Ανάπτυξη τεχνικών ελέγχου για τη βελτίωση της λειτουργίας συστημάτων αποθήκευσης ενέργειας μπαταριών ιόντων-λιθίου
Authors: Κοσέογλου Μάρκος 
Published: April 2022

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.