Definicja, pomiar i metoda obliczania ważnych parametrów baterii zasilającej
jeden streszczenie
Ten dokument został przygotowany głównie w celu ułatwienia wewnętrznego R &D personel firmy, aby szybciej i wyraźniej zrozumieć niektóre ważne charakterystyczne parametry baterii oraz jej metody pomiaru i obliczeń.Obejmuje głównie stan naładowania SOC baterii zasilającej, stan kondycji baterii SOH, rezystancję wewnętrzną R itp.
Dokument ten odnosi się głównie do krajowych standardów i standardów branżowych dotyczących baterii zasilających, a także do pewnych miarodajnych informacji w Internecie i jest kompilowany w połączeniu z ich własnym doświadczeniem zawodowym.
dwa SOC stanu naładowania akumulatora i metoda jego szacowania
2.1 definicja SOC baterii
SOC baterii służy do odzwierciedlenia pozostałej mocy baterii, która jest zdefiniowana jako procent aktualnej dostępnej pojemności w pojemności początkowej (norma krajowa).
Amerykańskie Stowarzyszenie Zaawansowanych Baterii (usabc) definiuje SOC w podręczniku eksperymentu dotyczącego akumulatora pojazdu elektrycznego w następujący sposób: stosunek pozostałej pojemności akumulatora do pojemności znamionowej w tych samych warunkach przy określonej szybkości rozładowania.
SOC=QO/QN
Pojazd elektryczny Honda (EV plus) definiuje SOC w następujący sposób:
SOC = pojemność resztkowa / (współczynnik tłumienia wydajności wydajności znamionowej)
Gdzie pojemność resztkowa = pojemność znamionowa - rozładowanie netto - samorozładowanie - kompensacja temperatury
Pozostała moc akumulatora zasilającego jest głównym czynnikiem wpływającym na zasięg i osiągi pojazdu elektrycznego.Dokładne oszacowanie SOC może poprawić wydajność energetyczną akumulatora i przedłużyć żywotność akumulatora, aby zapewnić lepszą jazdę pojazdem elektrycznym.Jednocześnie SOC jest również ważną podstawą kontroli ładowania i rozładowania akumulatora oraz balansu akumulatora.
W praktycznym zastosowaniu musimy zrealizować algorytm szacowania SOC baterii zgodnie z mierzalnymi wartościami baterii, takimi jak napięcie i prąd, w połączeniu z czynnikami wpływającymi na wewnętrzną i zewnętrzną granicę baterii (temperatura, żywotność itp.).Jednak SOC jest nieliniowy ze względu na wewnętrzne środowisko pracy i czynniki zewnętrzne, więc problemy te należy przezwyciężyć, aby uzyskać dobry algorytm szacowania SOC.Obecnie oszacowanie SOC baterii w kraju i za granicą zostało częściowo zrealizowane i zastosowane w inżynierii, takie jak metoda amperogodzin, metoda rezystancji wewnętrznej, metoda napięcia w obwodzie otwartym i tak dalej.Wspólną cechą tych algorytmów jest to, że są łatwe do wdrożenia, ale brak uwzględnienia wewnętrznych i zewnętrznych czynników wpływających w rzeczywistych warunkach pracy prowadzi do słabej adaptacyjności, która jest trudna do spełnienia wymagań BMS dla ciągłego doskonalenia estymacji dokładność.Dlatego też, biorąc pod uwagę, że na SOC wpływa wiele czynników, proponuje się bardziej złożone algorytmy, takie jak algorytm filtru Kalmana, algorytm sieci neuronowej, algorytm estymacji rozmytej i inne nowe algorytmy.W porównaniu z poprzednimi tradycyjnymi algorytmami mają dużą ilość obliczeń, ale wyższą dokładność.Wśród nich filtr Kalmana ma dobrą wydajność w zakresie dokładności obliczeń i zdolności adaptacyjnych.
dwa przecinek dwa Wprowadzenie kilku algorytmów szacowania SOC
（1） Metoda amperogodziny
Metoda amperogodzin, znana również jako metoda całkowania prądu, jest również podstawą do obliczania SOC baterii.Zakładając, że początkowa wartość SOC aktualnego akumulatora wynosi soc0, po naładowaniu lub rozładowaniu T-Time, SOC wynosi:
Q0 to pojemność znamionowa akumulatora, a I (T) to prąd ładowania i rozładowania akumulatora (rozładowanie jest dodatnie).
