Stato di carica della batteria al litio

Misurazione dello stato di carica (SoC) degli ioni di litio

Le batterie agli ioni di litio sono utilizzate frequentemente in una varietà di applicazioni.Per garantire un utilizzo efficace della batteria e una maggiore durata, il sistemi di gestione della batteria (BMS) sono impiegati.I recenti BMS stanno diventando sofisticati e causano un sovraccarico di consumo più elevato sulla batteria.Il SoC stimato viene calibrato utilizzando una tensione di circuito aperto (OCV) guidata da eventi originale rispetto alla relazione della curva SoC.Il confronto del sistema ideato viene effettuato con le controparti tradizionali.I risultati dimostrano una sovraperformance di oltre il terzo ordine di grandezza del sistema proposto in termini di guadagno di compressione ed efficienza computazionale, garantendo al tempo stesso un'analoga precisione di stima del SoC.

Definizione e classificazione della stima del SOC

Il SOC è uno dei parametri più importanti per le batterie, ma la sua definizione presenta molti problemi diversi.In generale, il SOC di una batteria è definito come il rapporto tra la sua capacità attuale () e la capacità nominale ().La capacità nominale è data dal produttore e rappresenta la quantità massima di carica che può essere immagazzinata nella batteria.Il SOC può essere definito come segue:

Stato di carica (SoC) è il livello di carica di una batteria elettrica rispetto alla sua capacità.Le unità di SoC sono punti percentuali (0% = vuoto; 100% = pieno).Una forma alternativa della stessa misura è la profondità di scarica (DoD), l'inverso del SoC (100% = vuoto; 0% = pieno).

Esistono diversi modi per ottenere la misurazione dello stato di carica degli ioni di litio (SoC) o Profondità di scarica (DoD) per una batteria al litio.Alcuni metodi sono piuttosto complicati da implementare e richiedono attrezzature complesse (spettroscopia di impedenza o misuratore d'idrometro per batterie al piombo).

Descriveremo qui in dettaglio i due metodi più comuni e più semplici per stimare lo stato di carica di una batteria: metodo della tensione o Tensione a circuito aperto (OCV ) e metodo di conteggio di Coulomb.

1/ Stima del SoC utilizzando il metodo della tensione a circuito aperto (OCV)

Tutti i tipi di batterie hanno una cosa in comune: la tensione ai loro terminali diminuisce o aumenta a seconda del loro livello di carica.La tensione sarà massima quando la batteria è completamente carica e minima quando è scarica.

Questa relazione tra tensione e SOC dipende direttamente dalla tecnologia della batteria utilizzata.A titolo di esempio, il diagramma seguente confronta le curve di scarica tra una batteria al piombo e una batteria agli ioni di litio.

Si può notare che le batterie al piombo hanno una curva relativamente lineare, che consente una buona stima dello stato di carica: per una tensione misurata, è possibile stimare in modo abbastanza preciso il valore del SoC associato.

Tuttavia, le batterie agli ioni di litio hanno una curva di scarica molto più piatta, il che significa che in un ampio intervallo operativo, la tensione ai terminali della batteria cambia leggermente.

La tecnologia Lithium Iron Phosphate ha la curva di scarica più piatta, il che rende molto difficile stimare il SoC su una semplice misurazione della tensione.In effetti, la differenza di tensione tra due valori del SoC può essere così piccola che non è possibile stimare lo stato di carica con buona precisione.

Il diagramma seguente mostra che la differenza di misurazione della tensione tra un valore DoD del 40% e dell'80% è di circa 6,0 V per una batteria da 48 V in tecnologia piombo-acido, mentre è di soli 0,5 V per litio-ferro-fosfato!

Tuttavia, gli indicatori di carica calibrati possono essere utilizzati specificamente per le batterie agli ioni di litio in generale e per le batterie al litio ferro fosfato in particolare.Una misurazione precisa, unita a una curva di carico modellata, consente di ottenere misurazioni SoC con una precisione dal 10 al 15%.

2/ Stima del SoC utilizzando il metodo Coulomb Counting

Per tracciare lo stato di carica durante l'utilizzo della batteria, il metodo più intuitivo è quello di seguire la corrente integrandola durante l'utilizzo della cella.Questa integrazione fornisce direttamente il numero di cariche elettriche iniettate o prelevate dalla batteria, permettendo così di quantificare con precisione il SoC della batteria.

A differenza del metodo OCV, questo metodo è in grado di determinare l'evoluzione dello stato di carica durante l'utilizzo della batteria.Non richiede che la batteria sia ferma per eseguire una misurazione accurata.

Contatore di Coulomb

Sebbene la misurazione della corrente sia eseguita da un resistore di precisione, possono verificarsi piccoli errori di misurazione, correlati alla frequenza di campionamento.Per correggere questi errori marginali, il contatore di coulomb viene ricalibrato ad ogni ciclo di carico.

Ioni di litio Stato di carica (SoC) la misurazione effettuata mediante conteggio coulomb consente un errore di misurazione inferiore all'1%, che consente un'indicazione molto accurata dell'energia rimanente nella batteria.A differenza del metodo OCV, il conteggio di Coulomb è indipendente dalle fluttuazioni della carica della batteria (che causano cadute di tensione della batteria) e la precisione rimane costante indipendentemente dall'utilizzo della batteria.