Lityum pilin Şarj Durumu (SOC)

Lityum İyon Şarj Durumu (SOC) ölçümü

Lityum iyon pillerin kullanımı çeşitli uygulamalarda yaygındır. Verimliliğini ve ömrünü en üst düzeye çıkarmak için, pil yönetim sistemleri (BMS) kullanılmaktadır. Ancak BMS teknolojisindeki son gelişmelerin enerji tüketiminin artmasına yol açtığını ve bunun da pil performansı üzerinde olumsuz etki yaratabileceğini unutmamak önemlidir.

Bu sorunu çözmek için yenilikçi bir yaklaşım geliştirildi. Pilin tahmini şarj durumu (SOC), olaya dayalı Açık Devre Gerilimi (OCV) ile SOC eğrisi ilişkisi kullanılarak kalibre edilir. Bu yöntem, enerji tüketimini en aza indirirken doğru SOC tahmini sağlar.

Bu yaklaşımın etkinliğini doğrulamak için geleneksel BMS sistemleriyle bir karşılaştırma yapıldı. Sonuçlar önerilen sistemin üstünlüğünü açıkça ortaya koymaktadır. Sıkıştırma kazancı ve hesaplama verimliliği açısından geleneksel muadillerinden üçüncü dereceden daha fazla performans göstermektedir. Daha da önemlisi, bu gelişmiş performans SOC tahmininin kesinliğinden ödün vermez.

Sonuç olarak önerilen sistem, gelişmiş BMS teknolojisinin ortaya çıkardığı zorluklara bir çözüm sunmaktadır. Olay odaklı OCV-SOC eğrisi ilişkisini kullanarak, sıkıştırma kazancında ve hesaplama verimliliğinde önemli gelişmeler elde eder. Bu yenilikçi yaklaşım, SOC tahmininin doğruluğundan ödün vermeden etkili pil kullanımı ve daha uzun kullanım ömrü sağlar.

SOC Tahmininin Tanımı ve Sınıflandırılması

SOC, piller için en önemli parametrelerden biridir ancak tanımı birçok farklı sorunu beraberinde getirmektedir. Genel olarak bir pilin SOC'si, mevcut kapasitesinin () nominal kapasitesine () oranı olarak tanımlanır. Nominal kapasite üretici tarafından verilir ve bataryada depolanabilecek maksimum şarj miktarını temsil eder. SOC aşağıdaki gibi tanımlanabilir:

Şarj durumu (SOC) Bir elektrik pilinin kapasitesine göre şarj seviyesidir. SOC birimleri yüzde puanlarıdır (%0 = boş; %100 = dolu). Aynı ölçümün alternatif bir biçimi, SOC'nin tersi olan deşarj derinliğidir (DOD). (%100 = boş; %0 = dolu).

Lityum İyon Şarj Durumu (SOC) ölçümü almanın birkaç yolu vardır veya Deşarj Derinliği (DOD) bir lityum pil için. Bazı yöntemlerin uygulanması oldukça karmaşıktır ve karmaşık ekipman gerektirir (kurşun-asit piller için empedans spektroskopisi veya hidrometre ölçer).

Burada bir pilin şarj durumunu tahmin etmek için en yaygın ve en basit iki yöntemi ayrıntılarıyla anlatacağız: voltaj yöntemi veya Açık Devre Gerilimi (OCV ) ve Coulomb sayma yöntemi.

1/ Açık Devre Gerilim Yöntemi (OCV) kullanılarak SOC tahmini

Tüm pil türlerinin ortak bir özelliği vardır: Terminallerindeki voltaj, şarj seviyelerine bağlı olarak azalır veya artar. Pil tamamen şarj olduğunda voltaj en yüksek, boş olduğunda ise en düşük olacaktır.

Gerilim ve SOC arasındaki bu ilişki doğrudan kullanılan pil teknolojisine bağlıdır. Örnek olarak aşağıdaki şemada kurşun akü ile Lityum İyon akü arasındaki deşarj eğrileri karşılaştırılmaktadır.

Kurşun-asit akülerin nispeten doğrusal bir eğriye sahip olduğu görülebilir, bu da şarj durumunun iyi bir tahminine olanak tanır: ölçülen bir voltaj için, ilgili SOC'nin değerini oldukça kesin bir şekilde tahmin etmek mümkündür.

Bununla birlikte, Lityum-iyon piller çok daha düz bir deşarj eğrisine sahiptir; bu, geniş bir çalışma aralığında pil terminallerindeki voltajın çok az değiştiği anlamına gelir.