W rzeczywistości SOC definiuje się jako stan naładowania akumulatora, a stan naładowania akumulatora jest całką prądu akumulatora, więc teoretycznie metoda amperogodzin jest najdokładniejsza.Jednocześnie jest to również łatwe do zrealizowania.Wystarczy zmierzyć prąd i czas ładowania i rozładowania akumulatora.W praktycznym zastosowaniu inżynierskim dyskretny wzór obliczeniowy jest następujący:
W rzeczywistej pracy akumulatora do obliczenia SOC stosowana jest metoda amperogodzin.Błędy pomiaru i czynniki zakłócające hałas będą miały wpływ na wyniki pomiarów, więc SOC nie może być poprawnie oszacowany (czynniki takie jak samorozładowanie i temperatura nie są brane pod uwagę).Jednocześnie początkowej wartości SOC akumulatora nie można uzyskać metodą amperogodzin.Zwykle metoda amperogodzin wykorzystuje wartość SOC zachowaną przez ostatnie ładowanie i rozładowanie akumulatora jako wartość początkową do następnych obliczeń, ale spowoduje to ciągłą akumulację błędu SOC.Dlatego w praktycznej inżynierii metoda amperogodzin jest zwykle stosowana jako podstawa innych algorytmów lub w połączeniu z innymi algorytmami do estymacji.
（2） Metoda napięcia otwartego
Istnieje pewien związek funkcjonalny między siłą elektromotoryczną akumulatora litowo-jonowego a SOC akumulatora.Dlatego wartość SOC akumulatora można uzyskać mierząc napięcie w obwodzie otwartym.Aby uzyskać dokładną wartość siły elektromotorycznej akumulatora metodą napięcia otwartego, najpierw akumulator musi stać przez pewien czas.W tym czasie wartość napięcia otwartego (OCV) można uznać za równą jego wartości siły elektromotorycznej.W ten sposób można uzyskać siłę elektromotoryczną akumulatora i uzyskać SOC akumulatora.Krzywa soc-ocv ładowania i rozładowania baterii litowej jest uzyskiwana eksperymentalnie, a następnie wartości SOC różnych napięć obwodu otwartego są odpytywane zgodnie z krzywą soc-ocv.
Metoda napięcia w obwodzie otwartym wymaga, aby akumulator pozostawał nieruchomo przez pewien czas, aby wyeliminować błąd spowodowany czynnikami zewnętrznymi, co nie jest odpowiednie do pomiaru SOC akumulatora w czasie rzeczywistym.Ponadto zmiana napięcia obwodu otwartego SOC baterii w środkowej części jest bardzo mała, co powoduje duży błąd pomiaru i estymacji środkowego SOC.
（3） Metoda filtrowania Kalmana
Metoda filtru Kalmana wykorzystuje wiedzę o dynamice systemu i pomiarów, charakterystykę statystyczną założonego szumu systemu i błąd pomiaru oraz informacje o warunkach początkowych do przetworzenia zmierzonych wartości i uzyskania minimalnego błędu estymacji stanu systemu.Zestaw akumulatorów do pojazdu elektrycznego można uznać za dynamiczny system składający się z wejścia i wyjścia.Na założeniu zrozumienia pewnej wcześniejszej wiedzy o układzie ustala się równanie parametrów stanu układu, a następnie wewnętrzną estymację parametrów układu, w tym stanu naładowania, którego nie można bezpośrednio zmierzyć, uzyskuje się za pomocą weryfikacji funkcja wyjścia.Na podstawie modelu obwodu zastępczego baterii lub modelu elektrochemicznego ustala się równanie stanu i równanie pomiarowe systemu.Zgodnie z danymi testu rozładowania pakietu akumulatorów, napięcie obwodu otwartego pakietu akumulatorów jest szacowane przez algorytm filtru Kalmana, aby zrealizować oszacowanie stanu naładowania akumulatora.Jego zaletą jest to, że minimalną estymację wariancji SOC można uzyskać metodą rekurencyjną zgodnie z zebranym napięciem i prądem, tak aby rozwiązać problemy niedokładnego oszacowania wartości początkowej SOC i błędu skumulowanego;Wadą jest to, że jest silnie uzależniony od modelu baterii i wymaga dużej szybkości procesora systemowego.
