สถานะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม (SOC)

การวัดสถานะประจุลิเธียมไอออน (SOC)

การใช้แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนเป็นที่แพร่หลายในการใช้งานต่างๆ เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพและอายุการใช้งานให้สูงสุด ระบบการจัดการแบตเตอรี่ (BMS) ถูกนำมาใช้ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญคือต้องทราบว่าความก้าวหน้าล่าสุดในเทคโนโลยี BMS ได้นำไปสู่การใช้พลังงานที่เพิ่มขึ้น ซึ่งอาจส่งผลเสียต่อประสิทธิภาพของแบตเตอรี่

เพื่อแก้ไขปัญหานี้ จึงมีการพัฒนาแนวทางที่เป็นนวัตกรรม สถานะการชาร์จ (SOC) โดยประมาณของแบตเตอรี่ได้รับการปรับเทียบโดยใช้ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV) กับเส้นโค้ง SOC ที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์ วิธีการนี้รับประกันการประมาณค่า SOC ที่แม่นยำพร้อมทั้งลดการใช้พลังงานให้เหลือน้อยที่สุด

เพื่อตรวจสอบประสิทธิผลของแนวทางนี้ จึงได้มีการเปรียบเทียบกับระบบ BMS แบบเดิม ผลลัพธ์แสดงให้เห็นอย่างชัดเจนถึงความเหนือกว่าของระบบที่เสนอ มันมีประสิทธิภาพเหนือกว่าคู่แบบดั้งเดิมด้วยขนาดที่มากกว่าลำดับที่สามในแง่ของอัตราขยายการบีบอัดและประสิทธิภาพในการคำนวณ ที่สำคัญ ประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นนี้ไม่ได้ส่งผลต่อความแม่นยำของการประมาณค่า SOC

โดยสรุป ระบบที่นำเสนอนำเสนอวิธีแก้ปัญหาความท้าทายที่เกิดจากเทคโนโลยี BMS ที่ซับซ้อน ด้วยการใช้ความสัมพันธ์ของเส้นโค้ง OCV กับ SOC ที่ขับเคลื่อนด้วยเหตุการณ์ ทำให้ได้รับการปรับปรุงที่สำคัญในด้านอัตราขยายการบีบอัดและประสิทธิภาพในการคำนวณ วิธีการที่เป็นนวัตกรรมใหม่นี้ช่วยให้มั่นใจได้ถึงการใช้งานแบตเตอรี่อย่างมีประสิทธิภาพและอายุการใช้งานที่ยาวนานขึ้น โดยไม่กระทบต่อความแม่นยำของการประมาณค่า SOC

ความหมายและการจำแนกประเภทของการประมาณค่า SOC

SOC เป็นหนึ่งในพารามิเตอร์ที่สำคัญที่สุดสำหรับแบตเตอรี่ แต่คำจำกัดความนี้นำเสนอประเด็นต่างๆ มากมาย โดยทั่วไป SOC ของแบตเตอรี่ถูกกำหนดให้เป็นอัตราส่วนของความจุกระแสไฟ () ต่อความจุที่ระบุ () ผู้ผลิตกำหนดความจุปกติและแสดงถึงปริมาณประจุสูงสุดที่สามารถเก็บไว้ในแบตเตอรี่ได้ SOC สามารถกำหนดได้ดังต่อไปนี้:

สถานะการชาร์จ (SOC) คือระดับประจุของแบตเตอรี่ไฟฟ้าที่สัมพันธ์กับความจุของแบตเตอรี่ หน่วยของ SOC คือเปอร์เซ็นต์ (0% = ว่างเปล่า; 100% = เต็ม) อีกรูปแบบหนึ่งของการวัดเดียวกันคือความลึกของการปล่อย (DOD) ซึ่งกลับกันของ SOC (100% = ว่างเปล่า; 0% = เต็ม)

