Состояние заряда литиевой батареи

Измерение состояния заряда литий-ионного аккумулятора (SoC)

Литий-ионные аккумуляторы регулярно используются в различных приложениях.Чтобы обеспечить эффективное использование батареи и более длительный срок службы, системы управления батареями (BMS) трудоустроены.Последние BMS становятся все более сложными и вызывают более высокие затраты на батарею.Предполагаемый SoC калибруется с использованием исходного отношения напряжения разомкнутой цепи (OCV) к кривой SoC.Проведено сравнение разработанной системы с традиционными аналогами.Результаты демонстрируют превосходство предложенной системы более чем на третий порядок с точки зрения усиления сжатия и вычислительной эффективности при обеспечении аналогичной точности оценки SoC.

Определение и классификация оценки SOC

SOC является одним из наиболее важных параметров для аккумуляторов, но его определение связано с множеством различных вопросов.В общем случае SOC батареи определяется как отношение ее текущей емкости () к номинальной емкости ().Номинальная емкость указывается производителем и представляет собой максимальное количество заряда, которое может храниться в аккумуляторе.SOC можно определить следующим образом:

Состояние заряда (SoC) уровень заряда электрической батареи по отношению к ее емкости.Единицами SoC являются процентные пункты (0% = пусто; 100% = заполнено).Альтернативной формой той же меры является глубина разрядки (DoD), обратная SoC (100% = пустой; 0% = полный).

Существует несколько способов измерения состояния заряда литий-ионного аккумулятора (SoC) или Глубина разряда (DoD) для литиевой батареи.Некоторые методы довольно сложны в реализации и требуют сложного оборудования (спектроскопия импеданса или ареометр для свинцово-кислотных аккумуляторов).

Здесь мы подробно опишем два наиболее распространенных и простых метода оценки состояния заряда батареи: метод напряжения или метод измерения напряжения. Напряжение холостого хода (OCV ) и методом счета кулонов.

1/ Оценка SoC с использованием метода напряжения разомкнутой цепи (OCV)

У всех типов батарей есть одна общая черта: напряжение на их клеммах уменьшается или увеличивается в зависимости от уровня их заряда.Напряжение будет самым высоким, когда аккумулятор полностью заряжен, и самым низким, когда он разряжен.

Эта взаимосвязь между напряжением и SOC напрямую зависит от используемой аккумуляторной технологии.В качестве примера на приведенной ниже диаграмме сравниваются кривые разряда свинцовой батареи и литий-ионной батареи.

Видно, что свинцово-кислотные аккумуляторы имеют относительно линейную кривую, что позволяет хорошо оценить состояние заряда: по измеренному напряжению можно достаточно точно оценить значение соответствующего SoC.

Однако литий-ионные батареи имеют гораздо более пологую кривую разряда, а это означает, что в широком рабочем диапазоне напряжение на клеммах батареи меняется очень незначительно.

Литий-железо-фосфатная технология имеет самую плоскую кривую разряда, что очень затрудняет оценку SoC при простом измерении напряжения.Действительно, разница напряжений между двумя значениями SoC может быть настолько мала, что невозможно с хорошей точностью оценить состояние заряда.

На диаграмме ниже показано, что разница измерения напряжения между значением DoD 40% и 80% составляет около 6,0 В для 48-вольтовой батареи в свинцово-кислотной технологии, в то время как для литий-железо-фосфатной технологии она составляет всего 0,5 В!

Однако калиброванные индикаторы заряда могут использоваться специально для литий-ионных аккумуляторов вообще и литий-железо-фосфатных аккумуляторов в частности.Точное измерение в сочетании с смоделированной кривой нагрузки позволяет получить измерения SoC с точностью от 10 до 15%.

2/ оценка SoC с использованием метода кулоновского подсчета

Для отслеживания состояния заряда при использовании аккумулятора наиболее интуитивно понятным методом является отслеживание тока путем интегрирования его во время использования элемента.Эта интеграция напрямую дает количество электрических зарядов, введенных или снятых с батареи, что позволяет точно определить SoC батареи.

В отличие от метода OCV, этот метод позволяет определить изменение состояния заряда во время использования батареи.Для точного измерения не требуется, чтобы батарея находилась в состоянии покоя.

Кулоновский счетчик

Хотя измерение тока выполняется прецизионным резистором, могут возникать небольшие погрешности измерения, связанные с частотой дискретизации.Чтобы исправить эти предельные ошибки, счетчик кулонов перекалибровывается при каждом цикле нагрузки.

литий-ионный Состояние заряда (SoC) измерение, выполненное кулоновским счетом, допускает погрешность измерения менее 1%, что позволяет очень точно указывать оставшуюся в батарее энергию.В отличие от метода OCV, подсчет кулонов не зависит от колебаний мощности батареи (которые вызывают падение напряжения батареи), а точность остается постоянной независимо от использования батареи.