры, характеризующие динамический отклик, а именно омическое сопротивление и параметры RC-параллелей , , обычно идентифицируются экспериментально двумя разными способами:

  1. во временной области Идентификация [ 23 ] [ 25 ] : параметры оптимизируются путем анализа поведения напряжения элемента во времени в ответ на определенный профиль тока. Например, для этой цели можно использовать пульсовой тест: можно определить (при различных уровнях заряда) путем измерения мгновенного падения напряжения при подаче/снятии каждого импульса, при этом и могут быть идентифицированы с помощью специальной процедуры оптимизации , чтобы лучше всего моделировать динамический ответ во время релаксации клеток. [ 23 ] [ 25 ]
  2. частотной области Идентификация [ 26 ] [ 27 ] : динамические параметры можно оптимизировать путем анализа частотной характеристики ячейки. Для этой цели в ячейку подается сигнал переменного тока (или напряжения) различной частоты , и результирующий отклик напряжения (или тока) оценивается с точки зрения амплитуды и фазы . Этот анализ, называемый электрохимической импедансной спектроскопией (ЭИС), требует специального лабораторного оборудования и дает очень надежные результаты. Результаты EIS, обычно оцениваемые с использованием диаграммы Найквиста , допускают различные условия импеданса ячейки ( , и ), подлежащие количественной оценке отдельно. [ 26 ] [ 27 ]

Приложения

[ редактировать ]

Некоторые из возможных применений ECM включают в себя:

  • Онлайн-оценка состояния в системах управления батареями: ECM широко используется в системах наблюдения на основе моделей, предназначенных для прогнозирования неизмеримых внутренних состояний батареи, таких как состояние заряда и состояние работоспособности. Например, ECM разного порядка часто используются в расширенных фильтрах Калмана, разработанных для онлайн-оценки состояния заряда. [ 28 ]
  • Моделирование и проектирование системы: ECM часто используется на этапе проектирования аккумуляторной батареи . [ 29 ] Моделирование профилей электрической нагрузки на уровне ячеек позволяет определить параметры системы с точки зрения мощности и напряжения. Кроме того, ECM можно использовать для моделирования выделения тепла аккумулятором и, таким образом, для проектирования и определения размеров системы охлаждения аккумулятора. [ 30 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Jump up to: а б с Ху, Сяосун; Ли, Шэнбо; Пэн, Хуэй (январь 2012 г.). «Сравнительное исследование моделей эквивалентных схем литий-ионных аккумуляторов» . Журнал источников энергии . 198 : 359–367. дои : 10.1016/j.jpowsour.2011.10.013 . ISSN   0378-7753 .
  2. ^ Jump up to: а б с д и ж Линь, Синьфан; Ким, Ёнки; Мохан, Шанкар; Сигел, Джейсон Б.; Стефанопулу, Анна Г. (03 мая 2019 г.). «Моделирование и оценка расширенного управления батареями» . Ежегодный обзор управления, робототехники и автономных систем . 2 (1): 393–426. doi : 10.1146/annurev-control-053018-023643 . ISSN   2573-5144 .
  3. ^ Jump up to: а б Янн Лиав, Бор; Нагасубраманиан, Ганесан; Юнгст, Рудольф Г.; Даути, Дэниел Х. (30 ноября 2004 г.). «Моделирование литий-ионных элементов — простой подход к модели эквивалентной схемы» . Ионика твердого тела . Четырнадцатая международная конференция по ионике твердого тела. 175 (1): 835–839. дои : 10.1016/j.ssi.2004.09.049 . ISSN   0167-2738 .
  4. ^ Jump up to: а б с Чжан, Лицзюнь; Пэн, Хуэй; Нин, Чжаньшэн; Му, Чжунцян; Сунь, Чанъянь (октябрь 2017 г.). «Сравнительное исследование моделей RC-эквивалентных схем для литий-ионных аккумуляторов электромобилей» . Прикладные науки . 7 (10): 1002. дои : 10.3390/app7101002 . ISSN   2076-3417 .
  5. ^ Неджад, С.; Гладвин, DT; Стоун, DA (01 июня 2016 г.). «Систематический обзор моделей эквивалентных схем с сосредоточенными параметрами для оценки состояния литий-ионных батарей в реальном времени» . Журнал источников энергии . 316 : 183–196. Бибкод : 2016JPS...316..183N . дои : 10.1016/j.jpowsour.2016.03.042 . ISSN   0378-7753 .
  6. ^ Текин, Мерве; Карамангил, М. Ихсан (10 мая 2024 г.). «Сравнительный анализ моделей аккумуляторов эквивалентной схемы для систем управления аккумуляторами электромобилей» . Журнал хранения энергии . 86 : 111327. Бибкод : 2024JEnSt..8611327T . дои : 10.1016/j.est.2024.111327 . ISSN   2352-152X .
  7. ^ Сюн, Руи; Цао, Цзяи; Ю, Цюаньцин; Он, Хунвэнь; Сунь, Фэнчунь (2018). «Критический обзор методов оценки состояния заряда аккумуляторов электромобилей» . Доступ IEEE . 6 : 1832–1843. Бибкод : 2018IEEA...6.1832X . дои : 10.1109/ACCESS.2017.2780258 . ISSN   2169-3536 .
  8. ^ Бересибар, М.; Гандиага, И.; Вильярреал, И.; Омар, Н.; Ван Мирло, Дж.; Ван ден Босше, П. (01 апреля 2016 г.). «Критический обзор методов оценки работоспособности литий-ионных аккумуляторов для реального применения» . Обзоры возобновляемой и устойчивой энергетики . 56 : 572–587. Бибкод : 2016RSERv..56..572B . дои : 10.1016/j.rser.2015.11.042 . ISSN   1364-0321 .
  9. ^ Лю, Цзе; Ядав, Саураб; Салман, Мохаммед; Чаван, Сантош; Ким, Сон Чул (01 января 2024 г.). «Обзор моделей аккумуляторов с термической связью и идентификация параметров тепловыделения литий-ионных аккумуляторов в системе управления температурой аккумуляторов электромобилей» . Международный журнал тепломассообмена . 218 : 124748. Бибкод : 2024IJHMT.21824748L . doi : 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124748 . ISSN   0017-9310 .
  10. ^ Аль-Шаммари, Хаммад; Фархад, Сиамак (январь 2022 г.). «Эффективность катодов, изготовленных из смеси активных материалов, полученных из переработанных литий-ионных аккумуляторов» . Энергии . 15 (2): 410. дои : 10.3390/en15020410 . ISSN   1996-1073 .
  11. ^ Jump up to: а б с д и Сомакеттарин, Наттавут; Фунаки, Цуёси (март 2017 г.). «Исследование факторов, влияющих на точные характеристики напряжения холостого хода в литий-ионных батареях Mn-типа» . Батареи . 3 (1): 8. doi : 10.3390/batteries3010008 . ISSN   2313-0105 .
  12. ^ ; Ван, Хуавэнь; . Характеристика заряда литий-ионной батареи большой емкости при различных температурах » Чжан, Жуйфэн; Ли, Баохуа ; Лай, Юнчжи 9): 2408. doi : 10.3390/en11092408 . ISSN   1996-1073 (
  13. ^ Ян, Цзе, Чуньюй; Гао, Юньчжи; Цзо, Пэнцзянь; Ван, Гепин; Се, Лэй, Бо (декабрь 2018 г.) . Напряжение холостого хода литий-ионных аккумуляторов на основе модели эффективной релаксации напряжения» . Энергии . 11 12): 3444. doi : 10.3390/en11123444 . ISSN   1996-1073 (
  14. ^ Jump up to: а б с д и Барселона, Симона; Кольнаго, Сильвия; Дотелли, Джованни; Латоррата, Саверио; Пьегари, Луиджи (июнь 2022 г.). «Влияние старения на изменение сопротивления литий-ионного аккумулятора в зависимости от температуры и состояния заряда» . Журнал хранения энергии . 50 : 104658. Бибкод : 2022JEnSt..5004658B . дои : 10.1016/j.est.2022.104658 . ISSN   2352-152X .
