Мониторинг состояния и прогнозирование состояния элементов аккумуляторного модуля или блока в рабочем состоянии

Примечание редактора: документ, на котором основана эта статья, был первоначально представлен на Международном симпозиуме IEEE 2021 года по проектированию соответствия продукции – Азия (ISPCE-ASIA), проходившем в Тайбэе, Тайвань, в ноябре/декабре 2021 года. Он перепечатан здесь с любезной разрешение IEEE. Авторские права 2021, IEEE.

После роста числа случаев возгорания электромобилей (EV) и систем хранения энергии (ESS) после многих лет эксплуатации, системы мониторинга состояния электромобилей и ESS по-прежнему остаются актуальной темой. Хотя измерить состояние работоспособности ячейки в статическом состоянии относительно легко, измерение состояния работоспособности ячейки, упакованной в систему и находящейся в рабочем состоянии, при использовании методологий статического измерения является довольно сложной задачей или требует много времени.

Однако износ одной ячейки в последовательном блоке снизит производительность всего блока, а ухудшение приведет к экономическим проблемам, таким как снижение срока службы или стоимость пробега, поэтому очень важно разработать систему мониторинга работоспособности без перерывов. фактической эксплуатации и разборки аккумуляторной батареи на модули и элементы.

Принимая во внимание важность состояния элементов в условиях тяжелых условий эксплуатации и длительного срока службы в электромобилях, IEC/ISO опубликовала стандарт производительности IEC 62660-1:2018 для элементов и ISO 12405-4:2018 для аккумуляторов. В обоих стандартах особое внимание уделяется характеристикам элементов в условиях динамического заряда и разряда не только в аккумуляторных электромобилях (BEV), но и в гибридных электромобилях (HEV).

Эти динамические профили учитывают такие условия, как:

Профиль тестирования, имитирующий реальную работу, создается соответствующим образом, как показано на рисунках 1 и 2 на основе стандартов IEC и ISO.

Рисунок 1. Динамический профиль разряда A для циклического испытания BEV в соответствии со стандартом IEC 62660-1 [1]

Рисунок 2. Динамический профиль разряда B для циклического испытания BEV в соответствии со стандартом IEC 62660-1 [2]

Как упоминалось в большинстве научных исследований, EIS рассматривался как комплексное описание структуры батареи, как показано на рисунке 3. Типичный EIS проводился путем измерения приложения переменного потенциала к гальваническому элементу, а затем измерения тока через элемент при различной частоте, обычно от частот от 1 мГц до 1 МГц.

Рисунок 3: Концепции EIS и ее связь с электрохимической структурой клетки [3]

Частоту реагирования можно рассматривать как описание электрохимической структуры клетки, поскольку между электродами находится множество слоев материалов, а внешний потенциал подобен камертону с разными частотами колебаний. Материал каждого слоя имеет разную характеристическую собственную частоту и будет находиться в резонансе, когда частота напряжения одинакова. Амплитуда характеристического пика частоты может быть аналогична толщине или массе материала. Чем толще материал, тем сильнее отклик.

Однако единый спектр для ячейки в один момент времени не имеет никакого значения, но при сравнении спектров по ячейке, когда толщина слоя изменяется в разных условиях эксплуатации, отклик меняется между экстремальными условиями, например, от SOC 0% до SOC 100%, поможет пользователям оценить состояние при измерении до исходного неиспользованного состояния.

Поскольку напряжение одной литий-ионной батареи или элемента составляет всего 3 В, для создания выходного напряжения 12 В, 48 В, 96 В или даже выше для мощностей более 5 кВт без технологий преобразования напряжения постоянного тока в постоянный потребуется объединить элементы. на последовательные блоки. Однако, поскольку электрохимические ячейки имеют разность внутренних сопротивлений, то и разность напряжений больше в конце блоков. Чтобы избежать перенапряжения ячеек в блоке, в соответствии с требованиями стандарта безопасности модулей, таких как IEC 62133, UL 2594 или UL 2580, каждая ячейка одной серии должна быть оснащена механизмами предотвращения перенапряжения или системами мониторинга, как показано на рисунке 4.