stringtranslate.com

Состояние заряда

Состояние заряда ( SoC ) количественно определяет оставшуюся емкость, доступную в батарее в данный момент времени и по отношению к данному состоянию старения. [1] Обычно выражается в процентах (0% = пустой; 100% = полный). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда ( DoD ) , рассчитываемая как 1 − SoC (100% = пустой; 0% = полный). Она относится к количеству заряда, которое может быть израсходовано, если ячейка полностью разряжена. [2] Состояние заряда обычно используется при обсуждении текущего состояния используемой батареи, в то время как глубина разряда чаще всего используется для обсуждения постоянного изменения состояния заряда во время повторяющихся циклов. [1] [3]

В электромобилях

В электромобиле с аккумуляторной батареей (BEV) уровень заряда показывает оставшуюся энергию в аккумуляторной батарее . [4] Это эквивалент указателя уровня топлива .

Состояние заряда может помочь снизить беспокойство владельцев электромобилей, когда они ждут в очереди или остаются дома, поскольку оно будет отражать ход зарядки и сообщать владельцам, когда она будет готова. [5] Однако на любой приборной панели автомобиля, особенно в подключаемых гибридных автомобилях, состояние заряда, представленное в виде индикатора или процентного значения, может не отражать реальный уровень заряда. Заметное количество энергии может быть зарезервировано для гибридных рабочих операций. Примерами таких автомобилей являются Mitsubishi Outlander PHEV (все версии/годы выпуска), где уровень заряда равен нулю, когда реальный уровень заряда составляет 20–22%. Другой пример — BMW i3 REX (версия Range Extender), где около 6% SoC зарезервировано для PHEV-подобных операций.

Известно, что состояние заряда также влияет на старение аккумулятора. [1] [6] Чтобы продлить срок службы аккумулятора, следует избегать экстремальных значений состояния заряда, а также предпочтительнее сократить окна колебаний. [7] [8] [9]

Определение SoC

Обычно SoC нельзя измерить напрямую, но его можно оценить из переменных прямого измерения двумя способами: офлайн и онлайн. В офлайн методах батарея должна заряжаться и разряжаться с постоянной скоростью, например, с помощью подсчета Кулона. Этот метод дает точную оценку SoC батареи, но он длительный, дорогой и нарушает работу основной батареи. Поэтому исследователи ищут некоторые онлайн методы. [10] В целом существует пять методов косвенного определения SoC: [11] [12]

Химический метод

Этот метод работает только с батареями, которые предлагают доступ к их жидкому электролиту , например, негерметичные свинцово-кислотные батареи. Удельный вес электролита может быть использован для указания SoC батареи.

Ареометры используются для расчета удельного веса батареи. Чтобы найти удельный вес, необходимо измерить объем электролита и взвесить его. Затем удельный вес определяется по формуле (масса электролита [г]/объем электролита [мл])/(плотность воды, т.е. 1г/1мл). Чтобы найти SoC по удельному весу, необходима справочная таблица SG против SoC.

Рефрактометрия показала себя как жизнеспособный метод непрерывного мониторинга состояния заряда. Показатель преломления электролита батареи напрямую связан с удельным весом или плотностью электролита ячейки. [13] [14]

Примечательно, что анализ электролита не дает информации о состоянии заряда в случае литий-ионных аккумуляторов и других аккумуляторов, которые не производят и не потребляют растворитель или растворенные вещества во время своей работы. Метод работает для свинцово-кислотных аккумуляторов , поскольку концентрация серной кислоты изменяется в зависимости от состояния заряда аккумулятора в соответствии со следующей реакцией:

Pb (т) + PbO
2(с) + 2 Н
2ТАК
4(водн.) → 2 PbSO4
4(с) + 2 Н
2О (л)

Метод напряжения

Этот метод преобразует показания напряжения батареи в SoC, используя известную кривую разряда (напряжение против SoC) батареи. Однако напряжение более существенно зависит от тока батареи (из-за электрохимической кинетики батареи ) и температуры. Этот метод можно сделать более точным, компенсируя показания напряжения поправочным членом, пропорциональным току батареи, и используя справочную таблицу напряжения разомкнутой цепи батареи в зависимости от температуры.

