Trạng thái sạc pin lithium (SOC)

Đo trạng thái sạc lithium-Ion (SOC)

Việc sử dụng pin lithium-ion được phổ biến rộng rãi trên nhiều ứng dụng khác nhau. Để tối đa hóa hiệu quả và tuổi thọ của chúng, hệ thống quản lý pin (BMS) được sử dụng. Tuy nhiên, điều quan trọng cần lưu ý là những tiến bộ gần đây trong công nghệ BMS đã dẫn đến mức tiêu thụ năng lượng tăng lên, điều này có thể có tác động tiêu cực đến hiệu suất của pin.

Để giải quyết vấn đề này, một cách tiếp cận sáng tạo đã được phát triển. Trạng thái sạc ước tính (SOC) của pin được hiệu chỉnh bằng cách sử dụng mối quan hệ giữa Điện áp mạch hở (OCV) và đường cong SOC theo sự kiện. Phương pháp này đảm bảo ước tính SOC chính xác đồng thời giảm thiểu mức tiêu thụ năng lượng.

Để xác nhận tính hiệu quả của phương pháp này, một so sánh đã được thực hiện với các hệ thống BMS truyền thống. Kết quả cho thấy rõ tính ưu việt của hệ thống đề xuất. Nó vượt trội hơn so với các đối tác truyền thống hơn gấp ba lần về mức tăng nén và hiệu quả tính toán. Điều quan trọng là hiệu suất nâng cao này không ảnh hưởng đến độ chính xác của ước tính SOC.

Tóm lại, hệ thống được đề xuất đưa ra giải pháp cho những thách thức do công nghệ BMS phức tạp đặt ra. Bằng cách sử dụng mối quan hệ đường cong OCV và SOC theo hướng sự kiện, nó đạt được những cải tiến đáng kể về mức tăng nén và hiệu quả tính toán. Cách tiếp cận sáng tạo này đảm bảo sử dụng pin hiệu quả và tuổi thọ dài hơn mà không ảnh hưởng đến độ chính xác của ước tính SOC.

Định nghĩa và phân loại ước tính SOC

SOC là một trong những thông số quan trọng nhất đối với pin, nhưng định nghĩa của nó đưa ra nhiều vấn đề khác nhau. Nói chung, SOC của pin được định nghĩa là tỷ lệ giữa dung lượng hiện tại () và dung lượng danh nghĩa (). Dung lượng danh nghĩa do nhà sản xuất đưa ra và thể hiện lượng điện tích tối đa có thể được lưu trữ trong pin. SOC có thể được định nghĩa như sau:

Trạng thái phí (SOC) là mức độ sạc của pin điện so với công suất của nó. Đơn vị của SOC là điểm phần trăm (0% = trống; 100% = đầy). Một dạng thay thế của thước đo tương tự là độ sâu xả (DOD), nghịch đảo của SOC (100% = trống; 0% = đầy).

Có một số cách để đo trạng thái sạc Lithium-Ion (SOC) hoặc Độ sâu xả (DOD) đối với pin lithium. Một số phương pháp thực hiện khá phức tạp và cần có thiết bị phức tạp (quang phổ trở kháng hoặc máy đo tỷ trọng kế cho pin axit chì).

Ở đây chúng tôi sẽ trình bày chi tiết hai phương pháp phổ biến nhất và đơn giản nhất để ước tính trạng thái sạc của pin: phương pháp điện áp hoặc phương pháp Điện áp mạch hở (OCV ) và phương pháp đếm Coulomb.

1/ Ước tính SOC bằng phương pháp điện áp mạch hở (OCV)

Tất cả các loại pin đều có một điểm chung: điện áp ở cực của chúng giảm hoặc tăng tùy thuộc vào mức sạc của chúng. Điện áp sẽ cao nhất khi pin được sạc đầy và thấp nhất khi pin hết.

Mối quan hệ giữa điện áp và SOC phụ thuộc trực tiếp vào công nghệ pin được sử dụng. Ví dụ: sơ đồ bên dưới so sánh đường cong phóng điện giữa pin chì và pin Lithium-Ion.

Có thể thấy, pin axit-chì có đường cong tương đối tuyến tính, cho phép ước tính tốt trạng thái tích điện: đối với một điện áp đo được, có thể ước tính khá chính xác giá trị của SOC liên quan.

Tuy nhiên, pin Lithium-ion có đường cong phóng điện phẳng hơn nhiều, điều đó có nghĩa là trong phạm vi hoạt động rộng, điện áp ở các cực của pin thay đổi rất ít.

