Stato di carica della batteria al litio (SOC)

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

L'utilizzo delle batterie agli ioni di litio è diffuso in varie applicazioni. Per massimizzare la loro efficienza e durata, sistemi di gestione della batteria (BMS) vengono utilizzati. Tuttavia, è importante notare che i recenti progressi nella tecnologia BMS hanno portato a un aumento del consumo energetico, che può avere un impatto negativo sulle prestazioni della batteria.

Per affrontare questo problema è stato sviluppato un approccio innovativo. Lo stato di carica stimato (SOC) della batteria viene calibrato utilizzando una relazione tra tensione a circuito aperto (OCV) e curva SOC guidata dagli eventi. Questo metodo garantisce una stima accurata del SOC riducendo al minimo il consumo energetico.

Per validare l’efficacia di questo approccio è stato effettuato un confronto con i tradizionali sistemi BMS. I risultati dimostrano chiaramente la superiorità del sistema proposto. Supera le controparti tradizionali di oltre un terzo ordine di grandezza in termini di guadagno di compressione ed efficienza computazionale. È importante sottolineare che queste prestazioni migliorate non compromettono la precisione della stima del SOC.

In conclusione, il sistema proposto offre una soluzione alle sfide poste dalla sofisticata tecnologia BMS. Utilizzando una relazione tra curve OCV e SOC basata sugli eventi, si ottengono miglioramenti significativi nel guadagno di compressione e nell'efficienza computazionale. Questo approccio innovativo garantisce un utilizzo efficace della batteria e una maggiore durata, senza compromettere l'accuratezza della 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 molte problematiche diverse. 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 fornita 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 del 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 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 terminali diminuisce o aumenta a seconda del 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. Ad esempio, il diagramma seguente mette a confronto 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 su un ampio intervallo operativo, la tensione ai terminali della batteria cambia leggermente.

La tecnologia al litio ferro fosfato ha la curva di scarica più piatta, il che rende molto difficile stimare il SOC su una semplice misurazione della tensione. Infatti, la differenza di tensione tra due valori 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 con tecnologia al piombo-acido, mentre è solo di 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, abbinata ad una curva di carico modellata, consente di ottenere misurazioni SOC con una precisione dal 10 al 15%.

2/ Stima del SOC utilizzando il metodo del conteggio di Coulomb

Per monitorare lo stato di carica durante l'utilizzo della batteria, il metodo più intuitivo è seguire la corrente integrandola durante l'utilizzo della cella. Questa integrazione fornisce direttamente il numero di cariche elettriche iniettate o prelevate dalla batteria, consentendo 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 è necessario che la batteria sia a riposo per eseguire una misurazione accurata.

Contatore Coulomb

Per garantire una misurazione accurata della corrente, è importante affrontare eventuali errori potenziali che potrebbero verificarsi a causa della frequenza di campionamento. Sebbene la misurazione della corrente venga generalmente eseguita utilizzando un resistore di precisione, possono comunque verificarsi piccoli errori. Questi errori possono essere attribuiti alla frequenza di campionamento, che può introdurre imprecisioni marginali. Tuttavia, esiste una soluzione per correggere questi errori e garantire misurazioni precise.

Per correggere eventuali errori marginali causati dalla frequenza di campionamento, il contatore di Coulomb viene sottoposto a ricalibrazione ad ogni ciclo di carico. Questo processo di ricalibrazione è fondamentale per mantenere l'accuratezza della misurazione corrente. Ricalibrando il contatore di Coulomb, eventuali errori che potrebbero essersi verificati durante il ciclo di carico precedente vengono corretti, garantendo che le misurazioni successive siano precise e affidabili.

Implementando questo processo di ricalibrazione, la precisione della misurazione della corrente viene notevolmente migliorata. Permette l'identificazione e la correzione di eventuali errori marginali che potrebbero essere stati introdotti a causa della frequenza di campionamento. Ciò garantisce che le misurazioni ottenute siano estremamente accurate e su cui si possa fare affidamento per varie applicazioni, come nella ricerca scientifica, nei processi industriali o nella progettazione di circuiti elettronici.

In conclusione, sebbene la misurazione della corrente utilizzando un resistore di precisione sia generalmente affidabile, possono comunque verificarsi piccoli errori a causa della frequenza di campionamento. Tuttavia, ricalibrando il contatore di Coulomb ad ogni ciclo di carico, questi errori marginali possono essere corretti. Ciò garantisce che le misurazioni ottenute siano estremamente accurate e affidabili per un'ampia gamma di applicazioni. Implementando questo processo di ricalibrazione, puoi avere fiducia nella precisione e nell'affidabilità delle tue misurazioni attuali.

Ioni di litio Stato di carica (SOC) la misurazione effettuata mediante conteggio di Coulomb consente un errore di misurazione inferiore all'1%, il che consente un'indicazione molto precisa 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.