Ανάπτυξη τεχνικών ελέγχου για τη βελτίωση της λειτουργίας συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών ιόντων-λιθίου

Abstract

In this PhD dissertation, new control strategies and methods have been developed that can improve the performance of energy storage systems with lithium-ion batteries. Specifically, a new cell equalization method has been proposed for the improvement of the energy storage system in respect with the cell equalization procedure, while two new lithium plating detection methods have been proposed in order to improve the fast-charging procedure and thus the performance the energy storage system. The concept of the new cell equalization method is based on proper control of the charging current of each cell of a battery stack through the suitable regulation of the gate-source of each cell’s parallel connected MOSFET. The practicality and the effectiveness of the proposed cell equalization technique have been experimentally validated. The new cell equalization method also embodies the electrochemical impedance spectroscopy (EIS) technique, and thus, it can provide the high accurate estimation of the impedance of each Li-ion cell of a battery stack. This can be attained, because a smooth cell excitation current is provided through the proper control of the gate-source of each cell’s parallel-connected MOSFET and thus, effective harmonic analysis of the charging current can be accomplished. The accuracy of the proposed EIS technique has been validated by comparing it with a commercial laboratory instrument. The first proposed lithium plating detection method can be applied in real time during the charging procedure in a lithium-ion battery storage system. It is based on the impedance analysis of each battery cell, and it can be realized by utilizing the dynamic electrochemical impedance spectroscopy (DEIS) technique. Specifically, a sinusoidal current is superimposed on the charging current, and the battery impedance is analyzed in the frequency domain without interrupting the charging procedure. In case of lithium plating during charging, the graphite interfacial impedance is significantly decreased and thus, the lithium plating can be detected by monitoring the real and imaginary parts of the battery impedance in real-time. The second proposed lithium plating detection method for lithium-ion batteries can be also applied during the charging procedure and along with the VRP method can be used as a non-destructive, effective, and easy-to-apply tool. Specifically, during constant voltage (CV) charging and in case of lithium plating, a current plateau can be observed, which is correlated to the lithium plating process. Thus, by monitoring the current during the CV phase and through the differential current analysis (DCA), the lithium plating can be detecting by means of the local maximum of the differential curves of the current and capacity. In conclusion, the theoretical study and then the experimental results revealed that the new control methods can improve the performance of the energy storage systems with lithium-ion batteries, by enhancing both the performance of the cell equalization and the fast-charging procedure.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, αναπτύχθηκαν νέες στρατηγικές και μέθοδοι ελέγχου που μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες ιόντων λιθίου. Συγκεκριμένα, προτείνεται μια νέα μέθοδος εξισορρόπησης μπαταριών για τη βελτίωση του συστήματος αποθήκευσης ενέργειας σε σχέση με τη διαδικασία εξισορρόπησης ενέργειας, ενώ δύο νέες μέθοδοι ανίχνευσης επιμετάλλωσης λιθίου προτείνονται για τη βελτίωση της διαδικασίας της ταχείας φόρτισης και συνεπώς της απόδοσης του σύστημα αποθήκευσης ενέργειας. Η βασική ιδέα της νέας μεθόδου εξισορρόπησης μπαταριών βασίζεται στον κατάλληλο έλεγχο του ρεύματος φόρτισης κάθε κελιού μιας συστοιχίας μπαταρίας μέσω της κατάλληλης ρύθμισης της πύλης-πηγής του παράλληλα συνδεδεμένου MOSFET κάθε κελιού. Η πρακτικότητα και η αποτελεσματικότητα της προτεινόμενης τεχνικής εξισορρόπησης μπαταριών επικυρώνεται πειραματικά. Η νέα μέθοδος εξισορρόπησης ενσωματώνει επίσης την τεχνική ηλεκτροχημικής φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης και έτσι μπορεί να παρέχει την εκτίμηση της σύνθετης αντίστασης κάθε κελιού ιόντων λιθίου του συστήματος. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί, επειδή παρέχεται ένα ομαλό ρεύμα διέγερσης μέσω του κατάλληλου ελέγχου της πύλης-πηγής του παράλληλα συνδεδεμένου MOSFET κάθε κελιού και έτσι, μπορεί να επιτευχθεί αποτελεσματική αρμονική ανάλυση του ρεύματος φόρτισης. Η ακρίβεια της προτεινόμενης τεχνικής επικυρώνεται συγκρίνοντάς την με ένα εμπορικό όργανο εργαστηρίου. Η πρώτη προτεινόμενη μέθοδος ανίχνευσης επιμετάλλωσης λιθίου μπορεί να εφαρμοστεί σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης σε ένα σύστημα αποθήκευσης μπαταρίας ιόντων λιθίου. Βασίζεται στην ανάλυση σύνθετης αντίστασης κάθε μπαταρίας και μπορεί να πραγματοποιηθεί με τη χρήση της τεχνικής δυναμικής ηλεκτροχημικής φασματοσκοπίας σύνθετης αντίστασης. Συγκεκριμένα, ένα ημιτονοειδές ρεύμα υπερτίθεται στο ρεύμα φόρτισης και η σύνθετη αντίσταση της μπαταρίας αναλύεται στο πεδίο συχνότητας χωρίς να διακόπτεται η διαδικασία φόρτισης. Σε περίπτωση επιμετάλλωσης λιθίου κατά τη φόρτιση, η επιφανειακή αντίσταση του γραφίτη μειώνεται σημαντικά και έτσι, η επιμετάλλωση λιθίου μπορεί να ανιχνευθεί παρακολουθώντας το πραγματικό και το φανταστικό μέρος της σύνθετης αντίστασης της μπαταρίας σε πραγματικό χρόνο. Η δεύτερη προτεινόμενη μέθοδος ανίχνευσης επιμετάλλωσης λιθίου για μπαταρίες ιόντων λιθίου μπορεί επίσης να εφαρμοστεί κατά τη διαδικασία φόρτισης ως ένα μη καταστροφικό, αποτελεσματικό και εύκολο στην εφαρμογή εργαλείο. Συγκεκριμένα, κατά τη φόρτιση σταθερής τάσης και σε περίπτωση επιμετάλλωσης λιθίου, μπορεί να παρατηρηθεί ένα πλατό ρεύματος, το οποίο συσχετίζεται με τη διαδικασία επιμετάλλωσης λιθίου. Έτσι, παρακολουθώντας το ρεύμα κατά τη φάση φόρτισης με σταθερή τάση και μέσω της τεχνικής της διαφορικής ανάλυσης του ρεύματος, η επιμετάλλωση λιθίου μπορεί να ανιχνευθεί μέσω του τοπικού μέγιστου των διαφορικών καμπυλών του ρεύματος και της χωρητικότητας. Συμπερασματικά, με βάση τη θεωρητική μελέτη και στη συνέχεια τα πειραματικά αποτελέσματα προέκυψε το συμπέρασμα ότι οι νέες μέθοδοι ελέγχου μπορούν να βελτιώσουν την απόδοση των συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας με μπαταρίες ιόντων λιθίου, ενισχύοντας τόσο την απόδοση της εξισορρόπησης μπαταριών όσο και τη διαδικασία της ταχείας φόρτισης.