Κατάσταση φόρτισης μπαταρίας λιθίου

Μέτρηση κατάστασης φόρτισης ιόντων λιθίου (SoC).

Οι μπαταρίες ιόντων λιθίου χρησιμοποιούνται επανειλημμένα σε ποικίλες εφαρμογές.Για να διασφαλιστεί η αποτελεσματική χρήση της μπαταρίας και η μεγαλύτερη διάρκεια ζωής, το συστήματα διαχείρισης μπαταριών (BMS) απασχολούνται.Τα πρόσφατα BMS γίνονται εξελιγμένα και προκαλούν υψηλότερη κατανάλωση στην μπαταρία.Το εκτιμώμενο SoC βαθμονομείται χρησιμοποιώντας μια αρχική σχέση τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV) με βάση την καμπύλη SoC.Η σύγκριση συστημάτων που επινοήθηκε γίνεται με τα παραδοσιακά αντίστοιχα.Τα αποτελέσματα καταδεικνύουν υπεραπόδοση μεγαλύτερη από τρίτης τάξης μεγέθους του προτεινόμενου συστήματος όσον αφορά το κέρδος συμπίεσης και την υπολογιστική απόδοση, ενώ εξασφαλίζουν μια ανάλογη ακρίβεια εκτίμησης SoC.

Ορισμός και Ταξινόμηση Εκτίμησης SOC

Το SOC είναι μια από τις πιο σημαντικές παραμέτρους για τις μπαταρίες, αλλά ο ορισμός του παρουσιάζει πολλά διαφορετικά ζητήματα.Γενικά, το SOC μιας μπαταρίας ορίζεται ως ο λόγος της τρέχουσας χωρητικότητάς της () προς την ονομαστική χωρητικότητα ().Η ονομαστική χωρητικότητα δίνεται από τον κατασκευαστή και αντιπροσωπεύει τη μέγιστη ποσότητα φόρτισης που μπορεί να αποθηκευτεί στην μπαταρία.Το SOC μπορεί να οριστεί ως εξής:

Κατάσταση χρέωσης (SoC) είναι το επίπεδο φόρτισης μιας ηλεκτρικής μπαταρίας σε σχέση με τη χωρητικότητά της.Οι μονάδες SoC είναι ποσοστιαίες μονάδες (0% = κενό, 100% = γεμάτο).Μια εναλλακτική μορφή του ίδιου μέτρου είναι το βάθος εκφόρτισης (DoD), το αντίστροφο του SoC (100% = κενό, 0% = πλήρες).

Υπάρχουν διάφοροι τρόποι για να λάβετε μέτρηση κατάστασης φόρτισης ιόντων λιθίου (SoC) ή Βάθος εκκένωσης (DoD) για μπαταρία λιθίου.Ορισμένες μέθοδοι είναι αρκετά περίπλοκες στην εφαρμογή τους και απαιτούν πολύπλοκο εξοπλισμό (φασματοσκοπία σύνθετης αντίστασης ή υδρόμετρο για μπαταρίες μολύβδου-οξέος).

Θα αναφέρουμε λεπτομερώς εδώ τις δύο πιο συνηθισμένες και απλούστερες μεθόδους εκτίμησης της κατάστασης φόρτισης μιας μπαταρίας: μέθοδος τάσης ή Τάση ανοιχτού κυκλώματος (OCV ) και μέθοδος μέτρησης coulomb.

1/ Εκτίμηση SoC με χρήση της μεθόδου τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV)

Όλοι οι τύποι μπαταριών έχουν ένα κοινό χαρακτηριστικό: η τάση στους ακροδέκτες τους μειώνεται ή αυξάνεται ανάλογα με το επίπεδο φόρτισής τους.Η τάση θα είναι η υψηλότερη όταν η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη και η χαμηλότερη όταν είναι άδεια.

Αυτή η σχέση μεταξύ τάσης και SOC εξαρτάται άμεσα από την τεχνολογία της μπαταρίας που χρησιμοποιείται.Για παράδειγμα, το παρακάτω διάγραμμα συγκρίνει τις καμπύλες εκφόρτισης μεταξύ μιας μπαταρίας μολύβδου και μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου.