  15. ^ Jump up to: а б Донг, ТК; Кирчев А.; Маттера, Ф.; Коваль, Дж.; Бултель, Ю. (2011). «Динамическое моделирование литий-ионных аккумуляторов с использованием эквивалентной электрической цепи» . Журнал Электрохимического общества . 158 (3): А326. дои : 10.1149/1.3543710 .
  16. ^ Хоссейн Ахмед, Саззад; Кан, Сяосун; Баде Шреста, СО (01 мая 2015 г.). «Влияние температуры на внутреннее сопротивление литий-ионных аккумуляторов» . Журнал технологий энергетических ресурсов . 137 (3). дои : 10.1115/1.4028698 . ISSN   0195-0738 .
  17. ^ Шмалл, Эмили; Гросс, Дженни (17 января 2024 г.). «Владельцы электромобилей противостоят суровому врагу: холодная погода» . Нью-Йорк Таймс . ISSN   0362-4331 . Проверено 10 июля 2024 г.
  18. ^ «Почему у Tesla и других электромобилей возникают проблемы в холодную погоду — и как владельцы электромобилей могут предотвратить проблемы — CBS News» . www.cbsnews.com . 18 января 2024 г. Проверено 10 июля 2024 г.
  19. ^ Jump up to: а б Ким, Дэхён; Ку, Кеунхви; Чон, Джэ Джин; Го, Тэдон; Ким, Сан У (октябрь 2013 г.). «Наблюдатель скользящего режима дискретного времени второго порядка для определения состояния заряда на основе модели литий-ионной батареи с динамическим сопротивлением» . Энергии . 6 (10): 5538–5551. дои : 10.3390/en6105538 . ISSN   1996-1073 .
  20. ^ Хан, Сюэбин; Чжэн, Юэцзю; Ли, Чжэ; Ли, Оуян, Мингао (август 2018 г.) . " . ETransportation . 1 : 100005. doi : 10.1016/ . ISSN   2590-1168 j.etran.2019.100005
  21. ^ Веттер, Дж.; Новак П.; Вагнер, MR; Вейт, К.; Мёллер, К.-К.; Безенхард, Дж. О.; Зима, М.; Вольфарт-Меренс, М.; Фоглер, К.; Хамуш, А. (сентябрь 2005 г.). «Механизмы старения литий-ионных аккумуляторов» . Журнал источников энергии . 147 (1–2): 269–281. Бибкод : 2005JPS...147..269В . дои : 10.1016/j.jpowsour.2005.01.006 . ISSN   0378-7753 .
  22. ^ Чжан, Шужи; Го, Сюй; Доу, Сяосинь; Чжан, Сюнвэнь (август 2020 г.). «Метод подсчета кулонов на основе данных для калибровки состояния заряда и оценки литий-ионного аккумулятора» . Устойчивые энергетические технологии и оценки . 40 : 100752. Цифровой код : 2020SETA...4000752Z . дои : 10.1016/j.seta.2020.100752 . ISSN   2213-1388 .
  23. ^ Jump up to: а б с Ван, Цзяньфэн; Цзя, Юнкай; Ян, На; Лу, Яньбин; Ши, Мэнъю; Рен, Сютун; Лу, Дунчэн (25 августа 2022 г.). «Точная модель эквивалентной схемы для литий-ионной батареи путем экспериментального улучшения и оптимизации параметров» . Журнал хранения энергии . 52 : 104980. Бибкод : 2022JEnSt..5204980W . дои : 10.1016/j.est.2022.104980 . ISSN   2352-152X .
  24. ^ Jump up to: а б «Проверка емкости литий-ионного аккумулятора – тестеры аккумуляторов Neware» . Проверено 12 июля 2024 г.
  25. ^ Jump up to: а б Мадани, Сейед Саид; Шальц, Эрик; Кэр, Сорен Кнудсен (26 ноября 2018 г.). «Обзор различных моделей эквивалентных электрических цепей и методов идентификации параметров литий-ионных аккумуляторов» . ECS-транзакции . 87 (1): 23–37. Бибкод : 2018ECSTr..87a..23S . дои : 10.1149/08701.0023ecst . ISSN   1938-6737 .
  26. ^ Jump up to: а б Чжао, Чжаоян; Цзоу, Ян; Лю, Пэн; Лай, Чжаогуй; Вэнь, Лей; Джин, Ин (июнь 2022 г.). «Прогнозирование модели эквивалентной схемы EIS с использованием интерпретируемого машинного обучения и идентификации параметров с использованием алгоритмов глобальной оптимизации» . Электрохимика Акта . 418 : 140350. doi : 10.1016/j.electacta.2022.140350 . ISSN   0013-4686 .
  27. ^ Jump up to: а б Шепард, Джефф (4 января 2023 г.). «Какое отношение электрохимическая импедансная спектроскопия имеет к здоровью литий-ионных систем?» . Советы по питанию от аккумулятора . Проверено 11 июля 2024 г.
  28. ^ Сепаси, Саид; Горбани, Реза; Лиав, Бор Янн (01 января 2014 г.). «Новый встроенный метод оценки заряда устаревших литий-ионных аккумуляторов, основанный на модели адаптивного расширенного фильтра Калмана» . Журнал источников энергии . 245 : 337–344. дои : 10.1016/j.jpowsour.2013.06.108 . ISSN   0378-7753 .
  29. ^ Фам, Конг-Тоан; Монссон, Даниэль (01 августа 2018 г.). «Оптимальный размер накопителя энергии с использованием моделирования эквивалентных схем для потребительских приложений (Часть II)» . Журнал хранения энергии . 18 : 1–15. дои : 10.1016/j.est.2018.04.015 . ISSN   2352-152X .
  30. ^ Хоу, Гуйци; Лю, Сяньцин; Он, Вэньсюань; Ван, Чанхун; Чжан, Цзянюнь; Цзэн, Сяосин; Ли, Чжомин; Шао, Дэн (30 ноября 2022 г.). «Модель эквивалентной схемы системы управления температурой аккумулятора с использованием материала с фазовым переходом и муфты жидкостного охлаждения» . Журнал хранения энергии . 55 : 105834. doi : 10.1016/j.est.2022.105834 . ISSN   2352-152X .
[ редактировать ]
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: 8e0045a8128fec0d73d03305c43948bf__1721364540
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/8e/bf/8e0045a8128fec0d73d03305c43948bf.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Equivalent circuit model for Li-ion cells - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)