Состояние заряда ( SoC ) количественно определяет оставшуюся емкость аккумулятора в данный момент времени и в зависимости от данного состояния старения. [1] Обычно выражается в процентах (0% = пусто; 100% = заполнено). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда ( DoD ) , рассчитываемая как 100 — SoC (100% = пустой; 0% = полный). Это относится к количеству заряда, который может быть израсходован, если элемент полностью разряжен. [2] Состояние заряда обычно используется при обсуждении текущего состояния используемой батареи, тогда как глубина разряда чаще всего используется для обсуждения постоянного изменения состояния заряда во время повторяющихся циклов. [1] [3]
В аккумуляторном электромобиле (BEV) состояние заряда указывает на оставшуюся энергию в аккумуляторной батарее . [4] Это аналог указателя уровня топлива .
Состояние заряда (SOC) может помочь снизить беспокойство владельцев электромобилей, когда они ждут в очереди или остаются дома, поскольку оно будет отражать ход зарядки и сообщать владельцам, когда он будет готов. [5] Однако на приборной панели любого автомобиля, особенно в гибридных автомобилях, уровень заряда, представленный в виде шкалы или процентного значения, может не отражать реальный уровень заряда. Заметное количество энергии может быть зарезервировано для операций гибридной работы . Примерами таких автомобилей являются Mitsubishi Outlander PHEV (все версии/годы выпуска), где 0% уровня заряда, представленного водителю, представляет собой реальный уровень заряда 20–22% (при условии, что нулевой уровень является самым низким разрешенным уровнем заряда). по производителю автомобиля). Еще один — BMW i3 REX (версия Range Extender), где около 6% SOC зарезервировано для операций, аналогичных PHEV.
Известно также, что состояние заряда влияет на старение аккумулятора. [1] [6] Чтобы продлить срок службы батареи, следует избегать экстремальных значений уровня заряда, а также предпочтительнее уменьшать интервалы колебаний. [7] [8] [9]
Обычно SoC нельзя измерить напрямую, но его можно оценить на основе переменных прямого измерения двумя способами: оффлайн и онлайн. В автономных методах батарея должна заряжаться и разряжаться с постоянной скоростью, например, при счете Кулона. Этот метод дает точную оценку SoC батареи, но он занимает много времени, является дорогостоящим и нарушает работу основной батареи. Поэтому исследователи ищут некоторые онлайн-методы. [10] В целом существует пять методов косвенного определения SoC: [11] [12]
Этот метод работает только с батареями, имеющими доступ к жидкому электролиту , например, с негерметичными свинцово-кислотными батареями. Удельный вес электролита можно использовать для указания SoC батареи.
Ареометры используются для расчета удельного веса батареи. Чтобы найти удельный вес, необходимо отмерить объем электролита и взвесить его. Тогда удельный вес определяется как (масса электролита [г]/объем электролита [мл])/(Плотность воды, т.е. 1 г/1 мл). Чтобы найти SoC по удельному весу, необходима справочная таблица SG и SoC.
Было показано, что рефрактометрия является жизнеспособным методом непрерывного мониторинга состояния заряда. Показатель преломления электролита батареи напрямую зависит от удельного веса или плотности электролита элемента. [13] [14]
Этот метод преобразует показания напряжения батареи в SoC, используя известную кривую разряда (напряжение в зависимости от SoC) батареи. Однако на напряжение более существенно влияют ток батареи (из-за электрохимической кинетики батареи ) и температура. Этот метод можно сделать более точным, компенсируя показания напряжения поправочным членом, пропорциональным току батареи, и используя справочную таблицу зависимости напряжения холостого хода батареи от температуры.
Фактически, заявленной целью конструкции батареи является обеспечение как можно более постоянного напряжения независимо от SoC, что затрудняет применение этого метода.
Этот метод, также известный как « кулоновский подсчет», рассчитывает SoC путем измерения тока батареи и его интегрирования во времени. Поскольку ни одно измерение не может быть идеальным, этот метод страдает от долговременного дрейфа и отсутствия контрольной точки: поэтому SoC необходимо регулярно калибровать, например, путем сброса SoC до 100%, когда зарядное устройство определяет, что аккумулятор полностью заряжен (одним из других описанных здесь способов).
Maxim Integrated рекламирует комбинированный подход по напряжению и заряду, который, как утверждается, превосходит любой из методов по отдельности; он реализован в чипах серии ModelGauge m3, таких как MAX17050, [15] [16] , которые используются, например, в устройствах Android Nexus 6 и Nexus 9 . [17]
Чтобы преодолеть недостатки метода напряжения и метода интегрирования тока, можно использовать фильтр Калмана . Батарею можно смоделировать с помощью электрической модели, которую фильтр Калмана будет использовать для прогнозирования перенапряжения, вызванного током. В сочетании с подсчетом кулонов он может дать точную оценку состояния заряда. Сильная сторона фильтра Калмана заключается в том, что он способен регулировать напряжение батареи и счетчик кулонов в реальном времени. [18] [19]
Этот метод можно использовать с некоторыми NiMH аккумуляторами, внутреннее давление которых быстро увеличивается при зарядке аккумулятора. Чаще всего реле давления указывает, полностью ли заряжен аккумулятор. Этот метод можно улучшить, приняв во внимание закон Пейкерта , который является функцией тока заряда/разряда.