Lithium batteri ladetilstand (SOC)

Måling af lithium-ion ladningstilstand (SOC).

Anvendelsen af ​​lithium-ion-batterier er udbredt på tværs af forskellige applikationer. For at maksimere deres effektivitet og levetid, batteristyringssystemer (BMS) anvendes. Det er dog vigtigt at bemærke, at de seneste fremskridt inden for BMS-teknologi har ført til øget energiforbrug, hvilket kan have en negativ indvirkning på batteriets ydeevne.

For at løse dette problem er der udviklet en innovativ tilgang. Batteriets estimerede ladetilstand (SOC) kalibreres ved hjælp af en hændelsesdrevet åben kredsløbsspænding (OCV) til SOC-kurveforhold. Denne metode sikrer nøjagtig SOC-estimering og minimerer samtidig energiforbruget.

For at validere effektiviteten af ​​denne tilgang blev der foretaget en sammenligning med traditionelle BMS-systemer. Resultaterne viser klart det foreslåede systems overlegenhed. Den udkonkurrerer traditionelle modparter med mere end en tredje størrelsesorden med hensyn til kompressionsforstærkning og beregningseffektivitet. Det er vigtigt, at denne forbedrede ydeevne ikke kompromitterer præcisionen af ​​SOC-estimering.

Som konklusion tilbyder det foreslåede system en løsning på de udfordringer, som sofistikeret BMS-teknologi udgør. Ved at bruge en hændelsesdrevet OCV til SOC-kurverelation opnår den betydelige forbedringer i kompressionsforstærkning og beregningseffektivitet. Denne innovative tilgang sikrer effektiv batteriudnyttelse og længere levetid uden at gå på kompromis med nøjagtigheden af ​​SOC-estimeringen.

Definition og klassificering af SOC-estimering

SOC er en af ​​de vigtigste parametre for batterier, men dens definition præsenterer mange forskellige problemer. Generelt defineres et batteris SOC som forholdet mellem dets nuværende kapacitet () og den nominelle kapacitet (). Den nominelle kapacitet er angivet af producenten og repræsenterer den maksimale mængde ladning, der kan opbevares i batteriet. SOC kan defineres som følger:

Ladningstilstand (SOC) er ladningsniveauet for et elektrisk batteri i forhold til dets kapacitet. Enhederne for SOC er procentpoint (0% = tom; 100% = fuld). En alternativ form for det samme mål er udledningsdybden (DOD), det omvendte af SOC (100% = tom; 0% = fuld).

Der er flere måder at få Lithium-Ion State of Charge (SOC) måling eller Depth of Discharge (DOD) til et lithiumbatteri. Nogle metoder er ret komplicerede at implementere og kræver komplekst udstyr (impedansspektroskopi eller hydrometermåler til bly-syre-batterier).

Vi vil her detaljere de to mest almindelige og enkleste metoder til at estimere ladetilstanden for et batteri: spændingsmetode eller Åben kredsløbsspænding (OCV ) og coulomb-tællemetode.

1/ SOC-estimering ved hjælp af Open Circuit Voltage Method (OCV)

Alle typer batterier har én ting til fælles: Spændingen ved deres terminaler falder eller stiger afhængigt af deres ladeniveau. Spændingen vil være højest, når batteriet er fuldt opladet, og lavest, når det er tomt.

Dette forhold mellem spænding og SOC afhænger direkte af den anvendte batteriteknologi. Som et eksempel sammenligner diagrammet nedenfor afladningskurverne mellem et blybatteri og et lithium-ion-batteri.

Det kan ses, at bly-syre-batterier har en relativt lineær kurve, hvilket tillader en god vurdering af ladetilstanden: For en målt spænding er det muligt at estimere ret præcist værdien af ​​den tilhørende SOC.

Lithium-ion-batterier har dog en meget fladere afladningskurve, hvilket betyder, at over et bredt driftsområde ændres spændingen ved batteripolerne meget lidt.

