Modellazione e simulazione del litio ad alta densità di energia

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 9800 (2022) Citare questo articolo

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La batteria agli ioni di litio, un dispositivo di accumulo ad alta densità di energia, ha ampie applicazioni in gadget elettrici ed elettronici, computer, veicoli elettrici ibridi e veicoli elettrici. Questo documento presenta il rilevamento di guasti multipli della batteria agli ioni di litio utilizzando due filtri Kalman non lineari. È stato sviluppato un modello matematico non lineare discreto della batteria agli ioni di litio e per stimare i parametri del modello è stato utilizzato il filtro di Kalman non profumato (UKF). Il verificarsi di più guasti, quali sovraccarico, scarica eccessiva e cortocircuiti tra batterie di alimentazione tra celle, influisce sulla variazione dei parametri del modello di sistema. Combinazioni parallele di alcuni UKF (banco di filtri) confrontano la variazione dei parametri del modello tra la situazione normale e quella difettosa e generano un segnale residuo che indica un guasto diverso. Sono stati eseguiti risultati di simulazione di numerosi test statistici per la diagnosi dei guasti basata sui residui e il calcolo della soglia. Le prestazioni dell'UKF vengono quindi confrontate con il filtro Kalman esteso (EKF) con lo stesso modello di batteria e scenario di guasto. Il risultato della simulazione dimostra che il modello UKF risponde meglio e più rapidamente di quello EKF per la diagnosi dei guasti.

La batteria, una fonte di energia, è stata utilizzata dall'umanità sin dalla sua invenzione più di duecento anni fa. Dopo numerosi sviluppi, le batterie oggi disponibili sono più leggere, hanno una maggiore capacità di accumulo di energia, caratteristiche di sicurezza migliorate e una maggiore durata e hanno trovato idoneità in un'ampia gamma di applicazioni consumer e industriali1,2. Le batterie al litio sono state modificate in ioni di litio per renderle ricaricabili e applicate in gadget elettrici, computer, veicoli elettrici ibridi e veicoli elettrici ecc. Considerando aspetti come l'affidabilità e la sicurezza dei veicoli elettrici, è importante monitorare gli stati degli ioni di litio cellule durante il funzionamento. Ciò può essere gestito mediante la raccolta dei dati richiesti e la successiva stima degli stati delle celle attraverso un sistema di gestione della batteria (BMS)3,4. Le prestazioni delle celle della batteria dipendono da corrente, tensione e temperatura e lo stato delle celle include lo stato di carica (SOC)5,6,7, lo stato di salute (SOH)8,9,10 e lo stato di energia (SOE)11 e vita utile residua (RUL)12,13. I guasti nei veicoli elettrici sono indicati come (a) sovraccarico, (b) scarica eccessiva (c) cortocircuito interno ed esterno. Il guasto del cortocircuito interno ed esterno della batteria provoca la generazione di un'enorme quantità di calore che induce una pista termica. I guasti incontrollati della batteria sono di natura irreversibile e possono causare danni quando è grave14,15. Per annullare tali situazioni, è importante diagnosticare il guasto della batteria in modo rapido e accurato. È stato osservato dalla letteratura che la diagnosi di guasto della batteria agli ioni di litio è di crescente interesse tra i ricercatori sia in ambito industriale che accademico. Gli sforzi compiuti dai ricercatori mirano a rilevare diversi guasti della batteria utilizzando metodologie e tecniche avanzate. Una di queste tecniche è la diagnosi dei guasti basata sull'osservatore che offre una maggiore robustezza grazie alla sua capacità di evitare la perdita di informazioni sui guasti della batteria. Ciò può essere realizzato a causa di disturbi sconosciuti e di condizioni iniziali difettose. I vantaggi intrinseci di costi inferiori ed elevata flessibilità rendono le tecniche di diagnosi dei guasti basate su modelli una soluzione praticabile per una diagnosi accurata dei guasti16. L'osservatore Luenberger (LO) che utilizza una serie di osservatori di ordine ridotto17 può essere applicato al pacco batteria per il rilevamento dei guasti. Alcuni ricercatori hanno proposto un'analisi dei guasti di cortocircuito basata su modelli utilizzando tecniche avanzate come l'indentazione18, la penetrazione dei chiodi19, la fabbricazione con strutture difettose20 e l'instabilità termica a temperature estremamente elevate21. In un altro modello, le tensioni di uscita e le tensioni di uscita effettive delle batterie possono essere confrontate durante il processo di funzionamento del veicolo elettrico e il sistema di allarme verrà attivato quando il valore assoluto della differenza di tensione supera la soglia22,23. Inoltre, il filtro di Kalman trova la sua efficace applicazione per la diagnosi dei guasti nelle batterie agli ioni di litio24,25 in particolare quando il filtro ottimale mostra una forte robustezza con un segnale rumoroso. I metodi di rilevamento dei guasti basati su modello facilitati da una robustezza molto elevata possono essere utilizzati per rilevare accuratamente i guasti della batteria. La diagnosi dei guasti basata sul filtro Kalman adattivo per le batterie agli ioni di litio è allo studio di molti ricercatori26,27,28. Il filtro di Kalman adattivo può stimare gli stati dei parametri della batteria mediante il processo e la regolazione della covarianza del rumore di misura, cosa che non è possibile in caso di filtro di Kalman esteso in cui le informazioni sulle statistiche del rumore sono considerate il prerequisito per il corretto funzionamento del filtro, altrimenti potrebbero portare a risultati imprecisi. Recentemente si è parlato di sovraccarico e scarica eccessiva della batteria29. Viene discusso un documento di revisione sui meccanismi di guasto, sulle caratteristiche del guasto e sulle procedure di diagnosi30.