لتیم آئن بیٹریوں کے لیے ہیلتھ کوڈ کو غیر مقفل کرنا: چارج اور ڈسچارج کی خصوصیات پر مبنی الیکٹروڈ معلومات نکالنے اور نگرانی کے لیے ایک نئی حکمت عملی

خلاصہ

برقی گاڑیوں جیسی ایپلی کیشنز میں لیتھیم آئن بیٹریوں کی بہتر کارکردگی کو یقینی بنانے کے لیے، ان کی حالت کی نگرانی کے لیے بیٹری مینجمنٹ سسٹم (BMS) کا استعمال کرنا ضروری ہے۔ اس مقصد کے لیے، الیکٹروڈ پیمانے پر بیٹری کی نگرانی کے لیے غیر حملہ آور آلات کی ضرورت ہوتی ہے۔ یہ مضمون بیٹری کی چارجنگ اور ڈسچارجنگ سے الیکٹروڈ کی معلومات (متوازن صلاحیت، صلاحیت، اور بیٹری چارجنگ سٹیٹ کے افعال کے طور پر لیتھیشن کی شرح) نکالنے کا طریقہ تجویز کرتا ہے۔ اس معلومات کا تعین کرنے کے لیے ایک چھدم OCV ماڈل استعمال کیا گیا، جو بیٹری کے اوور وولٹیج سے متعلق تعصب کو کم کر سکتا ہے۔ ایل ایف پی/ گریفائٹ لیتھیم آئن بیٹریوں کی سیوڈو او سی وی اوسط (خارج اور چارج کے درمیان) پیمائش میں مطلوبہ پیرامیٹرز کی درستگی تقریباً 1 ایم وی ہے۔ یہ طریقہ کسی بھی بیٹری کیمسٹری کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

1. تعارف

LIBs کی نگرانی کا مطالبہ:الیکٹرک گاڑیوں جیسی ایپلی کیشنز میں لیتھیم آئن بیٹریوں کے استعمال کے لیے بیٹری مینجمنٹ سسٹم (BMS) کی ضرورت ہوتی ہے تاکہ حفاظت، بہتر کارکردگی اور طویل عمر کو یقینی بنانے کے لیے ان کی حیثیت کی نگرانی کی جا سکے۔

روایتی نگرانی کی خامیاں اور بہتری:روایتی طور پر، LIBs کی اندرونی حالت کے بارے میں کوئی معلومات کے بغیر، 'مکمل' کے طور پر نگرانی کی جاتی تھی۔ درحقیقت، لیتھیم آئن بیٹریاں کئی اندرونی اجزاء پر مشتمل ہوتی ہیں جن میں مثبت اور منفی الیکٹروڈ، الیکٹرولائٹ اور الگ کرنے والا شامل ہوتا ہے۔ اس مضمون کا مقصد بیٹری کی حالت کے چارج (SOC) کے افعال کے طور پر الیکٹروڈ کی صلاحیت اور توازن کی صلاحیت کا تعین کرنے پر توجہ مرکوز کرنے کے ساتھ، بہتر کنٹرول کے لیے LIBs کی الیکٹروڈ حیثیت کی نگرانی کرنا ہے۔

یہ مضمون طریقہ کار کا ایک جائزہ فراہم کرتا ہے:LIBS الیکٹروڈز کی حالت کا تعین کرنے کے لیے چھدم OCV ماڈل پر مبنی ایک طریقہ تجویز کیا گیا ہے۔ اس طریقہ کار کی خصوصیت بیٹری سیوڈو OCV کی اوسط پیمائش کی قدر اور الیکٹروڈ توازن کی صلاحیت کے اوسط حوالہ وکر کو استعمال کرنا ہے۔ مضمون سیکشن 2 میں LIBs pseudo OCV کی تشکیل کو بیان کرتا ہے اور الیکٹروڈ سٹیٹ پیرامیٹرز اور pseudo OCV سے متعلق ریاضیاتی مساوات قائم کرتا ہے۔ سیکشن 3 میں، الیکٹروڈ پیرامیٹرز کا تعین کرنے کا طریقہ متعارف کرایا گیا تھا۔ اس طریقہ کار کے نتائج کا سیکشن 4 میں جائزہ لیا گیا۔

