Ladezustand der Lithiumbatterie

Messung des Lithium-Ionen-Ladezustands (SoC).

Die Lithium-Ionen-Batterien werden immer wieder in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet.Um eine effektive Batterienutzung und längere Lebensdauer zu gewährleisten, ist die Batteriemanagementsysteme (BMS) beschäftigt sind.Neuere BMS werden immer ausgeklügelter und verursachen einen höheren Verbrauchsaufwand für die Batterie.Der geschätzte SoC wird kalibriert, indem eine ursprüngliche ereignisgesteuerte Open Circuit Voltage (OCV)-zu-SoC-Kurvenbeziehung verwendet wird.Der entwickelte Systemvergleich erfolgt mit den traditionellen Pendants.Die Ergebnisse zeigen eine um mehr als dritte Größenordnung bessere Leistung des vorgeschlagenen Systems in Bezug auf Kompressionsgewinn und Recheneffizienz, während eine analoge Genauigkeit der SoC-Schätzung sichergestellt wird.

Definition und Klassifizierung der SOC-Schätzung

SOC ist einer der wichtigsten Parameter für Batterien, aber seine Definition wirft viele verschiedene Probleme auf.Im Allgemeinen ist der SOC einer Batterie definiert als das Verhältnis ihrer aktuellen Kapazität () zur Nennkapazität ().Die Nennkapazität wird vom Hersteller angegeben und stellt die maximale Ladungsmenge dar, die in der Batterie gespeichert werden kann.Der SOC kann wie folgt definiert werden:

Ladezustand (SoC) ist der Ladezustand einer elektrischen Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität.Die Einheiten des SoC sind Prozentpunkte (0 % = leer; 100 % = voll).Eine alternative Form des gleichen Maßes ist die Entladetiefe (DoD), das Gegenteil von SoC (100 % = leer; 0 % = voll).

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Messung des Lithium-Ionen-Ladezustands (SoC) zu erhalten oder Entladetiefe (DoD) für eine Lithiumbatterie.Einige Methoden sind ziemlich kompliziert umzusetzen und erfordern eine komplexe Ausrüstung (Impedanzspektroskopie oder Hydrometer für Blei-Säure-Batterien).

Wir werden hier die beiden gebräuchlichsten und einfachsten Methoden zur Schätzung des Ladezustands einer Batterie erläutern: Spannungsmethode oder Leerlaufspannung (OCV ) und Coulomb-Zählverfahren.

1/ SoC-Schätzung mit Open Circuit Voltage Method (OCV)

Alle Arten von Batterien haben eines gemeinsam: Je nach Ladezustand sinkt oder steigt die Spannung an ihren Klemmen.Die Spannung ist am höchsten, wenn der Akku voll geladen ist, und am niedrigsten, wenn er leer ist.

Dieser Zusammenhang zwischen Spannung und SOC hängt direkt von der verwendeten Batterietechnologie ab.Als Beispiel vergleicht das folgende Diagramm die Entladekurven zwischen einer Bleibatterie und einer Lithium-Ionen-Batterie.

Es ist zu erkennen, dass Blei-Säure-Batterien einen relativ linearen Verlauf haben, was eine gute Abschätzung des Ladezustands erlaubt: Bei einer gemessenen Spannung lässt sich ziemlich genau der Wert des zugehörigen SoC abschätzen.

Allerdings haben Lithium-Ionen-Akkus eine viel flachere Entladekurve, was bedeutet, dass sich die Spannung an den Batterieklemmen über einen weiten Betriebsbereich nur geringfügig ändert.

Die Lithium-Eisen-Phosphat-Technologie hat die flachste Entladungskurve, was es sehr schwierig macht, den SoC bei einer einfachen Spannungsmessung abzuschätzen.Tatsächlich kann die Spannungsdifferenz zwischen zwei SoC-Werten so klein sein, dass es nicht möglich ist, den Ladezustand mit guter Genauigkeit abzuschätzen.

Das folgende Diagramm zeigt, dass die Spannungsmessungsdifferenz zwischen einem DoD-Wert von 40 % und 80 % bei einer 48-V-Batterie in Blei-Säure-Technologie etwa 6,0 V beträgt, während sie bei Lithium-Eisen-Phosphat nur 0,5 V beträgt!

Speziell für Lithium-Ionen-Batterien im Allgemeinen und Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Besonderen können jedoch kalibrierte Ladeanzeiger verwendet werden.Eine präzise Messung, gekoppelt mit einer modellierten Lastkurve, ermöglicht SoC-Messungen mit einer Genauigkeit von 10 bis 15 %.

2/ SoC-Schätzung mit der Coulomb-Zählmethode

Um den Ladezustand bei der Verwendung der Batterie zu verfolgen, besteht die intuitivste Methode darin, dem Strom zu folgen, indem er während der Verwendung der Zelle integriert wird.Diese Integration ergibt direkt die Anzahl der in die Batterie eingespeisten oder aus ihr entnommenen elektrischen Ladungen, wodurch der SoC der Batterie genau quantifiziert werden kann.

Im Gegensatz zur OCV-Methode ist diese Methode in der Lage, die Entwicklung des Ladezustands während der Batterienutzung zu bestimmen.Es ist nicht erforderlich, dass die Batterie im Ruhezustand ist, um eine genaue Messung durchzuführen.

Coulomb-Zähler

Obwohl die Strommessung von einem Präzisionswiderstand durchgeführt wird, können kleine Messfehler in Bezug auf die Abtastfrequenz auftreten.Um diese geringfügigen Fehler zu korrigieren, wird der Coulomb-Zähler bei jedem Belastungszyklus neu kalibriert.

Lithium-Ionen Ladezustand (SoC) Die durch Coulomb-Zählung durchgeführte Messung ermöglicht einen Messfehler von weniger als 1 %, was eine sehr genaue Anzeige der in der Batterie verbleibenden Energie ermöglicht.Im Gegensatz zur OCV-Methode ist die Coulomb-Zählung unabhängig von Batterieleistungsschwankungen (die zu Batteriespannungsabfällen führen), und die Genauigkeit bleibt unabhängig von der Batterienutzung konstant.