Фактически, заявленная цель проектирования аккумулятора — обеспечить максимально возможное постоянное напряжение независимо от SoC, что затрудняет применение этого метода. Для аккумуляторов, напряжение которых не зависит от степени их заряженности (например, литий-железо-фосфатный аккумулятор ), измерения напряжения холостого хода не могут обеспечить надежную оценку SoC. С другой стороны, аккумуляторы с пологими кривыми напряжение-заряд (например, никель-кобальт-марганцевый аккумулятор) более поддаются оценке SoC по измерениям напряжения холостого хода . [15]

Текущий метод интеграции

Этот метод, также известный как подсчет кулонов , вычисляет SoC путем измерения тока батареи и его интегрирования во времени. Поскольку ни одно измерение не может быть идеальным, этот метод страдает от долгосрочного дрейфа и отсутствия точки отсчета: поэтому SoC необходимо регулярно перекалибровывать, например, сбрасывая SoC до 100%, когда зарядное устройство определяет, что батарея полностью заряжена (используя один из других методов, описанных здесь).

Комбинированные подходы

Компания Maxim Integrated рекламирует комбинированный подход к напряжению и заряду, который, как утверждается, превосходит любой из методов по отдельности; он реализован в их серии чипов ModelGauge m3, таких как MAX17050, [16] [17] , которые используются, например, в устройствах Nexus 6 и Nexus 9 на базе Android. [18]

Фильтрация Калмана

Чтобы преодолеть недостатки метода напряжения и метода интеграции тока, можно использовать фильтр Калмана . Батарея может быть описана с помощью электрической модели, которую фильтр Калмана будет использовать для прогнозирования перенапряжения с учетом наблюдаемого тока. В сочетании с подсчетом кулонов он может сделать точную оценку состояния заряда. Сила этого метода в том, что фильтр Калмана корректирует свое относительное доверие к напряжению батареи и подсчету кулонов в реальном времени. [19] [20]

