Lithium-Batterie-Ladezustand

Ladezustand der Lithiumbatterie

Messung des Lithium-Ionen-Ladezustands (SoC)

Die Lithium-Ionen-Batterien werden immer wieder in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Um eine effektive Batterienutzung und eine längere Lebensdauer zu gewährleisten, wird die Batteriemanagementsysteme (BMS) beschäftigt sind. Neuere BMS werden immer ausgefeilter und verursachen einen höheren Verbrauchsaufwand für die Batterie. Der geschätzte SoC wird unter Verwendung einer ursprünglichen ereignisgesteuerten Beziehung zwischen Leerlaufspannung (OCV) und SoC-Kurve kalibriert. Der entwickelte Systemvergleich wird mit den traditionellen Gegenstücken durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen eine Outperformance des vorgeschlagenen Systems um mehr als die dritte Größenordnung in Bezug auf Kompressionsverstärkung und Recheneffizienz bei gleichzeitiger Gewährleistung einer analogen SoC-Schätzgenauigkeit.

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Definition und Klassifizierung der SOC-Schätzung

SOC ist einer der wichtigsten Parameter für Batterien, aber seine Definition wirft viele verschiedene Probleme auf. Im Allgemeinen wird der Ladezustand einer Batterie als das Verhältnis ihrer aktuellen Kapazität () zur Nennkapazität () definiert. Die Nennkapazität wird vom Hersteller angegeben und gibt die maximale Ladungsmenge an, die in der Batterie gespeichert werden kann. Der SOC kann wie folgt definiert werden:

SOC

Ladezustand (SoC) ist der Ladezustand einer elektrischen Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität. Die Einheiten von SoC sind Prozentpunkte (0% = leer; 100% = voll). Eine alternative Form des gleichen Maßes ist die Entladungstiefe (DoD), die Umkehrung des SoC (100% = leer; 0% = voll).

Lithiumion VS Blei Säure

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, um die Messung des Lithium-Ionen-Ladezustands (SoC) oder zu erhalten Entladungstiefe (DoD) für eine Lithiumbatterie. Einige Methoden sind recht kompliziert zu implementieren und erfordern komplexe Geräte (Impedanzspektroskopie oder Hydrometer-Messgerät für Blei-Säure-Batterien).

Wir werden hier die zwei gebräuchlichsten und einfachsten Methoden zur Schätzung des Ladezustands einer Batterie beschreiben: Spannungsmethode oder Leerlaufspannung (OCV) und Coulomb-Zählmethode.

1 / SoC-Schätzung unter Verwendung der Open Circuit Voltage Method (OCV)

Alle Batterietypen haben eines gemeinsam: Die Spannung an ihren Klemmen nimmt je nach Ladezustand ab oder zu. Die Spannung ist am höchsten, wenn der Akku vollständig aufgeladen ist, und am niedrigsten, wenn der Akku leer ist.

Diese Beziehung zwischen Spannung und SOC hängt direkt von der verwendeten Batterietechnologie ab. Das folgende Diagramm vergleicht beispielsweise die Entladungskurven zwischen einer Bleibatterie und einer Lithium-Ionen-Batterie.

Es ist ersichtlich, dass Blei-Säure-Batterien eine relativ lineare Kurve aufweisen, die eine gute Abschätzung des Ladezustands ermöglicht: Für eine gemessene Spannung ist es möglich, den Wert des zugehörigen SoC ziemlich genau abzuschätzen.

Lithium-Ionen-Batterien haben jedoch eine viel flachere Entladekurve, was bedeutet, dass sich die Spannung an den Batterieklemmen über einen weiten Betriebsbereich geringfügig ändert.

Die Lithiumeisenphosphat-Technologie weist die flachste Entladungskurve auf, was es sehr schwierig macht, den SoC anhand einer einfachen Spannungsmessung abzuschätzen. In der Tat kann die Spannungsdifferenz zwischen zwei SoC-Werten so gering sein, dass es nicht möglich ist, den Ladezustand mit guter Genauigkeit abzuschätzen.

Das folgende Diagramm zeigt, dass die Spannungsmessdifferenz zwischen einem DoD-Wert von 40% und 80% für eine 6.0-V-Batterie in Blei-Säure-Technologie etwa 48 V beträgt, während sie für Lithium-Eisen-Phosphat nur 0.5 V beträgt!

Lithium vs AGM Soc Schätzung nach OCV-Methode

Kalibrierte Ladeanzeigen können jedoch speziell für Lithium-Ionen-Batterien im Allgemeinen und Lithium-Eisenphosphat-Batterien im Besonderen verwendet werden. Eine präzise Messung in Verbindung mit einer modellierten Lastkurve ermöglicht die Erzielung von SoC-Messungen mit einer Genauigkeit von 10 bis 15%.

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2 / SoC-Schätzung unter Verwendung der Coulomb-Zählmethode

Um den Ladezustand bei Verwendung des Akkus zu verfolgen, ist es am intuitivsten, dem Strom zu folgen, indem Sie ihn während der Verwendung der Zelle integrieren. Diese Integration gibt direkt die Anzahl der elektrischen Ladungen an, die in die Batterie injiziert oder aus dieser entnommen werden, wodurch es möglich wird, den SoC der Batterie genau zu quantifizieren.

Im Gegensatz zur OCV-Methode kann mit dieser Methode die Entwicklung des Ladezustands während der Verwendung der Batterie bestimmt werden. Es ist nicht erforderlich, dass sich die Batterie in Ruhe befindet, um eine genaue Messung durchzuführen.

soc
Coulomb-Zähler

Obwohl die Strommessung von einem Präzisionswiderstand durchgeführt wird, können kleine Messfehler in Bezug auf die Abtastfrequenz auftreten. Um diese Randfehler zu korrigieren, wird der Coulomb-Zähler bei jedem Lastzyklus neu kalibriert.

Lithium-Ionen Ladezustand (SoC) Die Messung durch Coulomb-Zählung ermöglicht einen Messfehler von weniger als 1%, was eine sehr genaue Anzeige der in der Batterie verbleibenden Energie ermöglicht. Im Gegensatz zur OCV-Methode ist die Coulomb-Zählung unabhängig von Schwankungen der Batterieleistung (die zu Spannungsabfällen der Batterie führen), und die Genauigkeit bleibt unabhängig vom Batterieverbrauch konstant.