Ladezustand (SOC) der Lithiumbatterie

Messung des Lithium-Ionen-Ladezustands (SOC).

Der Einsatz von Lithium-Ionen-Batterien ist in verschiedenen Anwendungen weit verbreitet. Um ihre Effizienz und Lebensdauer zu maximieren, Batteriemanagementsysteme (BMS) eingesetzt werden. Es ist jedoch wichtig zu beachten, dass die jüngsten Fortschritte in der BMS-Technologie zu einem erhöhten Energieverbrauch geführt haben, was sich negativ auf die Batterieleistung auswirken kann.

Um dieses Problem anzugehen, wurde ein innovativer Ansatz entwickelt. Der geschätzte Ladezustand (SOC) der Batterie wird mithilfe einer ereignisgesteuerten Beziehung zwischen Leerlaufspannung (OCV) und SOC-Kurve kalibriert. Diese Methode gewährleistet eine genaue SOC-Schätzung und minimiert gleichzeitig den Energieverbrauch.

Um die Wirksamkeit dieses Ansatzes zu validieren, wurde ein Vergleich mit herkömmlichen BMS-Systemen durchgeführt. Die Ergebnisse belegen deutlich die Überlegenheit des vorgeschlagenen Systems. In Bezug auf Komprimierungsgewinn und Recheneffizienz übertrifft es herkömmliche Pendants um mehr als eine dritte Größenordnung. Wichtig ist, dass diese verbesserte Leistung die Präzision der SOC-Schätzung nicht beeinträchtigt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das vorgeschlagene System eine Lösung für die Herausforderungen bietet, die die hochentwickelte BMS-Technologie mit sich bringt. Durch die Verwendung einer ereignisgesteuerten Beziehung zwischen OCV und SOC-Kurve werden erhebliche Verbesserungen bei der Komprimierungsverstärkung und der Recheneffizienz erzielt. Dieser innovative Ansatz gewährleistet eine effektive Batterienutzung und eine längere Lebensdauer, ohne die Genauigkeit der SOC-Schätzung zu beeinträchtigen.

Definition und Klassifizierung der SOC-Schätzung

Der SOC ist einer der wichtigsten Parameter für Batterien, seine Definition wirft jedoch viele verschiedene Probleme auf. Im Allgemeinen wird der SOC einer Batterie als das Verhältnis ihrer aktuellen Kapazität () zur Nennkapazität () definiert. 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 SOC-Einheiten sind Prozentpunkte (0 % = leer; 100 % = voll). Eine alternative Form desselben Maßes ist die Entladungstiefe (DOD), der Kehrwert des SOC (100 % = leer; 0 % = voll).

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, den Ladezustand (SOC) von Lithium-Ionen zu messen Entladungstiefe (DOD) für eine Lithiumbatterie. Einige Methoden sind recht kompliziert in der Umsetzung und erfordern eine komplexe Ausrüstung (Impedanzspektroskopie oder Aräometer für Blei-Säure-Batterien).

Wir werden hier die beiden gängigsten und einfachsten Methoden zur Schätzung des Ladezustands einer Batterie detailliert beschreiben: die Spannungsmethode oder Leerlaufspannung (OCV ) und Coulomb-Zählmethode.

1/ SOC-Schätzung mithilfe der Leerlaufspannungsmethode (OCV)

Eines haben alle Batterietypen gemeinsam: Die Spannung an ihren Anschlüssen nimmt je nach Ladezustand ab oder zu. Die Spannung ist am höchsten, wenn der Akku vollständig geladen ist, und am niedrigsten, wenn er leer ist.

Dieser Zusammenhang zwischen Spannung und Ladezustand hängt direkt von der verwendeten Batterietechnologie ab. Das folgende Diagramm vergleicht beispielhaft die Entladekurven zwischen einem Blei-Akku und einem Lithium-Ionen-Akku.