Lityum Demir Fosfat teknolojisi en düz deşarj eğrisine sahiptir ve bu da basit bir voltaj ölçümüyle SOC'yi tahmin etmeyi çok zorlaştırır. Aslında, iki SOC değeri arasındaki voltaj farkı o kadar küçük olabilir ki, şarj durumunu iyi bir hassasiyetle tahmin etmek mümkün olmayabilir.

Aşağıdaki diyagram, kurşun-asit teknolojisindeki 48V'luk bir akü için %40 ile %80 DOD değeri arasındaki voltaj ölçüm farkının yaklaşık 6,0V olduğunu, lityum-demir-fosfat için ise yalnızca 0,5V olduğunu göstermektedir!

Ancak kalibre edilmiş şarj göstergeleri genel olarak lityum iyon piller ve özel olarak lityum demir fosfat piller için özel olarak kullanılabilir. Modellenmiş bir yük eğrisiyle birleştirilmiş hassas bir ölçüm, SOC ölçümlerinin %10 ila 15'lik bir doğrulukla elde edilmesini sağlar.

2/ Coulomb Sayma yöntemini kullanarak SOC tahmini

Pili kullanırken şarj durumunu takip etmenin en sezgisel yöntemi, hücre kullanımı sırasında akımı entegre ederek takip etmektir. Bu entegrasyon doğrudan aküye enjekte edilen veya aküden çekilen elektrik yüklerinin sayısını verir ve böylece akünün SOC'sinin kesin olarak ölçülmesini mümkün kılar.

OCV yönteminden farklı olarak bu yöntem, pil kullanımı sırasında şarj durumunun gelişimini belirleyebilir. Doğru bir ölçüm gerçekleştirmek için pilin hareketsiz olmasına gerek yoktur.

Coulomb Sayacı

Doğru akım ölçümü sağlamak için örnekleme frekansından kaynaklanabilecek olası hataların ele alınması önemlidir. Akım ölçümü tipik olarak hassas bir direnç kullanılarak gerçekleştirilirken, yine de küçük hatalar meydana gelebilir. Bu hatalar, marjinal yanlışlıklara yol açabilecek örnekleme frekansına atfedilebilir. Ancak bu hataları düzeltip hassas ölçümler sağlamanın bir çözümü var.

Örnekleme frekansının neden olduğu herhangi bir marjinal hatayı düzeltmek için Coulomb sayacı her yük döngüsünde yeniden kalibrasyona tabi tutulur. Bu yeniden kalibrasyon işlemi, mevcut ölçümün doğruluğunu korumak açısından çok önemlidir. Coulomb sayacının yeniden kalibre edilmesiyle önceki yük döngüsü sırasında meydana gelmiş olabilecek hatalar düzeltilir ve sonraki ölçümlerin hassas ve güvenilir olması sağlanır.

Bu yeniden kalibrasyon işleminin uygulanmasıyla akım ölçümünün doğruluğu önemli ölçüde iyileştirilir. Örnekleme frekansı nedeniyle ortaya çıkmış olabilecek marjinal hataların tanımlanmasına ve düzeltilmesine olanak tanır. Bu, elde edilen ölçümlerin son derece doğru olmasını ve bilimsel araştırma, endüstriyel süreçler veya elektronik devre tasarımı gibi çeşitli uygulamalarda güvenilebilmesini sağlar.

Sonuç olarak, hassas direnç kullanılarak yapılan akım ölçümü genel olarak güvenilir olsa da örnekleme frekansından dolayı küçük hatalar meydana gelebilir. Ancak her yük döngüsünde Coulomb sayacının yeniden kalibre edilmesiyle bu marjinal hatalar düzeltilebilir. Bu, elde edilen ölçümlerin son derece doğru olmasını ve çok çeşitli uygulamalar için güvenilir olmasını sağlar. Bu yeniden kalibrasyon sürecini uygulayarak mevcut ölçümlerinizin doğruluğuna ve güvenilirliğine güvenebilirsiniz.

Lityum-İyon Şarj Durumu (SOC) Coulomb sayımıyla yapılan ölçüm, %1'den daha az bir ölçüm hatasına izin verir, bu da pilde kalan enerjinin çok doğru bir şekilde gösterilmesine olanak tanır. OCV yönteminden farklı olarak Coulomb sayımı, pil gücü dalgalanmalarından (batarya voltajının düşmesine neden olan) bağımsızdır ve pil kullanımından bağımsız olarak doğruluk sabit kalır.