Công nghệ Lithium Iron Phosphate có đường cong phóng điện phẳng nhất nên rất khó ước tính SOC khi đo điện áp đơn giản. Thật vậy, chênh lệch điện áp giữa hai giá trị SOC có thể nhỏ đến mức không thể ước tính trạng thái tích điện với độ chính xác cao.

Biểu đồ bên dưới cho thấy chênh lệch đo điện áp giữa giá trị DOD là 40% và 80% là khoảng 6,0V đối với pin 48V trong công nghệ axit chì, trong khi chỉ là 0,5V đối với lithium-iron-phosphate!

Tuy nhiên, chỉ báo sạc đã hiệu chuẩn có thể được sử dụng riêng cho pin lithium-ion nói chung và pin lithium iron phosphate nói riêng. Một phép đo chính xác, kết hợp với đường cong tải được mô hình hóa, cho phép thu được các phép đo SOC với độ chính xác từ 10 đến 15%.

2/ Ước lượng SOC bằng phương pháp đếm Coulomb

Để theo dõi trạng thái sạc khi sử dụng pin, phương pháp trực quan nhất là theo dõi dòng điện bằng cách tích hợp nó trong quá trình sử dụng cell. Sự tích hợp này trực tiếp cung cấp số lượng điện tích được nạp vào hoặc rút ra khỏi pin, do đó giúp định lượng chính xác SOC của pin.

Không giống như phương pháp OCV, phương pháp này có thể xác định diễn biến của trạng thái sạc trong quá trình sử dụng pin. Nó không yêu cầu pin phải ở trạng thái nghỉ để thực hiện phép đo chính xác.

Bộ đếm Coulomb

Để đảm bảo phép đo dòng điện chính xác, điều quan trọng là phải giải quyết mọi lỗi tiềm ẩn có thể phát sinh do tần số lấy mẫu. Mặc dù phép đo dòng điện thường được thực hiện bằng điện trở chính xác nhưng vẫn có thể xảy ra những lỗi nhỏ. Những lỗi này có thể là do tần số lấy mẫu, có thể gây ra sai số cận biên. Tuy nhiên, có một giải pháp để khắc phục những lỗi này và đảm bảo số đo chính xác.

Để sửa bất kỳ lỗi biên nào do tần số lấy mẫu gây ra, bộ đếm Coulomb sẽ được hiệu chuẩn lại ở mỗi chu kỳ tải. Quá trình hiệu chuẩn lại này rất quan trọng trong việc duy trì độ chính xác của phép đo hiện tại. Bằng cách hiệu chỉnh lại bộ đếm Coulomb, mọi lỗi có thể xảy ra trong chu kỳ tải trước đó đều được sửa, đảm bảo rằng các phép đo tiếp theo là chính xác và đáng tin cậy.

Bằng cách thực hiện quá trình hiệu chuẩn lại này, độ chính xác của phép đo dòng điện được cải thiện đáng kể. Nó cho phép xác định và sửa chữa bất kỳ lỗi biên nào có thể xảy ra do tần số lấy mẫu. Điều này đảm bảo rằng các phép đo thu được có độ chính xác cao và có thể tin cậy vào nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như trong nghiên cứu khoa học, quy trình công nghiệp hoặc thiết kế mạch điện tử.

Tóm lại, mặc dù phép đo dòng điện sử dụng điện trở chính xác nhìn chung là đáng tin cậy nhưng vẫn có thể xảy ra các lỗi nhỏ do tần số lấy mẫu. Tuy nhiên, bằng cách hiệu chỉnh lại bộ đếm Coulomb ở mỗi chu kỳ tải, những lỗi biên này có thể được sửa chữa. Điều này đảm bảo rằng các phép đo thu được có độ chính xác cao và có thể tin cậy cho nhiều ứng dụng. Bằng cách thực hiện quy trình hiệu chuẩn lại này, bạn có thể tin tưởng vào độ chính xác và độ tin cậy của các phép đo hiện tại của mình.

Liti-Ion Trạng thái tính phí (SOC) phép đo được thực hiện bằng cách đếm Coulomb cho phép sai số đo nhỏ hơn 1%, cho phép chỉ báo rất chính xác về năng lượng còn lại trong pin. Không giống như phương pháp OCV, việc đếm Coulomb không phụ thuộc vào sự dao động của nguồn pin (làm giảm điện áp của pin) và độ chính xác không đổi bất kể việc sử dụng pin.