Состояние заряда

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 1 − 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, а глубина разряда чаще всего используется для обсуждения постоянного изменения состояния заряда во время повторяющихся циклов. ^[1]^[3]

В электромобилях

В аккумуляторном электромобиле (BEV) состояние заряда указывает на оставшуюся энергию в аккумуляторной батарее . ^[4] Это эквивалент указателя уровня топлива .

Уровень заряда может помочь уменьшить беспокойство владельцев электромобилей, когда они ждут в очереди или остаются дома, поскольку он 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. Значительное количество энергии может быть зарезервировано для гибридной работы операций . Примером таких автомобилей являются Mitsubishi Outlander PHEV (все версии/годы выпуска), где водителю указывается нулевой уровень заряда при реальном уровне заряда 20–22%. 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 сокращать интервалы колебаний. ^[7]^[8]^[9]

Определение SoC

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]

химический
Напряжение
текущая интеграция
Фильтрация Калмана
давление

Химический метод

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]

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

Pb (s) + PbO
₂ (с)+ 2Н
₂ ТАК
₄ (водн.) → 2 PbSO
₄ (с)+ 2Н
₂ О (л)

E_{cell}^{\circ }=2.05{\text{ V}}

Метод напряжения

Этот метод преобразует показания напряжения батареи в SoC, используя известную кривую разряда (напряжение в зависимости от SoC) батареи. батареи Однако на напряжение более существенно влияют ток батареи (из-за электрохимической кинетики ) 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. Для аккумуляторов, напряжение которых не зависит от степени их заряда (например, литий-железо-фосфатных аккумуляторов ), измерения напряжения холостого хода не могут обеспечить надежную оценку SoC. С другой стороны, батареи с наклонными кривыми напряжения-заряда (например, никель-кобальт-марганцевые батареи ) более поддаются оценке SoC на основе измерений напряжения холостого хода . ^[15]

Текущий метод интеграции

Этот метод, также известный как кулонов 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).

Комбинированные подходы

Maxim Integrated рекламирует комбинированный подход по напряжению и заряду, который, как утверждается, превосходит любой из методов по отдельности; это реализовано в их чипах серии ModelGauge m3, таких как MAX17050, ^[16]^[17] который используется Nexus 6 и Nexus 9 . , например, в устройствах Android ^[18]

Фильтрация Калмана

Чтобы преодолеть недостатки метода напряжения и метода интегрирования тока, фильтр Калмана можно использовать . Батарею можно описать с помощью электрической модели, которую фильтр Калмана будет использовать для прогнозирования перенапряжения с учетом наблюдаемого тока. В сочетании с подсчетом кулонов он может дать точную оценку состояния заряда. Сила этого метода в том, что фильтр Калмана регулирует относительное доверие к напряжению батареи и подсчету кулонов в реальном времени. ^[19]^[20]

Метод давления

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.

См. также

Ссылки

^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хассини, Марван; Редондо-Иглесиас, Эдуардо; Венет, Паскаль (19 июля 2023 г.). «Данные о литий-ионных батареях: от производства к прогнозированию» . Батареи . 9 (7): 385. doi : 10.3390/batteries9070385 . ISSN 2313-0105 .
^ Башир, Ясир; Кайсар, Саид Миан; Вакар, Асад; Латиф, Фахад; Альзахрани, Ахмад (2023). «Исследование оптимального DOD и технологии аккумуляторов для моделей гибридного производства энергии в цементной промышленности с использованием HOMER Pro» . Доступ IEEE . 11 : 81331–81347. Бибкод : 2023IEEEA..1181331B . дои : 10.1109/ACCESS.2023.3300228 . Проверено 20 января 2024 г.
^ Саксена, Саураб; Хендрикс, Кристофер; Пехт, Майкл (30 сентября 2016 г.). «Циклическое тестирование и моделирование элементов графита/LiCoO2 в различных диапазонах заряда» . Журнал источников энергии . 327 : 394–400. дои : 10.1016/j.jpowsour.2016.07.057 . ISSN 0378-7753 .
^ Эспедал, Ингвильд Б.; Джинасена, Асанти; Бурхейм, Одне С.; Лэмб, Джейкоб Дж. (4 июня 2021 г.). «Текущие тенденции в оценке состояния заряда (SoC) в электромобилях с литий-ионными аккумуляторами» . Энергии . 14 (11): 3284. doi : 10.3390/en14113284 . HDL : 11250/2758056 . ISSN 1996-1073 .
^ 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 .
^ 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 2352-152X . S2CID 266404991 .
^ Гролло, Себастьян; 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 .
^ Редондо-Иглесиас, Эдуардо; Венет, Паскаль; Пелисье, Серж (19 февраля 2020 г.). «Моделирование старения литий-ионных аккумуляторов в электромобилях — эффекты сочетания календарного и циклического старения» . Батареи . 6 (1): 14. doi : 10.3390/batteries6010014 . ISSN 2313-0105 .
^ Викнер, Эвелина; Бьёрклунд, Эрик; Фриднер, Йохан; Бранделл, Дэниел; Тирингер, Торбьорн (01 апреля 2021 г.). «Как используемое окно SOC в коммерческих литий-ионных аккумуляторных элементах влияет на старение батареи» . Журнал достижений в области источников энергии . 8 : 100054. doi : 10.1016/j.powera.2021.100054 . ISSN 2666-2485 .
^ Сейед Мохаммад Резванианиани; Джей Ли; Цзунчунг Лю и Ян Чен (2014). «Обзор и последние достижения в области технологий мониторинга состояния аккумуляторов и прогнозирования безопасности и мобильности электромобилей (EV)». Журнал источников энергии . 256 : 110–124. Бибкод : 2014JPS...256..110R . дои : 10.1016/j.jpowsour.2014.01.085 .
^ «Определение уровня заряда аккумулятора» . www.mpoweruk.com .
^ «Счетчики и тестеры аккумуляторов» .
^ С Акчетта, Джозеф. «Применение рефрактометрии для измерения состояния заряда батареи (SOC)» (PDF) . JSA Фотоника . Проверено 20 января 2024 г.
^ Патил, Суприя С.; Лабаде, вице-президент; Кулкарни, Нью-Мексико; Шалиграм, А.Д. (11 ноября 2013 г.). «Анализ рефрактометрического оптоволоконного датчика контроля состояния заряда (SOC) свинцово-кислотных аккумуляторов» . Оптик . 124 (22): 5687–5691. Бибкод : 2013Оптик.124.5687П . дои : 10.1016/j.ijleo.2013.04.031 . ISSN 0030-4026 .
^ 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.
^ Фуллер, Брайан. «Живой блоггинг «День редактора-аналитика Максима» . ЭТаймс .
^ 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
^ «Профили мощности для Android» . Проект Android с открытым исходным кодом .
^ Чжан Дж. и Ли Дж., Обзор прогнозирования и мониторинга состояния литий-ионной батареи [1] .
^ Вэй, Хэ; Николас Уилльярд; Чаочао Чен; Майкл Пехт (2013). «Оценка заряда аккумуляторов электромобилей с использованием фильтрации Калмана без запаха». Надежность микроэлектроники . 53 (6): 840–847. дои : 10.1016/j.microrel.2012.11.010 .