3. Definicja i obliczanie stanu zdrowia baterii (soh)
3.1 definicja stanu baterii SOH
Standardowa definicja akumulatora SOH to stosunek pojemności uwolnionej przez akumulator zasilający ze stanu pełnego do napięcia odcięcia z określoną szybkością w warunkach standardowych do odpowiadającej jej pojemności nominalnej (rzeczywista pojemność początkowa).Ten stosunek jest odzwierciedleniem stanu zdrowia baterii.
Krótko mówiąc, stosunek między wartością rzeczywistą a wartością nominalną niektórych bezpośrednio mierzalnych lub pośrednio obliczonych parametrów wydajności po okresie użytkowania baterii, który służy do oceny stanu po pogorszeniu stanu baterii i pomiaru stanu stopień naładowania baterii.Jego rzeczywista wydajność to zmiana niektórych parametrów wewnątrz baterii (takich jak rezystancja wewnętrzna, pojemność itp.).Dlatego istnieje kilka metod określania stanu SOH stanu baterii w zależności od wielkości charakterystycznej baterii:
（1） Zdefiniuj SOH z punktu widzenia pozostałej pojemności baterii:
SOH=Qw wieku/Qnowy
Gdzie qaged to maksymalna dostępna moc baterii, a qnew to maksymalna moc, gdy bateria nie jest używana.
（2） Zdefiniuj SOH z perspektywy pojemności baterii:
SOH=CM/CN
Gdzie cm to aktualna zmierzona pojemność baterii, a cn to pojemność nominalna baterii.
(3) Zdefiniuj SOH z punktu widzenia rezystancji wewnętrznej baterii:
SOH=(REOL-R)/(REOL-Rnowy)
Wśród nich reol jest rezystancją wewnętrzną akumulatora pod koniec jego żywotności, RNew jest rezystancją wewnętrzną akumulatora opuszczającego fabrykę, a R jest rezystancją wewnętrzną akumulatora w jego obecnym stanie.
Uwaga: powyższa formuła określająca SOH na podstawie pozostałej pojemności baterii lub pojemności baterii nie jest rzeczywistą formułą obliczeniową SOH, ale metodą definicji, to znaczy ta metoda definicji ma unikalną odpowiednią funkcję odpowiadającą rzeczywistemu SOH.Na przykład, na podstawie pojemności pojedynczej baterii, SOH można obliczyć według następującego wzoru:
SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)
Gdzie ceol to pojemność pod koniec żywotności baterii (złomowanie), która jest stała.Powyższy wzór obliczeniowy SOH jest w rzeczywistości równoważny z definicją w (2).Poniżej znajduje się proste wyprowadzenie:
Niech SOH = cm / CN = x w definicji, SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y we wzorze obliczeniowym, zakładając ceol = PCN, to y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p), czyli y jest funkcją (zależność liniowa) wokół X, gdzie p jest stałą.
3.2 kilka popularnych metod szacowania SOH
(1) Metoda całkowitego rozładowania
Test pełnego rozładowania wymaga pełnego cyklu rozładowania akumulatora, a następnie testowana jest pojemność rozładowania i porównywana z pojemnością nominalną nowego akumulatora.Ta metoda jest obecnie uznawana za najbardziej niezawodną metodę, ale jej wady są również oczywiste.Wymaga testu baterii off-line i długiego czasu testu.Po teście akumulator wymaga ponownego naładowania.
(2) Metoda oporu wewnętrznego
Estymacja SOH odbywa się poprzez ustalenie zależności między oporem wewnętrznym a SOH.Wiele badań pokazuje, że istnieje pewna odpowiednia zależność między rezystancją wewnętrzną akumulatora a SOH.Wraz ze wzrostem czasu pracy baterii wzrasta rezystancja wewnętrzna baterii, a jednocześnie zmniejsza się dostępna moc baterii.W tym punkcie przeprowadza się estymację SOH.
Ta metoda ma również wady: duża liczba badań wykazała, że omowa rezystancja wewnętrzna akumulatora zmieni się znacznie, gdy pojemność akumulatora spadnie do pierwotnych 70% - 80%, co może być zupełnie inne niż ogólne 80%.Jednocześnie rezystancja wewnętrzna akumulatora to wartość miliomów, a jej dokładny pomiar online również jest utrudnieniem.
