Estado de carga da bateria de lítio (SOC)

Medição do estado de carga de íons de lítio (SOC)

A utilização de baterias de íons de lítio é generalizada em diversas aplicações. Para maximizar sua eficiência e vida útil, sistemas de gerenciamento de bateria (BMS) são utilizados. No entanto, é importante notar que os recentes avanços na tecnologia BMS levaram ao aumento do consumo de energia, o que pode ter um impacto negativo no desempenho da bateria.

Para resolver esse problema, uma abordagem inovadora foi desenvolvida. O estado de carga estimado (SOC) da bateria é calibrado usando uma relação de tensão de circuito aberto (OCV) orientada por evento para curva SOC. Este método garante uma estimativa precisa do SOC enquanto minimiza o consumo de energia.

Para validar a eficácia desta abordagem, foi feita uma comparação com sistemas BMS tradicionais. Os resultados demonstram claramente a superioridade do sistema proposto. Ele supera os equivalentes tradicionais em mais de uma terceira ordem de magnitude em termos de ganho de compressão e eficiência computacional. É importante ressaltar que esse desempenho aprimorado não compromete a precisão da estimativa do SOC.

Em conclusão, o sistema proposto oferece uma solução para os desafios colocados pela sofisticada tecnologia BMS. Ao utilizar uma relação de curva OCV para SOC orientada a eventos, ele alcança melhorias significativas no ganho de compressão e na eficiência computacional. Esta abordagem inovadora garante uma utilização eficaz da bateria e uma vida útil mais longa, sem comprometer a precisão da estimativa do SOC.

Definição e Classificação da Estimativa SOC

SOC é um dos parâmetros mais importantes para baterias, mas sua definição apresenta muitos problemas diferentes. Em geral, o SOC de uma bateria é definido como a razão entre sua capacidade atual () e sua capacidade nominal (). A capacidade nominal é fornecida pelo fabricante e representa a quantidade máxima de carga que pode ser armazenada na bateria. O SOC pode ser definido da seguinte forma:

Estado de carga (SOC) é o nível de carga de uma bateria elétrica em relação à sua capacidade. As unidades do SOC são pontos percentuais (0% = vazio; 100% = cheio). Uma forma alternativa da mesma medida é a profundidade de descarga (DOD), o inverso do SOC (100% = vazio; 0% = cheio).

Existem várias maneiras de obter a medição do estado de carga do íon de lítio (SOC) ou Profundidade de Descarga (DOD) para uma bateria de lítio. Alguns métodos são bastante complicados de implementar e requerem equipamentos complexos (espectroscopia de impedância ou medidor hidrômetro para baterias de chumbo-ácido).

Detalharemos aqui os dois métodos mais comuns e simples para estimar o estado de carga de uma bateria: método da tensão ou Tensão de Circuito Aberto (OCV ) e método de contagem de Coulomb.

1/ Estimativa SOC usando Método de Tensão de Circuito Aberto (OCV)

Todos os tipos de baterias têm uma coisa em comum: a tensão nos seus terminais diminui ou aumenta dependendo do nível de carga. A tensão será mais alta quando a bateria estiver totalmente carregada e mais baixa quando estiver vazia.

Esta relação entre tensão e SOC depende diretamente da tecnologia de bateria utilizada. Como exemplo, o diagrama abaixo compara as curvas de descarga entre uma bateria de chumbo e uma bateria de íons de lítio.

Pode-se observar que as baterias de chumbo-ácido possuem uma curva relativamente linear, o que permite uma boa estimativa do estado de carga: para uma tensão medida, é possível estimar com bastante precisão o valor do SOC associado.

No entanto, as baterias de íons de lítio têm uma curva de descarga muito mais plana, o que significa que, em uma ampla faixa de operação, a tensão nos terminais da bateria muda ligeiramente.

A tecnologia de fosfato de ferro e lítio possui a curva de descarga mais plana, o que torna muito difícil estimar o SOC em uma simples medição de tensão. Na verdade, a diferença de tensão entre dois valores SOC pode ser tão pequena que não é possível estimar o estado da carga com boa precisão.

O diagrama abaixo mostra que a diferença de medição de tensão entre um valor DOD de 40% e 80% é de cerca de 6,0 V para uma bateria de 48 V em tecnologia de chumbo-ácido, enquanto é de apenas 0,5 V para fosfato de ferro-lítio!

No entanto, indicadores de carga calibrados podem ser usados ​​especificamente para baterias de íon-lítio em geral e baterias de fosfato de ferro-lítio em particular. Uma medição precisa, aliada a uma curva de carga modelada, permite que as medições SOC sejam obtidas com uma precisão de 10 a 15%.

2/ Estimativa SOC usando o método Coulomb Counting

Para rastrear o estado de carga ao usar a bateria, o método mais intuitivo é acompanhar a corrente integrando-a durante o uso da célula. Esta integração fornece diretamente o número de cargas elétricas injetadas ou retiradas da bateria, possibilitando quantificar com precisão o SOC da bateria.

Ao contrário do método OCV, este método é capaz de determinar a evolução do estado de carga durante o uso da bateria. Não é necessário que a bateria esteja em repouso para realizar uma medição precisa.

Contador Coulomb

Para garantir uma medição de corrente precisa, é importante abordar quaisquer erros potenciais que possam surgir devido à frequência de amostragem. Embora a medição de corrente seja normalmente realizada usando um resistor de precisão, pequenos erros ainda podem ocorrer. Esses erros podem ser atribuídos à frequência de amostragem, que pode introduzir imprecisões marginais. No entanto, existe uma solução para corrigir esses erros e garantir medições precisas.

Para corrigir quaisquer erros marginais causados ​​pela frequência de amostragem, o contador de Coulomb sofre recalibração a cada ciclo de carga. Este processo de recalibração é crucial para manter a precisão da medição de corrente. Ao recalibrar o contador de Coulomb, quaisquer erros que possam ter ocorrido durante o ciclo de carga anterior são corrigidos, garantindo que as medições subsequentes sejam precisas e confiáveis.

Ao implementar este processo de recalibração, a precisão da medição de corrente é significativamente melhorada. Permite identificar e corrigir quaisquer erros marginais que possam ter sido introduzidos devido à frequência de amostragem. Isso garante que as medições obtidas sejam altamente precisas e possam ser confiáveis ​​para diversas aplicações, como em pesquisas científicas, processos industriais ou projetos de circuitos eletrônicos.

Concluindo, embora a medição de corrente usando um resistor de precisão seja geralmente confiável, pequenos erros ainda podem ocorrer devido à frequência de amostragem. Contudo, recalibrando o contador de Coulomb a cada ciclo de carga, estes erros marginais podem ser corrigidos. Isso garante que as medições obtidas sejam altamente precisas e confiáveis ​​para uma ampla gama de aplicações. Ao implementar este processo de recalibração, você pode ter confiança na precisão e confiabilidade de suas medições atuais.

Íon-lítio Estado de Carga (SOC) a medição feita por contagem de Coulomb permite um erro de medição inferior a 1%, o que permite uma indicação muito precisa da energia restante na bateria. Ao contrário do método OCV, a contagem de Coulomb é independente das flutuações de energia da bateria (que causam quedas de tensão da bateria) e a precisão permanece constante, independentemente do uso da bateria.