Monitoramento da integridade e previsão de células em um módulo ou pacote de bateria em condições operacionais

Nota do Editor: O artigo no qual este artigo se baseia foi originalmente apresentado no 2021 IEEE International Symposium on Product Compliance Engineering – Asia (ISPCE-ASIA), realizado em Taipei, Taiwan, em novembro/dezembro de 2021. É reimpresso aqui com o gracioso permissão do IEEE. Direitos autorais 2021, IEEE.

Após o crescimento dos incidentes de incêndio de veículos eléctricos (VE) e sistemas de armazenamento de energia (ESS) após anos de funcionamento, o sistema de monitorização da saúde dos VE e ESS ainda é um tema preocupante. Embora seja relativamente fácil medir o estado de saúde de uma célula sob condição estática, a medição do estado de saúde sobre a célula empacotada em um sistema e sob condição operacional é bastante difícil ou demorada com metodologias de medição estática.

No entanto, a deterioração de uma célula num bloco em série reduzirá o desempenho de todo o bloco, e a deterioração levará a preocupações económicas como a depreciação da vida útil ou o custo da quilometragem, por isso é muito importante desenvolver um sistema de monitorização da saúde sem a interrupção da operação real e desmontagem da bateria em módulos e células.

Considerando a importância da condição da célula sob demanda de serviço pesado e longa vida útil na aplicação EV, a IEC/ISO publicou o padrão de desempenho IEC 62660-1:2018 para a célula e ISO 12405-4:2018 para o pacote. Ambos os padrões enfatizam o desempenho da célula sob comportamentos dinâmicos de carga e descarga, não apenas em veículos elétricos a bateria (BEVs), mas também em veículos elétricos híbridos (HEVs).

Esses perfis dinâmicos levaram em consideração condições, como:

O perfil de teste que simula a operação na vida real é criado de acordo, como pode ser mostrado na Figura 1 e Figura 2 dos padrões IEC e ISO.

Figura 1: O perfil de descarga dinâmica A para teste de ciclo BEV na IEC 62660-1 [1]

Figura 2: O perfil de descarga dinâmica B para teste de ciclo BEV na IEC 62660-1 [2]

Como a maioria dos estudos de pesquisa referenciados, o EIS foi considerado uma descrição abrangente das estruturas da bateria, conforme mostrado na Figura 3. O EIS típico foi conduzido pela medição da aplicação de um potencial CA a uma célula eletroquímica e, em seguida, medindo a corrente através da célula sob várias frequências, geralmente de frequências tão baixas quanto 1mHz até tão altas quanto 1MHz.

Figura 3: Conceitos de EIS e suas relações com a estrutura eletroquímica de uma célula [3]

A frequência responsiva pode ser considerada como uma descrição da estrutura eletroquímica da célula, pois existem muitas camadas de materiais entre os eletrodos, e o potencial externo é como um diapasão ajustado em diferentes frequências de vibração. Cada material de camada tem frequência natural característica diferente e estará em ressonância quando a frequência de tensão for a mesma. A amplitude do pico de frequência característico pode ser análoga à espessura ou à massa do material. Quando o material é mais espesso, a resposta é mais forte.

No entanto, um único espectro de uma só vez para uma célula não constitui qualquer significado, mas ao comparar espectros através da célula quando as espessuras da camada mudaram sob diferentes condições operacionais, a resposta muda entre condições extremas, por exemplo, SOC 0% a SOC 100%, ajudará os usuários a estimar a condição sob a medição em relação à condição original não utilizada.

Como a voltagem de uma única bateria ou célula de íon de lítio é de apenas 3 volts, a criação de uma saída de 12 volts, 48 ​​volts, 96 volts ou mesmo superior para grandes potências de mais de 5 KWs sem tecnologias de transformação de tensão DC/DC precisará combinar células em blocos de série. Porém, como as células eletroquímicas possuem diferenças de resistência interna, a diferença de tensão é maior nas extremidades dos blocos. Para evitar sobretensão das células do bloco, com base nos requisitos da norma de segurança do módulo como IEC 62133, UL 2594 ou UL 2580, cada célula da mesma série é necessária para integrar mecanismos de prevenção de sobretensão ou sistemas de monitoramento, conforme mostrado na Figura 4.