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хассини, Марван; Редондо-Иглесиас, Эдуардо; Венет, Паскаль (19 июля 2023 г.). «Данные о литий-ионных батареях: от производства к прогнозированию» . 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 оптимального DOD и технологии аккумуляторов для моделей гибридного производства энергии в цементной промышленности с использованием HOMER Pro» . Доступ IEEE . 11 : 81331–81347. Бибкод : 2023IEEEA..1181331B . дои : 10.1109/ACCESS.2023.3300228 . Проверено 20 января 2024 г.

[3] Саксена, Саураб; Хендрикс, Кристофер; Пехт, Майкл (30 сентября 2016 г.). «Циклическое тестирование и моделирование элементов графита/LiCoO2 в различных диапазонах заряда» . Журнал источников энергии . 327 : 394–400. дои : 10.1016/j.jpowsour.2016.07.057 . ISSN 0378-7753 .

[4] Эспедал, Ингвильд Б.; Джинасена, Асанти; Бурхейм, Одне С.; Лэмб, Джейкоб Дж. (4 июня 2021 г.). «Текущие тенденции в оценке состояния заряда (SoC) в электромобилях с литий-ионными аккумуляторами» . Энергии . 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 2352-152X . S2CID 266404991 .

[7] Гролло, Себастьян; 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; Венет, Паскаль; Пелисье, Серж (19 февраля 2020 г.). «Моделирование старения литий-ионных аккумуляторов в электромобилях — эффекты сочетания календарного и циклического старения» . Батареи . 6 (1): 14. doi : 10.3390/batteries6010014 . ISSN 2313-0105 .

[9] Викнер, Эвелина; Бьёрклунд, Эрик; Фриднер, Йохан; Бранделл, Дэниел; Тирингер, Торбьорн (01 апреля 2021 г.). «Как используемое окно SOC в коммерческих литий-ионных аккумуляторных элементах влияет на старение батареи» . Журнал достижений в области источников энергии . 8 : 100054. doi : 10.1016/j.powera.2021.100054 . ISSN 2666-2485 .

[10] Сейед Мохаммад Резванианиани; Джей Ли; Цзунчунг Лю и Ян Чен (2014). «Обзор и последние достижения в области технологий мониторинга состояния аккумуляторов и прогнозирования безопасности и мобильности электромобилей (EV)». Журнал источников энергии . 256 : 110–124. Бибкод : 2014JPS...256..110R . дои : 10.1016/j.jpowsour.2014.01.085 .

[11] «Определение уровня заряда аккумулятора» . www.mpoweruk.com .

[12] «Счетчики и тестеры аккумуляторов» .

[13] С Акчетта, Джозеф. «Применение рефрактометрии для измерения состояния заряда батареи (SOC)» (PDF) . JSA Фотоника . Проверено 20 января 2024 г.

[14] Патил, Суприя С.; Лабаде, вице-президент; Кулкарни, Нью-Мексико; Шалиграм, А.Д. (11 ноября 2013 г.). «Анализ рефрактометрического оптоволоконного датчика контроля состояния заряда (SOC) свинцово-кислотных аккумуляторов» . Оптик . 124 (22): 5687–5691. Бибкод : 2013Оптик.124.5687П . дои : 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. «Живой блоггинг «День редактора-аналитика Максима» . ЭТаймс .

[17] ttp://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 мощности для Android» . Проект Android с открытым исходным кодом .

[19] Чжан Дж. и Ли Дж., Обзор прогнозирования и мониторинга состояния литий-ионной батареи [1] .

[20] Вэй, Хэ; Николас Уилльярд; Чаочао Чен; Майкл Пехт (2013). «Оценка заряда аккумуляторов электромобилей с использованием фильтрации Калмана без запаха». Надежность микроэлектроники . 53 (6): 840–847. дои : 10.1016/j.microrel.2012.11.010 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]