Lithium Iron Phosphate teknologien har den fladeste udladningskurve, hvilket gør det meget svært at estimere SOC på en simpel spændingsmåling. Spændingsforskellen mellem to SOC-værdier kan faktisk være så lille, at det ikke er muligt at estimere ladetilstanden med god præcision.

Diagrammet nedenfor viser, at spændingsmålingsforskellen mellem en DOD-værdi på 40% og 80% er omkring 6,0V for et 48V batteri i bly-syre teknologi, mens det kun er 0,5V for lithium-jern-phosphat!

Kalibrerede ladningsindikatorer kan dog bruges specifikt til lithium-ion-batterier generelt og lithium-jernfosfat-batterier i særdeleshed. En præcis måling kombineret med en modelleret belastningskurve gør det muligt at opnå SOC-målinger med en nøjagtighed på 10 til 15 %.

2/ SOC-estimering ved hjælp af Coulomb-tællingsmetoden

For at spore ladetilstanden, når du bruger batteriet, er den mest intuitive metode at følge strømmen ved at integrere den under cellebrug. Denne integration giver direkte antallet af elektriske ladninger indsprøjtet eller trukket ud af batteriet, hvilket gør det muligt præcist at kvantificere batteriets SOC.

I modsætning til OCV-metoden er denne metode i stand til at bestemme udviklingen af ​​ladetilstanden under batteribrug. Det kræver ikke, at batteriet er i ro for at udføre en nøjagtig måling.

Coulomb tæller

For at sikre nøjagtig strømmåling er det vigtigt at adressere eventuelle potentielle fejl, der kan opstå på grund af prøveudtagningsfrekvensen. Mens strømmåling typisk udføres ved hjælp af en præcisionsmodstand, kan der stadig forekomme små fejl. Disse fejl kan tilskrives prøveudtagningsfrekvensen, hvilket kan medføre marginale unøjagtigheder. Der er dog en løsning til at rette op på disse fejl og sikre præcise målinger.

For at rette eventuelle marginale fejl forårsaget af prøvetagningsfrekvensen gennemgår coulomb-tælleren en rekalibrering ved hver belastningscyklus. Denne genkalibreringsproces er afgørende for at opretholde nøjagtigheden af ​​strømmålingen. Ved at genkalibrere coulomb-tælleren korrigeres eventuelle fejl, der måtte være opstået under den foregående belastningscyklus, hvilket sikrer, at efterfølgende målinger er præcise og pålidelige.

Ved at implementere denne genkalibreringsproces forbedres nøjagtigheden af ​​strømmåling markant. Det giver mulighed for identifikation og korrektion af eventuelle marginale fejl, der kan være blevet introduceret på grund af prøveudtagningsfrekvensen. Dette sikrer, at de opnåede målinger er meget nøjagtige og kan stole på til forskellige applikationer, såsom i videnskabelig forskning, industrielle processer eller elektronisk kredsløbsdesign.

Som konklusion, mens strømmåling ved hjælp af en præcisionsmodstand generelt er pålidelig, kan der stadig forekomme små fejl på grund af samplingsfrekvensen. Men ved at genkalibrere coulomb-tælleren ved hver belastningscyklus kan disse marginale fejl korrigeres. Dette sikrer, at de opnåede målinger er meget nøjagtige og kan stole på en bred vifte af applikationer. Ved at implementere denne genkalibreringsproces kan du have tillid til præcisionen og pålideligheden af ​​dine aktuelle målinger.

Lithium-ion State of Charge (SOC) måling foretaget ved coulomb-tælling tillader en målefejl på mindre end 1 %, hvilket giver en meget præcis indikation af den resterende energi i batteriet. I modsætning til OCV-metoden er coulomb-tælling uafhængig af batteristrømsudsving (som forårsager batterispændingsfald), og nøjagtigheden forbliver konstant uanset batteriforbrug.