2. LIB چھدم OCV خصوصیات

2.1 سیوڈو او سی وی کی تعریف اور ماڈلنگ

تعریف:Pseudo OCV (pOCV) بیٹری وولٹیج ہے جب بیٹری اوور وولٹیج (η) کئی دس ملی وولٹ (یعنی بہت کم کرنٹ پر) کے برابر ہے، اور OCV بیٹری کے توازن وولٹیج کی نمائندگی کرتا ہے۔

متاثر کرنے والے عوامل:OCV بیٹری کے چارج کی حالت (SOC) اور درجہ حرارت T کے ساتھ مختلف ہوتا ہے، بشمول مختلف داخلی مظاہر کی شراکت جیسے اوہمک اثر (الیکٹرولائٹ میں لیتھیم آئنوں کی نقل و حمل اور الیکٹروڈز میں الیکٹران، بیرونی برقی کنیکٹر وغیرہ)۔ اور متحرک اثرات (ہر الیکٹروڈ پر لیتھیم چارجز کی منتقلی اور پھیلاؤ)۔ η درجہ حرارت، SOC، اور بیٹری کی تاریخ (بیٹری کی چارجنگ اور ڈسچارج اور اس کی صحت کی حالت) سے بھی متاثر ہوتا ہے، اس لیے pOCV بھی ان پیرامیٹرز کے ساتھ مختلف ہوتا ہے۔ یہ مضمون بنیادی طور پر SOC پر اس کے انحصار پر توجہ مرکوز کرتا ہے، جبکہ دیگر پیرامیٹرز کو مستقل سمجھا جاتا ہے۔ SOC کا حساب فارمولہ استعمال کرتے ہوئے کیا جاتا ہے:

حساب لگائیں، SOCinit ابتدائی چارجنگ حالت ہے، I ناپا کرنٹ ہے، اور t وقت کی نمائندگی کرتا ہے۔

2.2 متوازن وولٹیج

تفصیل:بیٹری کا OCV مثبت اور منفی الیکٹروڈ کے توازن پوٹینشل (OCPs) کے درمیان فرق ہے۔ سبسکرپٹس PE اور NE بالترتیب مثبت اور منفی الیکٹروڈ کی نمائندگی کرتے ہیں۔ x اور y الیکٹروڈز کی لیتھیشن کی شرحیں ہیں، جو ان کی چارج حالت کے ان کی گنجائش کے تناسب کے طور پر بیان کی گئی ہیں۔ الیکٹروڈ کی صلاحیت ان کے مخصوص ڈیزائن اور الیکٹرو کیمیکل خصوصیات سے متعلق ہے۔ الیکٹروڈ کا OCP ایک حوالہ الیکٹروڈ (عام طور پر ایک حوالہ الیکٹروڈ کے طور پر دھاتی لیتھیم الیکٹروڈ (Li+/Li) کا استعمال کرتے ہوئے) کے مقابلے میں توازن میں ماپا جانے والی بجلی کی مقدار ہے، جو لیتھیئشن کی شرح کے ساتھ غیر خطوط سے مختلف ہوتی ہے اور الیکٹروڈ کے استعمال سے متاثر ہوتی ہے۔ تاریخ (ہسٹریسس)۔ OCP وکر ایک یا زیادہ سطح مرتفع پیش کر سکتا ہے، جن کی تعداد الیکٹروڈ کی کیمیائی ساخت پر منحصر ہے۔