（3） Metoda impedancji elektrochemicznej
To bardziej złożona metoda.Stosując do baterii wiele sygnałów sinusoidalnych o różnych częstotliwościach, a następnie analizując zebrane dane zgodnie z teorią rozmytą, możemy uzyskać charakterystykę baterii i przewidzieć wydajność aktualnej baterii.Korzystanie z tej metody wymaga wielu teorii związanych z impedancją i widmem impedancji oraz drogiego sprzętu, więc na razie nie jest zalecane.
4. Rezystancja wewnętrzna akumulatora R
Wewnętrzna rezystancja baterii jest bardzo mała.Zwykle określamy to w miliomach (m Ω).Rezystancja wewnętrzna jest ważnym wskaźnikiem technicznym służącym do pomiaru wydajności baterii.W normalnych warunkach akumulator o małej rezystancji wewnętrznej ma dużą zdolność rozładowania prądu o dużym natężeniu, a akumulator o dużej rezystancji wewnętrznej ma słabą zdolność rozładowania.
Rezystancja wewnętrzna akumulatora obejmuje omową rezystancję wewnętrzną (R Ω) i wewnętrzną rezystancję polaryzacji elektrochemicznej (RE).W przypadku akumulatorów litowo-jonowych rezystancja wewnętrzna (R Ω) akumulatora obejmuje głównie rezystancję utworzoną przez rezystancję podczas przechodzenia jonów litu przez elektrolit, rezystancję membrany, rezystancję na styku elektrody elektrolitu oraz rezystancję kolektora (folia aluminiowa miedziana, elektroda) itp .;Rezystancja polaryzacyjna elektrochemiczna (RE) obejmuje rezystancję polaryzacyjną oraz rezystancję polaryzacji koncentracyjnej w procesie interkalacji jonów litu, deinterkalacji oraz dyfuzji i transferu jonów.
Rezystancja wewnętrzna omowa (R Ω) jest zgodna z prawem Ohma, a rezystancja wewnętrzna polaryzacji elektrochemicznej (RE) nie jest zgodna z prawem Ohma.Różne typy baterii mają różną rezystancję wewnętrzną.Rezystancja wewnętrzna tego samego typu baterii jest również różna ze względu na niespójność wewnętrznych właściwości chemicznych.Ponadto SOC, re i tak dalej będą się zmieniać wraz z temperaturą akumulatora (dodatkowo SOC, re i tak dalej).
Obecnie pomiar rezystancji wewnętrznej akumulatora obejmuje głównie metodę testu DC i metodę testu AC, które odpowiednio mierzą rezystancję wewnętrzną AC i rezystancję wewnętrzną DC akumulatora.Ze względu na małą rezystancję wewnętrzną akumulatora, podczas pomiaru rezystancji wewnętrznej DC, rezystancja wewnętrzna polaryzacji jest generowana ze względu na polaryzację pojemności elektrody, więc nie można zmierzyć jej prawdziwej wartości;Pomiar rezystancji wewnętrznej AC pozwala uniknąć wpływu polaryzacji rezystancji wewnętrznej i uzyskać rzeczywistą wartość wewnętrzną (głównie rezystancję wewnętrzną omową).
Metoda pomiaru rezystancji wewnętrznej rozładowania DC: zgodnie ze wzorem fizycznym R= Δ V/ Δ 1. Sprzęt testowy pozwala akumulatorowi na przepuszczenie dużego stałego prądu stałego w krótkim czasie (obecnie zwykle stosuje się duży prąd 40a-80a ), zmierz w tym czasie zmianę napięcia na obu końcach baterii i oblicz aktualną rezystancję wewnętrzną baterii zgodnie ze wzorem.Ta metoda jest odpowiednio kontrolowana, a dokładność można kontrolować w granicach 0,1%, ale ma również oczywiste wady: (1) może mierzyć tylko akumulatory o dużej pojemności, a akumulatory o małej pojemności nie mogą ładować tak dużego prądu;(2) Gdy bateria przechodzi przez duży prąd, polaryzacja występuje wewnątrz baterii, powodując wewnętrzny opór polaryzacji.Dlatego czas pomiaru musi być bardzo krótki, w przeciwnym razie błąd mierzonej wartości rezystancji wewnętrznej jest bardzo duży.
