Что такое soc аккумулятор

Состояние заряда — State of charge

Состояние заряда ( SoC ) — это уровень заряда электрической батареи относительно ее емкости. Единицы SoC — это процентные точки (0% = пусто; 100% = заполнено). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда ( DoD ) , обратная SoC (100% = пустой; 0% = полный). SoC обычно используется при обсуждении текущего состояния используемой батареи, в то время как DoD чаще всего встречается при обсуждении срока службы батареи после многократного использования.

В аккумуляторном электромобиле (BEV), гибридном транспортном средстве (HV) или подключаемом гибридном электромобиле (PHEV) SoC для аккумуляторной батареи является эквивалентом топливомера . Важно отметить, что состояние заряда, представленное в виде шкалы или процентного значения на любой приборной панели транспортного средства, особенно в гибридных автомобилях с подзарядкой от сети, может не соответствовать реальному уровню заряда. В этом конкретном случае некоторое заметное количество энергии, хранящейся в электрической батарее , не отображается на приборной панели и зарезервировано для гибридных рабочих операций. Это позволяет транспортному средству ускоряться с помощью электродвигателя (ов), в основном используя энергию батареи, в то время как двигатель служит генератором, который используется для подзарядки батареи до минимального уровня, необходимого для такой работы. Примерами таких автомобилей являются Mitsubishi Outlander PHEV (все версии / годы выпуска), где 0% уровня заряда, представленного водителю, представляет собой реальные 20-22% уровня заряда (при условии, что нулевой уровень является минимальным допустимым уровнем заряда. производителем авто). Другой — BMW i3 REX (версия Range Extender), где около 6% SOC зарезервировано для операций, подобных PHEV. Teslas заявляет, что их SoC должен быть менее 95%, а некоторые говорят, что они находятся между 30% -80% . Есть некоторые данные, подтверждающие это.

Содержание

Определение SoC

Обычно SoC нельзя измерить напрямую, но его можно оценить по переменным прямого измерения двумя способами: в автономном режиме и онлайн. В автономных методах батарея желает заряжаться и разряжаться с постоянной скоростью, такой как кулоновский счет. Этот метод дает точную оценку SoC батареи, но он длительный, дорогостоящий и снижает производительность основной батареи. Поэтому исследователи ищут онлайн-методы. В целом существует пять методов косвенного определения SoC:

• химический
• вольтаж
• текущая интеграция
• Фильтрация Калмана
• давление

Химический метод

Этот метод работает только с аккумуляторами, в которых есть доступ к жидкому электролиту , например, с незапечатанными свинцово-кислотными аккумуляторами. Удельный вес или рН электролита может быть использован для указания состояния заряда батареи.

Ареометры используются для расчета удельного веса батареи. Чтобы определить удельный вес, необходимо измерить 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.

Совсем недавно было показано, что иммерсионная рефрактометрия является жизнеспособным методом непрерывного мониторинга состояния заряда. Показатель преломления электролита аккумуляторной батареи напрямую связан с удельным весом или плотностью электролита в элементе. Датчики, том 22 № 1, стр. 10 января 2005 г., патент США 10,145,789

Метод напряжения

Этот метод преобразует показания напряжения батареи в SoC, используя известную кривую разряда (напряжение в зависимости от SoC) батареи. Однако на напряжение в большей степени влияет ток батареи (из-за электрохимической кинетики батареи ) и температура. Этот метод можно сделать более точным, если скомпенсировать показания напряжения с помощью поправочного члена, пропорционального току батареи, и с помощью справочной таблицы зависимости напряжения холостого хода батареи от температуры.

Фактически, заявленная цель конструкции батареи — обеспечить максимально постоянное напряжение независимо от SoC, что затрудняет применение этого метода.

Текущий метод интеграции

Этот метод, также известный как « подсчет кулонов », вычисляет SoC, измеряя ток батареи и интегрируя его во времени. Поскольку никакое измерение не может быть идеальным, этот метод страдает от длительного дрейфа и отсутствия контрольной точки: поэтому SoC необходимо регулярно калибровать заново, например, путем сброса SoC на 100%, когда зарядное устройство определяет, что аккумулятор полностью заряжен (используя один из других способов, описанных здесь).

Комбинированные подходы

Maxim Integrated рекламирует комбинированный подход к напряжению и заряду, который, как утверждается, превосходит любой метод по отдельности; он реализован в их серии микросхем ModelGauge m3, такой как MAX17050, которая используется , например, в устройствах Android Nexus 6 и Nexus 9 .

Фильтрация Калмана

Чтобы преодолеть недостатки метода измерения 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 сделать точную оценку состояния заряда. Сила фильтра Калмана заключается в том, что он может регулировать свое доверие к напряжению батареи и счетчику кулонов в реальном времени.

Метод давления

Этот метод можно использовать с некоторыми батареями NiMH , внутреннее давление которых быстро увеличивается при зарядке батареи. Чаще всего реле давления показывает, полностью ли заряжен аккумулятор. Этот метод можно улучшить, приняв во внимание закон Пейкерта, который является функцией скорости заряда / разряда или силы тока .

Источник

Литиевая батарея Состояние заряда

Измерение уровня заряда литий-ионных аккумуляторов (SoC)

Литий-ионные батареи постоянно используются в самых разных приложениях. Чтобы обеспечить эффективное использование батареи и более длительный срок службы, системы управления батареями (BMS) работают. Последние BMS становятся все сложнее и вызывают более высокие накладные расходы на батарею. Расчетная SoC калибруется с использованием исходной зависимости напряжения холостого хода (OCV) от 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 — один из наиболее важных параметров для аккумуляторов, но его определение связано с множеством разных проблем. В общем, 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 относительно ее емкости. Единицы SoC — процентные точки (0% = пусто; 100% = полно). Альтернативной формой той же меры является глубина разряда (DoD), обратная SoC (100% = пустой; 0% = полный).