اصل LIB میں پوزیشن:تصویر 3 اصل LIB میں الیکٹروڈ OCP (لیتھیشن ریٹ کے مقابلے) اور بیٹری OCV منحنی خطوط (بیٹری SOC کے مقابلے) کو دکھاتا ہے۔ جیسے جیسے بیٹری SOC بڑھتی ہے (چارج کے دوران)، x بڑھتا ہے اور y کم ہوتا ہے کیونکہ لیتھیم آئن مثبت الیکٹروڈ سے منفی الیکٹروڈ میں منتقل ہوتے ہیں (خارج کے دوران الٹ)۔ لہذا، تصویر 3 میں OCPPE وکر کو شکل 2 کے مقابلے میں الٹ دیا گیا ہے۔ Cbat بیٹری کی صلاحیت ہے، جس کی تعریف SOC کی زیادہ سے زیادہ قیمت کے طور پر کی جاتی ہے (جب بیٹری مکمل طور پر چارج یا ڈسچارج ہو جاتی ہے)، ybat، 100% ہے بیٹری کے مکمل چارج ہونے پر پی ای کی لیتھی ایشن کی شرح (جب SOCmax=Cbat)، xbat، 0% NE کی لیتھی ایشن کی شرح ہے جب بیٹری پوری طرح سے ڈسچارج ہو جاتی ہے (جب SOCmin=0 Ah)، اور بیٹری وولٹیج کی کم از کم (2.5 V) اور زیادہ سے زیادہ (3.6 V) حدیں مکمل طور پر ڈسچارج اور چارج شدہ حالتوں کے مساوی ہوتی ہیں۔ بیٹری کی، بالترتیب.

حقیقی LIBs کے لیے، الیکٹروڈ کو مکمل طور پر استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ جب بیٹری پوری طرح سے چارج ہو جاتی ہے، تو PE کی لیتھیشن ریٹ ybat 100% کے قریب ہوتی ہے (یعنی 1-ybat، 1 کے قریب 100%، جیسا کہ شکل 3 میں دکھایا گیا ہے)۔ جب بیٹری مکمل طور پر ڈسچارج ہو جاتی ہے، تو NE کی لیتھیشن ریٹ xbat بھی 0% کے قریب ہوتی ہے۔ عام طور پر، NE کی ڈیزائن کی گنجائش CNE PE کی CPE کی صلاحیت سے زیادہ ہے، اس لیے شکل 3 میں OCPNE (Ah میں) کا وکر OCPPE سے زیادہ ہے۔ NE کی انتہائی بڑی صلاحیت اس کی لیتھی ایشن کی شرح x کو حقیقی LIB میں 1 تک پہنچنے سے روکتی ہے، اس کے OCP کو 0 V Li+/Li تک گرنے سے روکتی ہے (شکل 3، x=1 دیکھیں)، جو کہ رد عمل کی ممکنہ قدر ہے۔ (جسے لیتھیم چڑھانا کہا جاتا ہے) جو LIB واقع نہیں ہونا چاہتا ہے۔ شکل 3 سے، بیٹری SOC، x، اور y کے درمیان تعلق قائم کیا جا سکتا ہے، جس سے مساوات (3) اور (4) کا استعمال کرتے ہوئے بیٹری SOC کا حساب لگایا جا سکتا ہے۔ مساوات (5) اور (6) SOC اور دیگر پیرامیٹرز کی بنیاد پر x اور y کی نمائندگی کرتے ہیں۔ مزید برآں، الیکٹروڈ OCP کو مساوات (2) اور (1) کو ملا کر pOCV اظہار میں ضم کیا جا سکتا ہے۔

3. الیکٹروڈ ریاست کی شناخت کا طریقہ

پیرامیٹرز اور پیمائش:پچھلے حصے میں، یہ واضح کیا گیا تھا کہ الیکٹروڈ حالت کی وضاحت کرنے والے پیرامیٹرز (OCP الیکٹروڈ، xbat، 0%، ybat، 100%، CNE، اور CPE) سبھی بیٹری کے سیوڈو OCV میں شامل ہیں۔ ان پیرامیٹرز کا تعین کرنے کے لیے، بیٹری کے پی او سی وی اور ریفرنس الیکٹروڈ OCP منحنی خطوط کے ڈسچارج یا چارج کی پیمائش کو نان لائنر کم سے کم مربع فٹنگ کے ذریعے پیرامیٹرز کی شناخت کے لیے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

