Анализ концепции SOC литиевой батареи

Аннотация: Литий-ионные батареи все шире продвигаются и используются в современной жизни. Состояние заряда (SOC) литиевой батареи эквивалентно топливному баку автомобиля. Всегда напоминайте пользователю, сколько энергии доступно в данный момент, например, 100% энергии равно полному топливному баку. 0% означает, что батарея разряжена, то есть в топливном баке нет бензина.

Научное, эффективное и относительно точное измерение SOC литиевых батарей требует не только научных методов измерения, но и передовых программных алгоритмов, которые являются необходимой гарантией для компаний-производителей батарей для получения значений в режиме реального времени. Это требует от производителей аккумуляторов постоянного совершенствования и обновления алгоритма своей системы управления аккумуляторами (BMS), чтобы пользователи могли получать относительно точную информацию о мощности и понимать состояние аккумулятора во время использования. Заранее написав соответствующую программу в системе BMS, значение SOC рассчитывается методом напряжения, методом измерения фильтра Калмана или методом подсчета кулонов.

1. Литий-ионные батареи играют важную роль в нашей повседневной жизни, обеспечивая питание бытовой электроники от смартфонов до электромобилей.

SOC является одним из важных показателей производительности и срока службы батареи. SOC определяется как доступная емкость [в (Ач-ампер-часах)] и выражается в процентах от номинальной емкости. Параметр SOC можно рассматривать как термодинамическую величину, которая позволяет оценить потенциальную энергию батареи. Также важно оценить состояние батареи (SOH), которое представляет собой меру способности батареи хранить и подавать электрическую энергию по сравнению с новой батареей (Ghazel, 2017).

Если батарея слишком сильно разряжена или заряжается слишком часто, это может повлиять на ее общее состояние и сократить срок службы. Поддержание SOC в безопасном диапазоне особенно важно для обеспечения срока службы батареи и оптимальной производительности. В целом рекомендуется поддерживать SOC в диапазоне от 20% до 80%. Любое значение ниже 20% или выше 80% может создавать нагрузку на аккумулятор и сокращать его общий срок службы. Некоторые международные производители указывают это в колонке «Аккумулятор» своих потребительских электронных продуктов. Когда SOC должен поддерживаться в этом диапазоне, активность ионов лития в аккумуляторе должна поддерживаться на максимально возможном уровне, а срок службы аккумулятора должен быть максимально продлен.

2. Измерение SOC можно разделить на алгоритм, основанный на модели измерения, или метод измерения, основанный на пропускной способности заряда и разряда батареи и напряжении корпуса батареи для получения значения. Просто между этими тремя методами есть различия и акценты. Поэтому значения SOC, рассчитанные тремя методами, также имеют относительные отклонения.

3. Подсчет кулонов

Также известен как подсчет ампер-часов и интеграция тока. Когда батарея заряжается и разряжается, SOC оценивается путем накопления заряженной и разряженной электроэнергии. Метод расчета следующий:

C(max): емкость батареи (максимальная); I(now) ток (А); t: время

Недостатки этого метода измерения: 1. Ошибки, вызванные отбором проб тока. 2. Ошибки, вызванные изменением емкости батареи. 3. Ошибки, вызванные оценкой и выбором начальных и конечных значений SOC, которые, в свою очередь, влияют на расчет общего значения.

Этот метод только приблизительно регистрирует количество электроэнергии, поступающей в аккумулятор и выходящей из него снаружи, но игнорирует затухание, вызванное заменой ионов лития внутри аккумулятора, а также образование литиевых дендритов и другие переменные, которые влияют на расчет SOC аккумулятора «изнутри». И с течением времени погрешность будет только увеличиваться. Из-за этого недостатка производители аккумуляторов вынуждены постоянно модернизировать свои системы управления аккумуляторами (BMS), чтобы уменьшить погрешности.

4. Метод напряжения разомкнутой цепи

SOC батареи, или ее оставшаяся емкость, может быть определена с помощью теста разряда в контролируемых условиях. Этот алгоритм использует известную кривую разряда батареи (напряжение по отношению к SOC) для преобразования показаний напряжения батареи в эквивалентное значение SOC. Однако на напряжение в большей степени влияет ток батареи из-за электрохимической кинетики и температуры батареи. Этот метод можно сделать более точным, компенсируя показания напряжения с помощью поправочного коэффициента, пропорционального току батареи, и используя таблицу напряжения батареи в разомкнутой цепи (OCV) и температуры. Батареи требуют стабильного диапазона напряжения, что затрудняет реализацию подхода, основанного на напряжении. Кроме того, тестирование разряда часто сопровождается непрерывной зарядкой, что делает большинство приложений трудоемкими.

Кроме того, кривая напряжения разряженной батареи литий-железо-фосфатной батареи между 30% и 80% является почти прямой линией, и найти соответствующее значение сложнее. Поэтому этот метод наиболее подходит для случаев, когда батарея долгое время не используется и не используется часто.

5. Метод фильтра Калмана

Алгоритм динамического моделирования для определения внутреннего состояния элемента батареи подходит для расчета значения SOC батареи. Сам метод обеспечивает динамические границы погрешности, использует механизмы коррекции погрешностей и обеспечивает прогнозирование SOC в режиме реального времени. Хотя фильтрация Калмана является онлайн-методом и динамическим методом, она требует подходящей модели батареи и точной идентификации ее параметров. Она также требует большой вычислительной мощности и точной инициализации.

Таким образом, значение SOC является ключевым фактором при производстве аккумуляторов. Оно не только связано с интуитивным ощущением пользователя при использовании аккумулятора, но и влияет на срок службы аккумулятора или инвестиционные затраты клиента на его покупку. Поэтому поддержание значения SOC аккумулятора в рекомендуемом диапазоне во время использования и обновление прошивки аккумулятора в режиме реального времени являются важными гарантиями обеспечения срока службы продукта и удобства использования.

Цитаты

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). State of Charge Estimation For Lithium Iion Battery Based on Reinforcement Learning. ScienceDirect, page 404-408.

‍

Dyness Digital Energy Technology Co., LTD

WhatsApp: +86 181 3643 0896   Электронная почта: info@dyness-tech.com  

Адрес: № 688, Liupu Road, Сучжоу, Цзянсу, Китай Dyness

Веб-сайт: https://www.uz.dyness.com/ 

Сообщество Dyness: https://www.facebook.com/groups/73560020090