Существует несколько способов измерения состояния заряда литий-ионных аккумуляторов (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).

Мы подробно расскажем о двух наиболее распространенных и простых методах оценки состояния заряда батареи: метод измерения напряжения или Напряжение холостого хода (OCV) и метод подсчета кулонов.

1 / Оценка SoC с использованием метода напряжения холостого хода (OCV)

Все типы аккумуляторов имеют одну общую черту: напряжение на их выводах уменьшается или увеличивается в зависимости от уровня их заряда. Напряжение будет самым высоким, когда батарея полностью заряжена, и самым низким, когда она разряжена.

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

Можно видеть, что свинцово-кислотные батареи имеют относительно линейную кривую, которая позволяет хорошо оценить состояние заряда: для измеренного напряжения можно довольно точно оценить значение соответствующей SoC.

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

Литий-железо-фосфатная технология имеет самую ровную кривую разряда, что очень затрудняет оценку SoC с помощью простого измерения напряжения. Действительно, разница напряжений между двумя значениями SoC может быть настолько малой, что невозможно оценить состояние заряда с хорошей точностью.

На приведенной ниже диаграмме показано, что разница в измерении напряжения между значением DoD 40% и 80% составляет около 6.0 В для батареи 48 В в свинцово-кислотной технологии, в то время как она составляет всего 0.5 В для литий-железо-фосфатного!

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

2 / Оценка SoC с использованием метода счета кулонов

Наиболее интуитивно понятный метод отслеживания состояния заряда при использовании аккумулятора — это отслеживать ток, интегрируя его во время использования элемента. Эта интеграция напрямую дает количество электрических зарядов, введенных или снятых с батареи, что позволяет точно количественно определить SoC батареи.

В отличие от метода OCV, этот метод может определять изменение состояния заряда во время использования батареи. Для проведения точных измерений не требуется, чтобы батарея находилась в состоянии покоя.

Кулоновский счетчик

Хотя измерение тока выполняется с помощью прецизионного резистора, могут возникать небольшие ошибки измерения, связанные с частотой дискретизации. Чтобы исправить эти предельные ошибки, счетчик кулонов повторно калибруется при каждом цикле загрузки.

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

Источник

Состояние заряда и здоровья аккумулятора, а также условия замены автомобильного аккумулятора

Состояние заряда аккумулятора (SOC)

Состояние заряда автомобильной батареи выражается в виде напряжения (OCV) и представляет собой силу, используемую для проворачивания, известного как ток холодного пуска (CCA), через цепь стартера к двигателю.

Предполагая, что батарея полностью заряжена с высоким OCV и имеет хорошее состояние здоровья (SOH), высокий OCV позволит батарее многократно подавать достаточное количество CCA для запуска двигателя и достижения приблизительно 100% его пусковой емкости.

Если у батареи низкий OCV, ее способность отдавать пусковой ток через цепь стартера снижается, что приводит к возможному незапуску, даже если у батареи хороший SOH.

Состояние здоровья аккумулятора (SOH)

SOH автомобильного аккумулятора выражается в амплитуде холодного пуска (CCA) и представляет собой пусковую мощность, которую OCV способен подавать к стартеру через цепь стартера.

Каждый раз, когда батарея разряжается и перезаряжается (циклически), небольшое количество материала пластины, которое химически реагирует с серной кислотой в растворе электролита с образованием электричества, постоянно теряется.

Со временем и в зависимости от таких факторов, как рабочая температура, рабочее состояние заряда и рабочий цикл, это естественное использование материала пластины в конечном итоге приведет к медленному, но неуклонному снижению SOH батареи и ее способности производить CCA, требуемый для запуска двигателя.

Хотя невозможно определить максимальный или минимальный ожидаемый срок службы батареи из-за возможных изменений условий работы батареи, это старение и износ в конечном итоге приведут к отказу батареи при запуске двигателя.

Неисправность аккумуляторной батареи и диагностика

Принимая во внимание эти два рабочих состояния автомобильной батареи, легко спутать SOC с SOH и сделать неверные диагностические предположения, когда происходит сбой батареи.

Если уровень заряда батареи низкий, но он имеет хорошую возможность запуска двигателя SOH, его можно восстановить, зарядив аккумулятор и восстановив его способность выдавать имеющийся CCA через цепь стартера.

Однако, если SOC высокий, но SOH низкий, так как материал пластины аккумулятора со временем ухудшился до уровня, который не может удовлетворить требования, предъявляемые к нему стартером, может возникнуть ситуация незапуска, даже если аккумулятор полностью заряжен заряжена.

SOH батареи и ее способность поставлять высокий уровень CCA становится еще более важным в холодные зимние месяцы. Это связано с тем, что способность батареи обеспечивать максимально доступную CCA уменьшается примерно на 30% при 0 C. Однако требования к CCA цепи стартера возрастают, чтобы преодолеть такие условия, как повышенная вязкость моторного масла и сниженные допуски на компоненты двигателя.

Поэтому возможно иметь батарею, которая полностью заряжена с хорошим OCV, которая уже не сможет запустить двигатель, так как SOH и ее способность выдавать высокие уровни CCA достигли уровня, который не в состоянии удовлетворить требования для прокрутки стартера.

Источник