Μπορεί να φανεί ότι οι μπαταρίες μολύβδου-οξέος έχουν μια σχετικά γραμμική καμπύλη, η οποία επιτρέπει μια καλή εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης: για μια μετρούμενη τάση, είναι δυνατόν να εκτιμηθεί με αρκετά μεγάλη ακρίβεια η τιμή του σχετικού SoC.

Ωστόσο, οι μπαταρίες ιόντων λιθίου έχουν πολύ πιο επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης, πράγμα που σημαίνει ότι σε ένα ευρύ φάσμα λειτουργίας, η τάση στους ακροδέκτες της μπαταρίας αλλάζει πολύ ελαφρά.

Η τεχνολογία φωσφορικού σιδήρου λιθίου έχει την πιο επίπεδη καμπύλη εκφόρτισης, γεγονός που καθιστά πολύ δύσκολο τον υπολογισμό του SoC σε μια απλή μέτρηση τάσης.Πράγματι, η διαφορά τάσης μεταξύ δύο τιμών SoC μπορεί να είναι τόσο μικρή ώστε να μην είναι δυνατός ο υπολογισμός της κατάστασης φόρτισης με καλή ακρίβεια.

Το παρακάτω διάγραμμα δείχνει ότι η διαφορά μέτρησης τάσης μεταξύ μιας τιμής DoD 40% και 80% είναι περίπου 6,0 V για μπαταρία 48 V τεχνολογίας μολύβδου-οξέος, ενώ είναι μόνο 0,5 V για φωσφορικό λίθιο-σίδηρο!

Ωστόσο, οι βαθμονομημένοι δείκτες φόρτισης μπορούν να χρησιμοποιηθούν ειδικά για μπαταρίες ιόντων λιθίου γενικά και για μπαταρίες φωσφορικού σιδήρου λιθίου ειδικότερα.Μια ακριβής μέτρηση, σε συνδυασμό με μια μοντελοποιημένη καμπύλη φορτίου, επιτρέπει τη λήψη μετρήσεων SoC με ακρίβεια 10 έως 15%.

2/ Εκτίμηση SoC με χρήση της μεθόδου Coulomb Counting

Για να παρακολουθείτε την κατάσταση φόρτισης κατά τη χρήση της μπαταρίας, η πιο διαισθητική μέθοδος είναι να παρακολουθείτε το ρεύμα ενσωματώνοντάς το κατά τη χρήση της κυψέλης.Αυτή η ενοποίηση δίνει άμεσα τον αριθμό των ηλεκτρικών φορτίων που εγχέονται ή αποσύρονται από την μπαταρία, καθιστώντας έτσι δυνατό τον ακριβή ποσοτικό προσδιορισμό του SoC της μπαταρίας.

Σε αντίθεση με τη μέθοδο OCV, αυτή η μέθοδος είναι σε θέση να προσδιορίσει την εξέλιξη της κατάστασης φόρτισης κατά τη χρήση της μπαταρίας.Δεν απαιτεί η μπαταρία να είναι σε ηρεμία για να εκτελέσετε μια ακριβή μέτρηση.

Coulomb Counter

Αν και η μέτρηση ρεύματος εκτελείται από μια αντίσταση ακριβείας, ενδέχεται να προκύψουν μικρά σφάλματα μέτρησης, που σχετίζονται με τη συχνότητα δειγματοληψίας.Για τη διόρθωση αυτών των οριακών σφαλμάτων, ο μετρητής coulomb βαθμονομείται εκ νέου σε κάθε κύκλο φόρτωσης.

Ιόν Λιθίου Κατάσταση χρέωσης (SoC) Η μέτρηση που γίνεται με μέτρηση coulomb επιτρέπει ένα σφάλμα μέτρησης μικρότερο από 1%, το οποίο επιτρέπει μια πολύ ακριβή ένδειξη της ενέργειας που απομένει στην μπαταρία.Σε αντίθεση με τη μέθοδο OCV, η μέτρηση coulomb είναι ανεξάρτητη από τις διακυμάνσεις της ισχύος της μπαταρίας (που προκαλούν πτώση τάσης μπαταρίας) και η ακρίβεια παραμένει σταθερή ανεξάρτητα από τη χρήση της μπαταρίας.