وضعیت شارژ باتری لیتیومی

اندازه گیری حالت شارژ لیتیوم-یون (SoC).

باتری های لیتیوم یونی به طور مکرر در کاربردهای مختلف استفاده می شوند.برای اطمینان از استفاده موثر باتری و عمر طولانی تر، سیستم های مدیریت باتری (BMS) شاغل هستند.BMS های اخیر در حال پیچیده شدن هستند و باعث افزایش مصرف بالای باتری می شوند.SoC تخمین زده شده با استفاده از یک رابطه منحنی ولتاژ مدار باز مبتنی بر رویداد (OCV) به منحنی SoC کالیبره شده است.مقایسه سیستم ابداع شده با همتایان سنتی انجام شده است.نتایج بیش از مرتبه سوم عملکرد بهتر سیستم پیشنهادی را از نظر افزایش فشرده سازی و راندمان محاسباتی نشان می‌دهند در حالی که از دقت تخمین SoC مشابه اطمینان می‌دهند.

تعریف و طبقه بندی برآورد SOC

SOC یکی از مهم ترین پارامترها برای باتری ها است، اما تعریف آن مسائل مختلفی را ارائه می دهد.به طور کلی، SOC یک باتری به عنوان نسبت ظرفیت فعلی آن () به ظرفیت اسمی () تعریف می شود.ظرفیت اسمی توسط سازنده ارائه می شود و نشان دهنده حداکثر مقدار شارژی است که می توان در باتری ذخیره کرد.SOC را می توان به صورت زیر تعریف کرد:

وضعیت شارژ (SoC) میزان شارژ باتری الکتریکی نسبت به ظرفیت آن است.واحدهای SoC درصد هستند (0% = خالی؛ 100% = پر).یک شکل جایگزین از همان اندازه گیری، عمق تخلیه (DoD)، معکوس SoC (100٪ = خالی؛ 0٪ = پر) است.

راه های مختلفی برای اندازه گیری حالت شارژ لیتیوم-یون (SoC) وجود دارد عمق تخلیه (DoD) برای باتری لیتیومیبرخی از روش ها برای اجرا بسیار پیچیده هستند و به تجهیزات پیچیده ای نیاز دارند (طیف سنجی امپدانس یا گیج هیدرومتر برای باتری های سرب اسید).

ما در اینجا دو روش رایج و ساده برای تخمین وضعیت شارژ باتری را شرح خواهیم داد: روش ولتاژ یا ولتاژ مدار باز (OCV ) و روش شمارش کولن.

1/ تخمین SoC با استفاده از روش ولتاژ مدار باز (OCV)

همه انواع باتری ها یک چیز مشترک دارند: ولتاژ در پایانه های آنها بسته به میزان شارژ آنها کاهش یا افزایش می یابد.ولتاژ زمانی که باتری به طور کامل شارژ می شود بالاترین و زمانی که باتری خالی می شود کمترین میزان ولتاژ را خواهد داشت.

این رابطه بین ولتاژ و SOC به طور مستقیم به فناوری باتری مورد استفاده بستگی دارد.به عنوان مثال، نمودار زیر منحنی های دشارژ را بین باتری سرب و باتری لیتیوم یونی مقایسه می کند.

مشاهده می‌شود که باتری‌های اسید سرب دارای منحنی نسبتاً خطی هستند که امکان تخمین خوبی از وضعیت شارژ را فراهم می‌کند: برای یک ولتاژ اندازه‌گیری شده، می‌توان مقدار SoC مربوطه را دقیقاً تخمین زد.

با این حال، باتری‌های لیتیوم یونی منحنی دشارژ بسیار مسطح‌تری دارند، به این معنی که در یک محدوده عملیاتی وسیع، ولتاژ در پایانه‌های باتری بسیار کمی تغییر می‌کند.

فناوری فسفات آهن لیتیوم مسطح ترین منحنی تخلیه را دارد که تخمین SoC را در یک اندازه گیری ساده ولتاژ بسیار دشوار می کند.در واقع، اختلاف ولتاژ بین دو مقدار SoC ممکن است آنقدر کم باشد که تخمین وضعیت شارژ با دقت خوبی ممکن نباشد.

نمودار زیر نشان می دهد که تفاوت اندازه گیری ولتاژ بین مقدار DoD 40٪ و 80٪ حدود 6.0 ولت برای باتری 48 ولت در فناوری سرب اسید است، در حالی که برای لیتیوم-آهن-فسفات فقط 0.5 ولت است!

با این حال، نشانگرهای شارژ کالیبره شده را می توان به طور خاص برای باتری های لیتیوم یون به طور کلی و باتری های لیتیوم فسفات آهن به طور خاص استفاده کرد.اندازه گیری دقیق، همراه با منحنی بار مدل شده، به اندازه گیری SoC اجازه می دهد تا با دقت 10 تا 15 درصد به دست آید.

2/ برآورد SoC با استفاده از روش Coulomb Counting

برای ردیابی وضعیت شارژ هنگام استفاده از باتری، بصری ترین روش این است که جریان را با یکپارچه سازی آن در طول استفاده از سلول دنبال کنید.این ادغام مستقیماً تعداد بارهای الکتریکی تزریق یا خارج شده از باتری را نشان می دهد، بنابراین امکان کمی سازی دقیق SoC باتری را فراهم می کند.

برخلاف روش OCV، این روش قادر به تعیین تکامل وضعیت شارژ در طول استفاده از باتری است.برای انجام اندازه گیری دقیق نیازی به استراحت باتری نیست.

شمارنده کولن

اگرچه اندازه گیری جریان توسط یک مقاومت دقیق انجام می شود، ممکن است خطاهای اندازه گیری کوچکی رخ دهد که مربوط به فرکانس نمونه برداری است.برای تصحیح این خطاهای حاشیه ای، شمارنده کولن در هر سیکل بارگذاری مجدد کالیبره می شود.

لیتیوم یون وضعیت شارژ (SoC) اندازه گیری انجام شده توسط شمارش کولن امکان خطای اندازه گیری کمتر از 1% را فراهم می کند که امکان نشان دادن بسیار دقیق انرژی باقی مانده در باتری را فراهم می کند.برخلاف روش OCV، شمارش کولن مستقل از نوسانات توان باتری (که باعث افت ولتاژ باتری می شود) است و دقت بدون توجه به مصرف باتری ثابت می ماند.