Stan naładowania baterii litowej (SOC)

Pomiar stanu naładowania akumulatora litowo-jonowego (SOC).

Wykorzystanie akumulatorów litowo-jonowych jest szeroko rozpowszechnione w różnych zastosowaniach. Aby zmaksymalizować ich wydajność i żywotność, systemy zarządzania akumulatorami (BMS) są wykorzystywane. Należy jednak pamiętać, że ostatnie postępy w technologii BMS doprowadziły do ​​zwiększonego zużycia energii, co może mieć negatywny wpływ na wydajność akumulatora.

Aby rozwiązać ten problem, opracowano innowacyjne podejście. Szacowany stan naładowania (SOC) akumulatora jest kalibrowany przy użyciu sterowanej zdarzeniem relacji napięcia obwodu otwartego (OCV) do krzywej SOC. Metoda ta zapewnia dokładne oszacowanie SOC przy jednoczesnej minimalizacji zużycia energii.

Aby potwierdzić skuteczność tego podejścia, dokonano porównania z tradycyjnymi systemami BMS. Wyniki wyraźnie wskazują na wyższość proponowanego systemu. Przewyższa tradycyjne odpowiedniki o ponad trzeci rząd wielkości pod względem wzmocnienia kompresji i wydajności obliczeniowej. Co ważne, ta zwiększona wydajność nie pogarsza precyzji estymacji SOC.

Podsumowując, proponowany system oferuje rozwiązanie wyzwań stawianych przez zaawansowaną technologię BMS. Wykorzystując sterowaną zdarzeniami relację krzywej OCV do SOC, osiąga się znaczną poprawę wzmocnienia kompresji i wydajności obliczeniowej. To innowacyjne podejście zapewnia efektywne wykorzystanie baterii i dłuższą żywotność, bez uszczerbku dla dokładności szacowania SOC.

Definicja i klasyfikacja estymacji SOC

SOC to jeden z najważniejszych parametrów akumulatorów, jednak jego definicja stwarza wiele różnych problemów. Ogólnie rzecz biorąc, SOC akumulatora definiuje się jako stosunek jego pojemności prądowej () do pojemności nominalnej (). Pojemność nominalna podawana jest przez producenta i reprezentuje maksymalną ilość ładunku, jaką można zgromadzić w akumulatorze. SOC można zdefiniować w następujący sposób:

Stan naładowania (SOC) to poziom naładowania akumulatora elektrycznego w stosunku do jego pojemności. Jednostką SOC są punkty procentowe (0% = puste; 100% = pełne). Alternatywną formą tego samego pomiaru jest głębokość rozładowania (DOD), odwrotność SOC (100% = pusty; 0% = pełny).

Istnieje kilka sposobów pomiaru stanu naładowania akumulatora litowo-jonowego (SOC). Głębokość rozładowania (DOD) na baterię litową. Niektóre metody są dość skomplikowane w wykonaniu i wymagają skomplikowanego sprzętu (spektroskopia impedancyjna lub areometr do akumulatorów kwasowo-ołowiowych).

Tutaj szczegółowo opiszemy dwie najczęstsze i najprostsze metody szacowania stanu naładowania akumulatora: metodę napięciową lub Napięcie obwodu otwartego (OCV ) i metoda liczenia kulombowskiego.

1/ Oszacowanie SOC metodą napięcia obwodu otwartego (OCV)

Wszystkie typy akumulatorów mają jedną wspólną cechę: napięcie na ich zaciskach maleje lub rośnie w zależności od poziomu naładowania. Napięcie będzie najwyższe, gdy akumulator będzie w pełni naładowany, a najniższe, gdy będzie pusty.

Ta zależność pomiędzy napięciem i SOC zależy bezpośrednio od zastosowanej technologii akumulatorów. Jako przykład, poniższy diagram porównuje krzywe rozładowania pomiędzy akumulatorem ołowiowym i akumulatorem litowo-jonowym.

Można zauważyć, że akumulatory kwasowo-ołowiowe mają stosunkowo liniową krzywą, co pozwala na dobre oszacowanie stanu naładowania: dla zmierzonego napięcia można dość precyzyjnie oszacować wartość powiązanego SOC.

Akumulatory litowo-jonowe mają jednak znacznie bardziej płaską krzywą rozładowania, co oznacza, że ​​w szerokim zakresie pracy napięcie na zaciskach akumulatora zmienia się bardzo nieznacznie.