Test rezystancji wewnętrznej prądu przemiennego zwykle wykorzystuje specjalne przyrządy testowe, a jego zasada metody jest następująca: wykorzystując charakterystykę baterii odpowiadającą aktywnej rezystancji, należy zastosować sygnał prądu przemiennego o stałej częstotliwości i stałym prądzie do baterii (obecnie częstotliwość 1 kHz i zwykle stosuje się mały prąd 50mA), a następnie próbkować jego napięcie, sprostować. Po serii procesów, takich jak filtrowanie, rezystancja wewnętrzna akumulatora jest obliczana przez obwód wzmacniacza operacyjnego.Metoda testu rezystancji wewnętrznej prądu przemiennego ma następujące cechy: (1) może mierzyć prawie wszystkie baterie, w tym baterie o małej pojemności, i nie spowoduje zbyt dużego uszkodzenia samej baterii;(2) Dokładność może być zakłócona przez tętnienie / prąd harmoniczny, co wymaga wysokiej zdolności przeciwzakłóceniowej obwodu przyrządu pomiarowego;(3) Brak możliwości pomiaru online w czasie rzeczywistym.
5. Test szybkości samorozładowania akumulatora mocy;
Samorozładowanie akumulatora jest również nazywane pojemnością utrzymywania ładunku.Odnosi się do zdolności utrzymywania zmagazynowanej energii elektrycznej akumulatora w określonych warunkach środowiskowych w stanie obwodu otwartego (lub utraty energii chemicznej spowodowanej wewnętrzną spontaniczną reakcją).Ogólnie rzecz biorąc, na samorozładowanie wpływa głównie proces produkcji baterii, materiały i warunki przechowywania.
Wydajność początkowa = [- po wydajności rozładowania × czas podtrzymania] × 100%
Ogólnie rzecz biorąc, im niższa temperatura przechowywania akumulatora, tym niższa szybkość samorozładowania.Należy jednak pamiętać, że zbyt niska lub zbyt wysoka temperatura może spowodować uszkodzenie akumulatora i uniemożliwić jego użytkowanie.Ogólnie rzecz biorąc, konwencjonalne baterie wymagają temperatury przechowywania w zakresie -20 ~ 45 ℃.Po całkowitym naładowaniu akumulatora i umieszczeniu go w obwodzie otwartym przez pewien czas, pewien stopień samorozładowania jest zjawiskiem normalnym.W porównaniu z innymi typami akumulatorów szybkość samorozładowania akumulatora litowo-jonowego jest nadal niewielka, a większość utraconej pojemności można odzyskać, co jest określone przez strukturę akumulatora litowo-jonowego.Jednak w nieodpowiedniej temperaturze otoczenia szybkość samorozładowania baterii litowej jest nadal niesamowita, co ma ogromny wpływ na żywotność baterii.Jednocześnie niespójność samorozładowania pojedynczego akumulatora jest ważnym czynnikiem wpływającym na spójność pakietu akumulatorów.Różnica w samorozładowaniu jest duża, a niespójność baterii szybko znajdzie odzwierciedlenie w procesie użytkowania.
6. Charakterystyka temperatury
Na pojemność, wewnętrzną rezystancję ładowania i rozładowania oraz napięcie obwodu otwartego akumulatora ma wpływ temperatura.
（1） Temperatura otoczenia ma duży wpływ na pojemność baterii litowo-żelazowo-fosforanowej.Wydajność szybko spada w niskiej temperaturze i szybko rośnie przy pewnym wzroście temperatury, ale jej szybkość zmian jest mniejsza niż w niskiej temperaturze.Poza pewnym zakresem pojemność spada wraz ze wzrostem temperatury.
（2） Wpływ temperatury otoczenia na rezystancję wewnętrzną i całkowitą rezystancję wewnętrzną akumulatora jest oczywisty.Generalnie im niższa temperatura, tym większy opór wewnętrzny.Rezystancja wewnętrzna omowa jest bardziej wrażliwa na temperaturę niż rezystancja wewnętrzna polaryzacji, a zmiana rezystancji wewnętrznej jest bardziej wrażliwa na niską temperaturę.
（3） Krzywa soc-ocv akumulatora ma niewielką różnicę w różnych temperaturach.Im niższa temperatura, tym niższa krzywa soc-ocv.A prędkość odchylenia krzywej jest większa w niskiej temperaturze.
