Definisi, pengukuran, dan metode penghitungan parameter penting baterai daya
satu Ringkasan
Dokumen ini terutama disiapkan untuk memfasilitasi R &D personil perusahaan untuk lebih cepat dan jelas memahami beberapa parameter karakteristik penting dari baterai dan metode pengukuran dan perhitungannya.Ini terutama mencakup status pengisian daya baterai SOC, status kesehatan baterai SOH, resistansi internal R, dll.
Dokumen ini terutama mengacu pada standar nasional dan standar industri baterai listrik, serta beberapa informasi resmi di Internet, dan disusun dalam kombinasi dengan pengalaman kerja mereka sendiri.
dua SOC status pengisian baterai dan metode estimasinya
2.1 definisi SOC baterai
SOC baterai digunakan untuk mencerminkan sisa daya baterai, yang didefinisikan sebagai persentase kapasitas yang tersedia saat ini dalam kapasitas awal (standar nasional).
American Advanced Battery Association (usabc) mendefinisikan SOC dalam manual percobaan baterai kendaraan listrik sebagai berikut: rasio kapasitas baterai yang tersisa dengan kapasitas pengenal di bawah kondisi yang sama di bawah tingkat pelepasan yang ditentukan.
SOC=QO/QN
Kendaraan listrik Honda (EV plus) mendefinisikan SOC sebagai berikut:
SOC = kapasitas residual / (faktor atenuasi kapasitas kapasitas terukur)
Dimana kapasitas sisa = kapasitas pengenal - debit bersih - debit sendiri - kompensasi suhu
Sisa daya baterai merupakan faktor utama yang mempengaruhi jarak tempuh dan performa berkendara kendaraan listrik.Estimasi SOC yang akurat dapat meningkatkan efisiensi energi baterai dan memperpanjang masa pakai baterai, untuk memastikan pengendaraan kendaraan listrik yang lebih baik.Pada saat yang sama, SOC juga merupakan dasar penting untuk kontrol pengisian dan pengosongan baterai serta keseimbangan baterai.
Dalam aplikasi praktis, kita perlu mewujudkan algoritma estimasi SOC baterai sesuai dengan nilai terukur baterai, seperti tegangan dan arus, dikombinasikan dengan faktor-faktor yang mempengaruhi batas internal dan eksternal baterai (suhu, umur, dll.).Namun, SOC tidak linier karena lingkungan kerja internal dan faktor eksternal, sehingga masalah ini harus diatasi untuk mencapai algoritma estimasi SOC yang baik.Saat ini, estimasi SOC baterai di dalam dan luar negeri sebagian telah direalisasikan dan diterapkan pada rekayasa, seperti metode ampere hour, metode resistansi internal, metode tegangan rangkaian terbuka dan sebagainya.Fitur umum dari algoritma ini adalah bahwa mereka mudah diimplementasikan, tetapi kurangnya pertimbangan faktor internal dan eksternal yang mempengaruhi kondisi kerja yang sebenarnya menyebabkan kemampuan beradaptasi yang buruk, yang sulit untuk memenuhi persyaratan BMS untuk perbaikan estimasi yang berkelanjutan. ketepatan.Oleh karena itu, setelah mempertimbangkan bahwa SOC dipengaruhi oleh banyak faktor, diusulkan beberapa algoritma yang lebih kompleks, seperti algoritma filter Kalman, algoritma jaringan syaraf tiruan, algoritma estimasi fuzzy dan algoritma baru lainnya.Dibandingkan dengan algoritma tradisional sebelumnya, mereka memiliki jumlah perhitungan yang besar, tetapi akurasi yang lebih tinggi.Diantaranya, filter Kalman memiliki kinerja yang baik dalam akurasi perhitungan dan kemampuan beradaptasi.
dua koma dua Pengenalan beberapa Algoritma Estimasi SOC
1） Metode jam ampere
Metode ampere hour, juga dikenal sebagai metode integrasi arus, juga merupakan dasar untuk menghitung SOC baterai.Dengan asumsi bahwa nilai SOC awal dari baterai saat ini adalah soc0, setelah pengisian atau pengosongan T-Time, SOCnya adalah:
Q0 adalah kapasitas pengenal baterai, dan I (T) adalah arus pengisian dan pengosongan baterai (pengosongan positif).