Technologia fosforanu litowo-żelazowego ma najbardziej płaską krzywą rozładowania, co bardzo utrudnia oszacowanie SOC na podstawie prostego pomiaru napięcia. Rzeczywiście, różnica napięcia między dwiema wartościami SOC może być tak mała, że ​​nie jest możliwe oszacowanie stanu naładowania z dobrą precyzją.

Z poniższego wykresu wynika, że ​​różnica pomiaru napięcia pomiędzy wartością DOD wynoszącą 40% a 80% wynosi około 6,0 V dla akumulatora 48 V w technologii kwasowo-ołowiowej, podczas gdy dla akumulatora litowo-żelazowo-fosforanowego wynosi zaledwie 0,5 V!

Jednakże skalibrowane wskaźniki ładowania mogą być stosowane ogólnie w przypadku akumulatorów litowo-jonowych, a w szczególności akumulatorów litowo-żelazowo-fosforanowych. Precyzyjny pomiar w połączeniu z zamodelowaną krzywą obciążenia pozwala na uzyskanie pomiarów SOC z dokładnością od 10 do 15%.

2/ Oszacowanie SOC metodą zliczania Coulomba

Aby śledzić stan naładowania akumulatora, najbardziej intuicyjną metodą jest śledzenie prądu poprzez całkowanie go podczas użytkowania ogniwa. Całkowanie to bezpośrednio daje liczbę ładunków elektrycznych wprowadzanych lub pobieranych z akumulatora, umożliwiając w ten sposób dokładne określenie ilościowe SOC akumulatora.

W odróżnieniu od metody OCV, metoda ta umożliwia określenie ewolucji stanu naładowania akumulatora w trakcie jego użytkowania. Do wykonania dokładnego pomiaru nie jest wymagane, aby bateria znajdowała się w stanie spoczynku.

Licznik Coulomba

Aby zapewnić dokładny pomiar prądu, ważne jest, aby uwzględnić wszelkie potencjalne błędy, które mogą powstać w związku z częstotliwością próbkowania. Chociaż pomiar prądu jest zwykle przeprowadzany przy użyciu precyzyjnego rezystora, nadal mogą wystąpić niewielkie błędy. Błędy te można przypisać częstotliwości próbkowania, która może powodować marginalne niedokładności. Istnieje jednak rozwiązanie, które pozwala skorygować te błędy i zapewnić precyzyjne pomiary.

Aby skorygować błędy marginalne spowodowane częstotliwością próbkowania, licznik kulombów poddawany jest ponownej kalibracji w każdym cyklu obciążenia. Ten proces ponownej kalibracji ma kluczowe znaczenie dla utrzymania dokładności pomiaru prądu. Ponowna kalibracja licznika kulombów pozwala skorygować wszelkie błędy, które mogły wystąpić podczas poprzedniego cyklu obciążenia, zapewniając dokładność i niezawodność kolejnych pomiarów.

Wdrożenie procesu rekalibracji znacznie poprawia dokładność pomiaru prądu. Pozwala na identyfikację i korektę ewentualnych błędów marginalnych, które mogły powstać w związku z częstotliwością próbkowania. Gwarantuje to, że uzyskane pomiary są bardzo dokładne i można na nich polegać w różnych zastosowaniach, takich jak badania naukowe, procesy przemysłowe lub projektowanie obwodów elektronicznych.

Podsumowując, chociaż pomiar prądu za pomocą rezystora precyzyjnego jest ogólnie niezawodny, nadal mogą wystąpić niewielkie błędy ze względu na częstotliwość próbkowania. Jednakże, poprzez ponowną kalibrację licznika kulombów w każdym cyklu obciążenia, te błędy marginalne można skorygować. Dzięki temu uzyskane pomiary są bardzo dokładne i można im zaufać w szerokim zakresie zastosowań. Wdrażając proces ponownej kalibracji, możesz mieć pewność co do precyzji i wiarygodności bieżących pomiarów.

Litowo-jonowy Stan naładowania (SOC) pomiar dokonywany metodą zliczania kulombów pozwala na błąd pomiaru mniejszy niż 1%, co pozwala na bardzo dokładne wskazanie energii pozostałej w akumulatorze. W przeciwieństwie do metody OCV, zliczanie kulombów jest niezależne od wahań mocy akumulatora (które powodują spadki napięcia akumulatora), a dokładność pozostaje stała niezależnie od zużycia akumulatora.