ان پٹ ڈیٹا اور مقصدی فنکشن:ان پٹ ڈیٹا میں چارجنگ اور ڈسچارج کے دوران بیٹری کی سیوڈو OCV پیمائش کی قدروں اور SOC کے درمیان تعلق کا مطالعہ کرنا شامل ہے، تاکہ اوسط چھدم OCV پیمائش کی قدر (pOCVavg.meas (SOC)) حاصل کی جا سکے۔ شکل 4 (b) سے، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ خارج ہونے والے منحنی خطوط کی اوور وولٹیج کم SOC کی طرف بڑھتی ہے، جب کہ چارج وکر کی اوور وولٹیج اعلی SOC کی طرف بڑھتی ہے۔ لہذا، ∆ η کم اور زیادہ بیٹری SOC دونوں سے بڑھتا ہے۔ صرف اس علاقے پر توجہ مرکوز کریں جس میں تین پلیٹ فارم شامل ہیں (شکل 4 (a) دیکھیں)، جہاں مفید معلومات نکالی جا سکتی ہیں، اور ∆ η خارج ہونے والے مادہ اور چارج اوور وولٹیج سے تین گنا چھوٹا ہے۔ اس کے علاوہ، یہ مشاہدہ کیا جا سکتا ہے کہ pOCV اور OCV منحنی خطوط کے درمیان پلیٹ فارم کی ایک اہم تبدیلی ہے۔ pOCV اور OCV کی اوسط قدروں کا موازنہ کرنے سے، شفٹ بہت کم ہو جاتی ہے، جو اس بات کی تصدیق کرتی ہے کہ توقع کے مطابق، اوسط pOCV میں ∆ η کی شراکت کو نظر انداز کیا جا سکتا ہے۔

الگورتھم کے اقدامات:شکل 5 متلاب سافٹ ویئر کے نان لائنر کم سے کم اسکوائر آپٹیمائزیشن فنکشن lsqnonlin کا ​​استعمال کرتے ہوئے الگورتھم کے مختلف مراحل دکھاتا ہے۔ پیرامیٹرز xbat، 0% اور ybat، 100% 0 اور 1 کے درمیان محدود اور صفر پر شروع کیا گیا۔ CNE اور CPE کو Cbat سے شروع کیا گیا ہے اور اس پر پابندی ہے: CNE کے لئے، Cbat اور 1.4Cnom کے درمیان؛ CPE کے لیے، یہ Cbat اور 1.2Cnom کے درمیان ہے (Cnom بیٹری کی صلاحیت ہے جو مینوفیکچرر فراہم کرتی ہے)۔ الگورتھم میں، تخمینہ شدہ الیکٹروڈ OCP کو مندرجہ ذیل طریقے سے بیٹری SOC کے ایک فنکشن کے طور پر دکھایا گیا ہے:

4. نتائج اور بحث

تجرباتی سیٹ اپ:مجوزہ طریقہ کا جائزہ لینے کے لیے، مطالعہ A123Systems کے LIB پر کیا گیا۔ بیٹری کی برائے نام صلاحیت (Cnom) 2.3Ah ہے اور شکل میں بیلناکار ہے (سائز 18650)، جس میں گریفائٹ منفی الیکٹروڈ اور ایک LFP مثبت الیکٹروڈ ہوتا ہے۔ اس مطالعہ میں، چارج C/25 (92mA) اور ڈسچارج C/25 پر کئے گئے pOCV پیمائش کے ٹیسٹ کے ابتدائی نتائج سے پتہ چلتا ہے کہ Cbat بیٹری کی صلاحیت Cnom کے تقریباً 93% تھی۔ یہ ٹیسٹ کمرے کے درجہ حرارت (25 ڈگری سینٹی گریڈ) پر کیے گئے تھے اور بیٹری کی کم از کم اور زیادہ سے زیادہ وولٹیجز بالترتیب 2.5V اور 3.6V تک محدود تھیں۔