Метод давления

Этот метод можно использовать с определенными NiMH- аккумуляторами, внутреннее давление которых быстро увеличивается при зарядке аккумулятора. Чаще всего реле давления показывает, полностью ли заряжен аккумулятор. Этот метод можно улучшить, приняв во внимание закон Пейкерта , который является функцией тока заряда/разряда.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ abc Хассини, Марван; Редондо-Иглесиас, Эдуардо; Вене, Паскаль (2023-07-19). «Данные по литий-ионным аккумуляторам: от производства до прогнозирования». Батареи . 9 (7): 385. doi : 10.3390/batteries9070385 . ISSN  2313-0105.
  2. ^ Башир, Ясир; Кайсар, Саид Миан; Вакар, Асад; Латиф, Фахад; Альзахрани, Ахмад (2023). «Исследование оптимальной глубины разряда и технологии аккумуляторов для моделей гибридной генерации энергии в цементной промышленности с использованием HOMER Pro». IEEE Access . 11 : 81331–81347. Bibcode : 2023IEEEA..1181331B. doi : 10.1109/ACCESS.2023.3300228 . Получено 2024-01-20 .
  3. ^ Саксена, Саурабх; Хендрикс, Кристофер; Пехт, Майкл (30.09.2016). «Тестирование и моделирование срока службы графитовых/LiCoO2 ячеек при различных уровнях заряда». Журнал источников питания . 327 : 394–400. doi :10.1016/j.jpowsour.2016.07.057. ISSN  0378-7753.
  4. ^ Espedal, Ingvild B.; Jinasena, Asanthi; Burheim, Odne S.; Lamb, Jacob J. (4 июня 2021 г.). «Текущие тенденции оценки состояния заряда (SoC) в электромобилях с литий-ионными аккумуляторами». Energies . 14 (11): 3284. doi : 10.3390/en14113284 . hdl : 11250/2758056 . ISSN  1996-1073.
  5. ^ Ся, Бичжун; Чжан, Гуаньонг; Чен, Хуэйюань; Ли, Юхэн; Ю, Чжоцзюнь; Чен, Юньчао (январь 2022 г.). «Платформа верификации алгоритма оценки SOC для литий-ионных аккумуляторов электромобилей». Энергии . 15 (9): 3221. doi : 10.3390/en15093221 . ISSN  1996-1073.
  6. ^ Чоудхури, Нилдари Рой; Смит, Александр Дж.; Френандер, Кристиан; Михеенкова Анастасия; Линдстрем, Ракель Реланд; Тирингер, Торбьёрн (15 января 2024 г.). «Влияние окна состояния заряда на деградацию элементов литий-ионных аккумуляторов Tesla». Журнал хранения энергии . 76 : 110001. doi :10.1016/j.est.2023.110001. ISSN  2352-152Х. S2CID  266404991.
  7. ^ Гролло, Себастьен; Багдади, Иссам; Гьян, Филипп; Бен-Марзук, Мохамед; Дюкло, Франсуа (24 июня 2016 г.). «Снижение емкости литий-ионных батарей при смешанном протоколе календарного/циклического старения». Всемирный журнал электромобилей . 8 (2): 339–349. дои : 10.3390/wevj8020339 . ISSN  2032-6653.
  8. ^ Редондо-Иглесиас, Эдуардо; Вене, Паскаль; Пелисье, Серж (19 февраля 2020 г.). «Моделирование старения литий-ионных аккумуляторов в электромобилях — комбинированные эффекты календарного и циклического старения». Батареи . 6 (1): 14. doi : 10.3390/batteries6010014 . ISSN  2313-0105.
  9. ^ Викнер, Эвелина; Бьёрклунд, Эрик; Фриднер, Йохан; Бранделл, Даниэль; Тирингер, Торбьёрн (01.04.2021). «Как используемое окно SOC в коммерческих литий-ионных пакетных элементах влияет на старение батареи». Journal of Power Sources Advances . 8 : 100054. doi : 10.1016/j.powera.2021.100054. ISSN  2666-2485.
  10. ^ Сейед Мохаммад Резваниани; Джей Ли; Цзунчунг Лю и Ян Чен (2014). «Обзор и последние достижения в области мониторинга состояния аккумулятора и технологий прогностики для безопасности и мобильности электромобилей (EV)». Журнал источников питания . 256 : 110–124. Bibcode : 2014JPS...256..110R. doi : 10.1016/j.jpowsour.2014.01.085.
  11. ^ «Определение уровня заряда аккумулятора». www.mpoweruk.com .
  12. ^ "Измерители и тестеры аккумуляторов".
  13. ^ S Accetta, Joseph. "Применение рефрактометрии при измерении состояния заряда аккумуляторов (SOC)" (PDF) . JSA Photonics . Получено 20 января 2024 г. .
  14. ^ Патил, Суприя С.; Лабаде, В. П.; Кулкарни, Н. М.; Шалиграм, А. Д. (01.11.2013). «Анализ рефрактометрического оптоволоконного датчика контроля состояния заряда (SOC) свинцово-кислотного аккумулятора». Optik . 124 (22): 5687–5691. Bibcode :2013Optik.124.5687P. doi :10.1016/j.ijleo.2013.04.031. ISSN  0030-4026.
  15. ^ Ли Дж. Ф., Чжао М., Дай К. С., Ван З. Б., Пехт М. Математический метод получения потенциальной кривой холостого хода для литий-ионных батарей. J Электроанальная химия. 2021;895:11 дои: 10.1016/j.jelechem.2021.115488.
  16. ^ Фуллер, Брайан. «День редактора-аналитика Maxim в прямом эфире в блоге». EETimes .
  17. ^ http://www.analog-eetimes.com/en/high-accuracy-battery-fuel-gauge-maximizes-battery-capacity-and-boosts-user-confidence.html?cmp_id=7&news_id=222904749
  18. ^ "Профили питания для Android". Android Open Source Project .
  19. ^ Чжан, Дж. и Ли, Дж., Обзор прогностики и мониторинга состояния литий-ионных аккумуляторов [1].
  20. ^ Вэй, Хэ; Николас Вильярд; Чаочао Чен; Майкл Пехт (2013). «Оценка состояния заряда аккумуляторов электромобилей с использованием неароматизированной фильтрации Калмана». Надежность микроэлектроники . 53 (6): 840–847. doi :10.1016/j.microrel.2012.11.010.