มีหลายวิธีในการรับการตรวจวัดสถานะการชาร์จลิเธียมไอออน (SOC) หรือ ความลึกของการคายประจุ (DOD) สำหรับแบตเตอรี่ลิเธียม วิธีการบางอย่างค่อนข้างซับซ้อนในการใช้งานและต้องใช้อุปกรณ์ที่ซับซ้อน (อิมพีแดนซ์สเปกโทรสโกปีหรือมาตรวัดไฮโดรมิเตอร์สำหรับแบตเตอรี่ตะกั่วกรด)

เราจะให้รายละเอียดเกี่ยวกับวิธีการสองวิธีที่ใช้กันทั่วไปและง่ายที่สุดในการประมาณสถานะประจุของแบตเตอรี่: วิธีแรงดันไฟฟ้าหรือ แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV ) และวิธีการนับคูลอมบ์

1/ การประมาณค่า SOC โดยใช้วิธี Open Circuit Voltage Method (OCV)

แบตเตอรี่ทุกประเภทมีสิ่งหนึ่งที่เหมือนกัน นั่นคือ แรงดันไฟฟ้าที่ขั้วจะลดลงหรือเพิ่มขึ้นตามระดับประจุ แรงดันไฟฟ้าจะสูงสุดเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จเต็ม และต่ำสุดเมื่อแบตเตอรี่หมด

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟฟ้าและ SOC นี้ขึ้นอยู่กับเทคโนโลยีแบตเตอรี่ที่ใช้โดยตรง ตามตัวอย่าง แผนภาพด้านล่างเปรียบเทียบเส้นโค้งการคายประจุระหว่างแบตเตอรี่ตะกั่วและแบตเตอรี่ลิเธียมไอออน

จะเห็นได้ว่าแบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดมีเส้นโค้งค่อนข้างเป็นเส้นตรง ซึ่งช่วยให้สามารถประมาณค่าสถานะประจุได้ดี: สำหรับแรงดันไฟฟ้าที่วัดได้ สามารถประมาณค่าของ SOC ที่เกี่ยวข้องได้อย่างแม่นยำ

อย่างไรก็ตาม แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนมีเส้นโค้งการคายประจุที่ราบเรียบกว่ามาก ซึ่งหมายความว่าแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วแบตเตอรี่จะเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยมากในช่วงการทำงานที่กว้าง

เทคโนโลยีลิเธียมเหล็กฟอสเฟตมีเส้นโค้งการคายประจุที่เรียบที่สุด ซึ่งทำให้ยากต่อการประมาณ SOC จากการวัดแรงดันไฟฟ้าแบบธรรมดา แท้จริงแล้ว ความแตกต่างของแรงดันไฟฟ้าระหว่างค่า SOC สองค่าอาจมีน้อยมากจนไม่สามารถประมาณสถานะการชาร์จได้อย่างแม่นยำ

แผนภาพด้านล่างแสดงให้เห็นว่าความแตกต่างในการวัดแรงดันไฟฟ้าระหว่างค่า DOD 40% และ 80% คือประมาณ 6.0V สำหรับแบตเตอรี่ 48V ในเทคโนโลยีตะกั่ว-กรด ในขณะที่มีค่าเพียง 0.5V สำหรับลิเธียม-เหล็ก-ฟอสเฟต!

อย่างไรก็ตาม ตัวแสดงการชาร์จที่ปรับเทียบแล้วสามารถใช้ได้กับแบตเตอรี่ลิเธียมไอออนทั่วไปและแบตเตอรี่ลิเธียมเหล็กฟอสเฟตโดยเฉพาะ การวัดที่แม่นยำ ประกอบกับกราฟโหลดตามแบบจำลอง ทำให้สามารถวัด SOC ได้อย่างแม่นยำ 10 ถึง 15%

2/ การประมาณค่า SOC โดยใช้วิธีนับคูลอมบ์

ในการติดตามสถานะการชาร์จเมื่อใช้แบตเตอรี่ วิธีที่ใช้งานง่ายที่สุดคือติดตามกระแสโดยการรวมเข้ากับกระแสไฟระหว่างการใช้งานเซลล์ การบูรณาการนี้จะให้จำนวนประจุไฟฟ้าที่ฉีดหรือถอนออกจากแบตเตอรี่โดยตรง ทำให้สามารถระบุปริมาณ SOC ของแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ

วิธีนี้แตกต่างจากวิธี OCV ตรงที่สามารถระบุวิวัฒนาการของสถานะการชาร์จระหว่างการใช้งานแบตเตอรี่ได้ ไม่จำเป็นต้องให้แบตเตอรี่พักอยู่เพื่อทำการวัดที่แม่นยำ

คูลอมบ์เคาน์เตอร์

เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดกระแสไฟฟ้ามีความแม่นยำ สิ่งสำคัญคือต้องแก้ไขข้อผิดพลาดที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง แม้ว่าโดยทั่วไปการวัดกระแสจะดำเนินการโดยใช้ตัวต้านทานที่มีความแม่นยำ แต่ข้อผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ก็ยังสามารถเกิดขึ้นได้ ข้อผิดพลาดเหล่านี้อาจมีสาเหตุมาจากความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง ซึ่งอาจทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนเล็กน้อย อย่างไรก็ตาม มีวิธีแก้ไขข้อผิดพลาดเหล่านี้และรับประกันการวัดที่แม่นยำ

เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดเล็กน้อยที่เกิดจากความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง เครื่องนับคูลอมบ์จะทำการสอบเทียบใหม่ในแต่ละรอบการโหลด กระบวนการสอบเทียบใหม่นี้มีความสำคัญอย่างยิ่งในการรักษาความถูกต้องของการวัดในปัจจุบัน ด้วยการปรับเทียบตัวนับคูลอมบ์ใหม่ ข้อผิดพลาดใดๆ ที่อาจเกิดขึ้นระหว่างรอบการโหลดครั้งก่อนจะได้รับการแก้ไข เพื่อให้มั่นใจว่าการวัดครั้งต่อไปมีความแม่นยำและเชื่อถือได้

การใช้กระบวนการปรับเทียบใหม่นี้ทำให้ความแม่นยำของการวัดในปัจจุบันได้รับการปรับปรุงอย่างมาก ช่วยให้สามารถระบุและแก้ไขข้อผิดพลาดเล็กน้อยที่อาจเกิดขึ้นเนื่องจากความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการวัดที่ได้รับมีความแม่นยำสูงและสามารถเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานต่างๆ เช่น ในการวิจัยทางวิทยาศาสตร์ กระบวนการทางอุตสาหกรรม หรือการออกแบบวงจรอิเล็กทรอนิกส์

โดยสรุป แม้ว่าการวัดกระแสโดยใช้ตัวต้านทานความแม่นยำโดยทั่วไปจะเชื่อถือได้ แต่ข้อผิดพลาดเล็กๆ น้อยๆ ยังคงเกิดขึ้นได้เนื่องจากความถี่ในการสุ่มตัวอย่าง อย่างไรก็ตาม ด้วยการปรับเทียบตัวนับคูลอมบ์ใหม่ในแต่ละรอบการโหลด ข้อผิดพลาดส่วนเพิ่มเหล่านี้สามารถแก้ไขได้ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าการวัดที่ได้รับมีความแม่นยำสูงและเชื่อถือได้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย การใช้กระบวนการสอบเทียบใหม่นี้จะทำให้คุณมั่นใจในความแม่นยำและความน่าเชื่อถือของการวัดปัจจุบันของคุณ

ลิเธียมไอออน สถานะการชาร์จ (SOC) การวัดโดยการนับคูลอมบ์ทำให้เกิดข้อผิดพลาดในการวัดน้อยกว่า 1% ซึ่งทำให้สามารถระบุพลังงานที่เหลืออยู่ในแบตเตอรี่ได้อย่างแม่นยำ ต่างจากวิธี OCV การนับคูลอมบ์ไม่ขึ้นกับความผันผวนของพลังงานแบตเตอรี่ (ซึ่งทำให้แรงดันไฟแบตเตอรี่ลดลง) และความแม่นยำจะคงที่โดยไม่คำนึงถึงการใช้งานแบตเตอรี่