نتیجہ ڈسپلے:تصویر 6 بیٹریوں کے مطالعہ میں اس طریقہ کار کو لاگو کرنے کے نتائج کو ظاہر کرتی ہے۔ شکل 6 (a) میں، بیٹری الیکٹروڈ کا اوسط OCP وکر سیاہ میں دو متضاد عمودی لائنوں کے درمیان کے علاقے سے مساوی ہے۔ تخمینہ شدہ اوسط OCV (OCVest.avg) (سبز وکر) خطے کے اندر OCPavg, PE، اور OCPavg, NE منحنی خطوط کے درمیان فرق کی نمائندگی کرتا ہے۔ شکل 6 (b) سے، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ تخمینہ شدہ OCVest.avg وکر میں، آخری دو پلیٹ فارمز کے درمیان ہائی وولٹیج کی طرف ڈھلوان OCPNE، اوسط وکر کی ہمواری کی وجہ سے ہموار ہو جاتی ہے (شکل 6 (a) دیکھیں) . مجموعی طور پر، تخمینہ شدہ OCVest.avg وکر اوسط pOCV پیمائش کی قدر کے قریب ہے۔ اوسط pOCV پیمائش اور تخمینہ اوسط OCV کے درمیان جڑ کا مطلب مربع غلطی (RMSE) 1mV (تقریبا 0.87mV) سے کم ہے، جو قابل قبول ہے۔

پیرامیٹر کے نتائج:حاصل شدہ لیتھیشن کی شرح xbat، {{0}}% اور ybat, 100% تقریباً 0.024 کے برابر ہیں (0 کے قریب ایک قدر)۔ صلاحیت CPE اور CNE کی قدریں بالترتیب Cbat کی قدر سے 10% اور 30% بڑی ہیں (یعنی بیٹری میں مثبت اور منفی الیکٹروڈ بالترتیب تقریباً 10% اور 30% استعمال نہیں ہوتے ہیں)۔ CNE کی قدر CPE کے مقابلے میں تقریباً 24% زیادہ ہے۔ جسمانی نقطہ نظر سے، ہم دیکھ سکتے ہیں کہ ان چار پیرامیٹرز کی وسعت کی ترتیب معنی خیز ہے۔ پھر، ان اقدار کو الیکٹروڈ OCP کا تعین کرنے کے لیے بیٹری SOC کے ایک فنکشن کے طور پر چارجنگ اور ڈسچارج کرنے کے لیے بالترتیب، مساوات (8) اور (9) کا استعمال کرتے ہوئے الیکٹروڈ OCP کے حوالہ وکر سے استعمال کیا جا سکتا ہے۔

5. خلاصہ

طریقہ کار کا خلاصہ:یہ مضمون حقیقی LIBs الیکٹروڈ کے توازن کی صلاحیت، صلاحیت، اور لیتھیشن کی شرح کو نکالنے کے لیے ایک طریقہ تجویز کرتا ہے۔ طریقہ ایک چھدم OCV ماڈل کا استعمال کرتا ہے اور ان پیرامیٹرز کا تعین نان لائنر کم از کم مربع فٹنگ کے ذریعے کرتا ہے۔ یہ LIBs pseudo OCV کی اوسط (چارج اور خارج ہونے والے مادہ کے درمیان) پیمائش اور الیکٹروڈ OCP کے حوالہ وکر کا مطالعہ کرکے حاصل کیا جاتا ہے۔

درخواست کے امکانات:یہ طریقہ تجارتی LFP/graphite LIB پر لاگو کیا گیا ہے، اور حاصل کردہ نتائج درستگی کے لحاظ سے تسلی بخش ہیں۔ بیٹری کی زندگی کے دوران طے شدہ پیرامیٹرز کے ارتقاء کو ٹریک کرکے LIBs کی تشخیص کے لیے آسانی سے استعمال کیا جا سکتا ہے، خاص طور پر الیکٹروڈ کی گنجائش (CPE اور CNE) اور لیتھی ایشن کی شرح (ybat, 10% and xbat, 0%)۔