Faktanya, SOC didefinisikan sebagai status pengisian baterai, dan status pengisian baterai merupakan integral dari arus baterai, jadi secara teori, metode ampere hour adalah yang paling akurat.Pada saat yang sama, itu juga mudah untuk disadari.Hanya perlu mengukur arus dan waktu pengisian dan pemakaian baterai.Dalam aplikasi rekayasa praktis, rumus perhitungan diskrit adalah sebagai berikut:
Dalam kerja baterai yang sebenarnya, metode ampere hour digunakan untuk menghitung SOC.Kesalahan pengukuran dan faktor gangguan kebisingan akan mempengaruhi hasil pengukuran, sehingga SOC tidak dapat diperkirakan dengan benar (faktor seperti self discharge dan suhu tidak dipertimbangkan).Pada saat yang sama, nilai SOC awal baterai tidak dapat diperoleh dengan metode jam ampere.Biasanya metode ampere hour menggunakan nilai SOC yang ditahan oleh pengisian dan pengosongan baterai terakhir sebagai nilai awal untuk perhitungan selanjutnya, namun hal ini akan membuat kesalahan SOC menumpuk terus menerus.Oleh karena itu, dalam rekayasa praktis, metode ampere hour umumnya digunakan sebagai dasar dari algoritma lain atau dikombinasikan dengan algoritma lain untuk estimasi.
2） Metode tegangan sirkuit terbuka
Ada hubungan fungsional tertentu antara gaya gerak listrik baterai lithium-ion dan SOC baterai.Oleh karena itu, nilai SOC baterai dapat diperoleh dengan mengukur tegangan rangkaian terbuka.Untuk mendapatkan nilai yang akurat dari gaya gerak listrik baterai melalui metode tegangan rangkaian terbuka, pertama-tama baterai harus berdiri untuk jangka waktu tertentu.Pada saat ini, nilai tegangan rangkaian terbuka (OCV) dapat dianggap sama dengan nilai gaya gerak listriknya.Dengan cara ini, gaya gerak listrik baterai dapat diperoleh dan SOC baterai dapat diperoleh.Kurva soc-ocv dari pengisian dan pengosongan baterai lithium diperoleh melalui eksperimen, dan kemudian nilai SOC dari tegangan rangkaian terbuka yang berbeda ditanyakan sesuai dengan kurva soc-ocv.
Metode tegangan rangkaian terbuka mengharuskan baterai untuk diam selama jangka waktu tertentu untuk menghilangkan kesalahan yang disebabkan oleh faktor eksternal, yang tidak sesuai untuk pengukuran SOC baterai secara real-time.Selain itu, perubahan tegangan rangkaian terbuka SOC baterai di bagian tengah sangat kecil, sehingga menghasilkan kesalahan pengukuran dan estimasi SOC tengah yang besar.
3） Metode filter Kalman
Metode filter Kalman menggunakan pengetahuan tentang sistem dan dinamika pengukuran, karakteristik statistik dari kebisingan sistem yang diasumsikan dan kesalahan pengukuran, dan informasi kondisi awal untuk memproses nilai yang diukur dan mendapatkan estimasi kesalahan minimum dari keadaan sistem.Paket baterai untuk kendaraan listrik dapat dianggap sebagai sistem dinamis yang terdiri dari input dan output.Berdasarkan pemahaman beberapa pengetahuan sebelumnya tentang sistem, persamaan parameter keadaan sistem dibuat, dan kemudian estimasi parameter internal sistem, termasuk keadaan muatan, yang tidak dapat diukur secara langsung, diperoleh dengan menggunakan verifikasi fungsi keluaran.Berdasarkan model rangkaian ekivalen baterai atau model elektrokimia, persamaan keadaan dan persamaan pengukuran sistem ditetapkan.Menurut data uji pelepasan baterai, tegangan rangkaian terbuka baterai diperkirakan oleh algoritma filter Kalman untuk mewujudkan estimasi status pengisian baterai.Keuntungannya adalah bahwa estimasi varians minimum SOC dapat diperoleh dengan metode rekursif sesuai dengan tegangan dan arus yang dikumpulkan, sehingga dapat memecahkan masalah estimasi nilai awal SOC yang tidak akurat dan kesalahan kumulatif;Kerugiannya adalah sangat tergantung pada model baterai dan membutuhkan kecepatan tinggi dari prosesor sistem.
