Dyness Knowledge | Analyse van het SOC-concept voor lithiumbatterijen

Samenvatting:Lithium-ionbatterijen worden steeds breder gepromoot en gebruikt in het moderne leven. De State of Charge (SOC) van een lithiumbatterij is gelijk aan de brandstoftank van een auto. Herinner de gebruiker er altijd aan hoeveel vermogen er momenteel beschikbaar is, bijvoorbeeld, 100% vermogen is gelijk aan een volle gastank. 0% betekent dat de batterij leeg is, dat wil zeggen dat er geen benzine in de brandstoftank zit.

Wetenschappelijke, efficiënte en relatief nauwkeurige meting van SOC van lithiumbatterijen heeft niet alleen wetenschappelijke meetmethoden, maar vereist ook geavanceerde software-algoritmen als een noodzakelijke garantie voor batterijbedrijven om realtime waarden te verkrijgen. Dit vereist dat batterijfabrikanten het algoritme van hun batterijbeheersysteem (BMS) voortdurend verbeteren en upgraden, zodat gebruikers relatief nauwkeurige vermogensinformatie kunnen verkrijgen en de gezondheidsstatus van de batterij tijdens gebruik kunnen begrijpen. Door het bijbehorende programma vooraf in het BMS-systeem te schrijven, wordt de SOC-waarde berekend met de spanningsmethode, de Kalman-filtermeetmethode of de Coulomb-telmethode.

1. Lithium-ionbatterijen zijn essentieel in ons dagelijks leven en voeden consumentenelektronica van smartphones tot elektrische auto's.

SOC is een van de belangrijke indicatoren voor de prestaties en levensduur van batterijen. SOC wordt gedefinieerd als beschikbare capaciteit [in (Ah-Ampère-uren)] en uitgedrukt als een percentage van de nominale capaciteit. De SOC-parameter kan worden gezien als een thermodynamische grootheid waarmee de potentiële energie van de batterij kan worden geëvalueerd. Het is ook belangrijk om de gezondheidstoestand van de batterij (SOH) te schatten, wat een maatstaf is voor het vermogen van een batterij om elektrische energie op te slaan en te leveren in vergelijking met een nieuwe batterij (Ghazel, 2017).

Als een batterij te diep wordt ontladen of te vaak wordt opgeladen, kan dit de algehele gezondheid beïnvloeden en de levensduur verkorten. Het is vooral belangrijk om de SOC binnen een veilig bereik te houden om de levensduur van de batterij en optimale prestaties te garanderen. Over het algemeen wordt aanbevolen om de SOC tussen 20% en 80% te houden. Alles onder de 20% of boven de 80% kan de batterij belasten en de algehele levensduur verkorten. Sommige internationale fabrikanten geven dit aan in de batterijkolom van hun consumentenelektronicaproducten. Wanneer de SOC binnen dit bereik moet worden gehouden, moet de activiteit van de lithiumionen in de batterij zoveel mogelijk worden gehandhaafd en moet de levensduur van de batterij zoveel mogelijk worden verlengd.

2. De meting van SOC kan worden onderverdeeld in het algoritme op basis van het meetmodel, of de meetmethode op basis van de batterijlaad- en ontlaaddoorvoer en de batterijlichaamsspanning om de waarde te verkrijgen. Het is alleen zo dat er verschillen en accenten zijn tussen de drie. Daarom hebben de SOC-waarden die door de drie methoden worden berekend ook relatieve afwijkingen.

3. Coulomb-telling

Ook bekend als ampère-uur tellen en stroomintegratie. Wanneer de batterij wordt opgeladen en ontladen, wordt de SOC geschat door de geladen en ontladen elektriciteit te accumuleren. De berekeningsmethode is als volgt:

C(max): batterij (maximale) capaciteit; I(nu) stroom (A); t: tijd

De nadelen van deze meetmethode zijn: 1. Fouten worden veroorzaakt door stroombemonstering. 2. De fout die wordt veroorzaakt door de verandering van de batterijcapaciteit. 3. Fouten die worden veroorzaakt door de schatting en selectie van de begin- en eindwaarden van de SOC, die op hun beurt de berekening van de totale waarde beïnvloeden.

Deze methode registreert slechts globaal de hoeveelheid elektriciteit die de batterij van buitenaf binnenkomt en verlaat, maar negeert de demping die wordt veroorzaakt door de vervanging van lithiumionen in de batterij, evenals de generatie van lithiumdendrieten en andere variabelen die de SOC-berekening van de batterij "van binnenuit" beïnvloeden. En de fout zal alleen maar groter en groter worden naarmate de tijd verstrijkt. Vanwege dit nadeel moeten batterijbedrijven hun BMS voortdurend upgraden om fouten te verminderen.

4. Open circuit voltage-methode

De SOC van een batterij, of de resterende capaciteit, kan worden bepaald met behulp van een ontladingstest onder gecontroleerde omstandigheden. Dit algoritme gebruikt de bekende ontladingscurve van de batterij (spanning versus SOC) om een batterijspanningswaarde om te zetten in een equivalente SOC-waarde. De spanning wordt echter meer beïnvloed door de batterijstroom vanwege de elektrochemische kinetiek en temperatuur van de batterij. Deze methode kan nauwkeuriger worden gemaakt door de spanningsmeting te compenseren met een correctieterm die evenredig is met de batterijstroom en door een opzoektabel van de batterijpencircuitspanning (OCV) en temperatuur te gebruiken. Batterijen vereisen een stabiel spanningsbereik, waardoor de spanningsbenadering moeilijk te implementeren is. Bovendien omvat ontladingstests vaak continu opladen, waardoor de meeste toepassingen tijdrovend zijn.

Bovendien is de curve van de open circuitspanning van lithium-ijzerfosfaatbatterijen tussen 30% en 80% bijna een rechte lijn en is het moeilijker om de bijbehorende waarde te vinden. Daarom is deze methode het meest geschikt voor het geval dat de batterij lange tijd heeft stilgestaan en niet vaak wordt gebruikt.

5. Kalman-filtermethode

Een dynamisch simulatiealgoritme voor het detecteren van de interne status van de batterijcel is geschikt voor het berekenen van de SOC-waarde van de batterij. De methode zelf biedt dynamische foutgrenzen, maakt gebruik van foutcorrectiemechanismen en biedt realtimevoorspelling van SOC. Hoewel Kalman-filtering een online en dynamische methode is, vereist het een geschikt batterijmodel en nauwkeurige identificatie van de parameters. Het vereist ook veel rekenkracht en nauwkeurige initialisatie.

Samenvattend is de SOC-waarde een kernoverweging bij de productie van batterijen. Het is niet alleen gerelateerd aan het intuïtieve lichaamsgevoel van de gebruiker bij het gebruik van de batterij, maar heeft ook invloed op de levensduur van de batterij of de investeringskosten van de klant om de batterij te kopen. Daarom zijn het handhaven van de SOC-waarde van de batterij binnen een aanbevolen bereik tijdens gebruik en het updaten van de firmware van het batterijproduct in realtime belangrijke garanties om de levensduur van het product en de gebruikerservaring te garanderen.

Citaten

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). Een nadere blik op State of Charge (SOC) en State of Health (SOH) schattingstechnieken voor batterijen.

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

‍

Dyness Digital Energy Technology Co., LTD

web：www.dyness.com

Tel: +86 400 666 0655    Email: info@dyness-tech.com

Address: No.688, Liupu Road, Suzhou, Jiangsu China

Dyness community: https://www.facebook.com/groups/735600200902322