Es ist zu erkennen, dass Blei-Säure-Batterien einen relativ linearen Verlauf aufweisen, was eine gute Abschätzung des Ladezustands ermöglicht: Für eine gemessene Spannung ist es möglich, den Wert des zugehörigen SOC ziemlich genau abzuschätzen.

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

Die Lithium-Eisenphosphat-Technologie weist die flachste Entladekurve auf, was es sehr schwierig macht, den Ladezustand anhand einer einfachen Spannungsmessung abzuschätzen. Tatsächlich kann die Spannungsdifferenz zwischen zwei SOC-Werten so gering sein, dass es nicht möglich ist, den Ladezustand mit hoher Präzision abzuschätzen.

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

Allerdings können kalibrierte Ladeindikatoren speziell für Lithium-Ionen-Batterien im Allgemeinen und Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Besonderen verwendet werden. Eine präzise Messung, gepaart mit einer modellierten Lastkurve, ermöglicht SOC-Messungen mit einer Genauigkeit von 10 bis 15 %.

2/ SOC-Schätzung mithilfe der Coulomb-Zählmethode

Um den Ladezustand bei der Nutzung der Batterie zu verfolgen, besteht die intuitivste Methode darin, den Strom zu verfolgen, indem man ihn während der Zellnutzung integriert. Diese Integration gibt direkt die Anzahl der der Batterie zugeführten oder entnommenen elektrischen Ladungen an und ermöglicht so eine genaue Quantifizierung des Ladezustands der Batterie.

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

Coulomb-Zähler

Um eine genaue Strommessung zu gewährleisten, ist es wichtig, mögliche Fehler zu berücksichtigen, die aufgrund der Abtastfrequenz auftreten können. Während die Strommessung normalerweise mit einem Präzisionswiderstand durchgeführt wird, können dennoch kleine Fehler auftreten. Diese Fehler können auf die Abtastfrequenz zurückgeführt werden, die zu geringfügigen Ungenauigkeiten führen kann. Es gibt jedoch eine Lösung, um diese Fehler zu beheben und präzise Messungen sicherzustellen.

Um etwaige geringfügige Fehler zu korrigieren, die durch die Abtastfrequenz verursacht werden, wird der Coulomb-Zähler bei jedem Lastzyklus neu kalibriert. Dieser Neukalibrierungsprozess ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der Genauigkeit der aktuellen Messung. Durch die Neukalibrierung des Coulomb-Zählers werden eventuelle Fehler, die während des vorherigen Lastzyklus aufgetreten sind, korrigiert, sodass nachfolgende Messungen präzise und zuverlässig sind.

Durch die Implementierung dieses Rekalibrierungsprozesses wird die Genauigkeit der Strommessung erheblich verbessert. Es ermöglicht die Identifizierung und Korrektur etwaiger geringfügiger Fehler, die möglicherweise aufgrund der Abtastfrequenz entstanden sind. Dadurch wird sichergestellt, dass die erhaltenen Messungen äußerst genau sind und für verschiedene Anwendungen zuverlässig sind, beispielsweise in der wissenschaftlichen Forschung, bei industriellen Prozessen oder beim Entwurf elektronischer Schaltkreise.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Strommessung mit einem Präzisionswiderstand zwar im Allgemeinen zuverlässig ist, aufgrund der Abtastfrequenz jedoch dennoch kleine Fehler auftreten können. Durch eine Neukalibrierung des Coulomb-Zählers bei jedem Lastzyklus können diese geringfügigen Fehler jedoch korrigiert werden. Dadurch wird sichergestellt, dass die erhaltenen Messungen äußerst genau sind und für ein breites Anwendungsspektrum zuverlässig sind. Durch die Implementierung dieses Neukalibrierungsprozesses können Sie sich auf die Präzision und Zuverlässigkeit Ihrer aktuellen Messungen verlassen.

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 Schwankungen der Batteriespannung (die zu Batteriespannungsabfällen führen) und die Genauigkeit bleibt unabhängig von der Batterienutzung konstant.