3. Definisi dan perhitungan status kesehatan baterai (soh)
3.1 definisi status kesehatan baterai SOH
Definisi standar baterai SOH adalah rasio kapasitas yang dilepaskan oleh baterai daya dari keadaan penuh ke tegangan cut-off pada tingkat tertentu dalam kondisi standar dengan kapasitas nominal yang sesuai (kapasitas awal sebenarnya).Rasio ini merupakan cerminan dari status kesehatan baterai.
Singkatnya, rasio antara nilai aktual dan nilai nominal dari beberapa parameter kinerja yang dapat diukur secara langsung atau tidak langsung setelah baterai digunakan untuk jangka waktu tertentu, yang digunakan untuk menilai keadaan setelah penurunan kesehatan baterai dan mengukur kesehatan derajat baterai.Performa aktualnya adalah perubahan beberapa parameter di dalam baterai (seperti resistansi internal, kapasitas, dll.).Oleh karena itu, ada beberapa metode untuk menentukan status kesehatan baterai SOH menurut kuantitas karakteristik baterai:
1） Tentukan SOH dari perspektif kapasitas baterai yang tersisa:
SOH=Qaged/Qnew
Dimana qaged adalah daya maksimum yang tersedia dari baterai dan qnew adalah daya maksimum saat baterai tidak digunakan.
2） Definisikan SOH dari perspektif kapasitas baterai:
SOH = CM/CN
Dimana cm adalah kapasitas baterai yang diukur saat ini dan cn adalah kapasitas nominal baterai.
(3) Tentukan SOH dari perspektif resistansi internal baterai:
SOH=(REOL-R)/(REOL-Baru)
Diantaranya, reol adalah resistansi internal baterai pada akhir masa pakainya, RNew adalah resistansi internal baterai ketika meninggalkan pabrik, dan R adalah resistansi internal baterai dalam kondisi saat ini.
Catatan: rumus di atas untuk menentukan SOH dari sisa kapasitas baterai atau kapasitas baterai bukanlah rumus perhitungan SOH yang sebenarnya, tetapi metode definisi, yaitu, metode definisi ini memiliki fungsi unik yang sesuai dengan SOH yang sebenarnya.Misalnya, berdasarkan kapasitas baterai tunggal, SOH sebenarnya dapat dihitung dengan rumus berikut:
SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)
Dimana ceol adalah kapasitas di akhir masa pakai baterai (scrapping), yang merupakan konstanta.Rumus perhitungan SOH di atas sebenarnya sama dengan definisi pada (2).Berikut ini adalah turunan sederhana:
Misalkan SOH = cm / CN = x dalam definisi, SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y dalam rumus perhitungan, dengan asumsi ceol = PCN, maka y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p), yaitu, y adalah fungsi (hubungan linier) tentang X, di mana p adalah konstanta.
3.2 beberapa metode estimasi SOH umum
(1) Metode pelepasan lengkap
Uji pengosongan penuh memerlukan siklus pengosongan penuh baterai, dan kemudian kapasitas pengosongan diuji dan dibandingkan dengan kapasitas nominal baterai baru.Metode ini diakui sebagai metode yang paling dapat diandalkan saat ini, tetapi kerugiannya juga jelas.Ini membutuhkan pengujian baterai off-line dan waktu pengujian yang lama.Setelah pengujian, baterai perlu diisi ulang.
(2) Metode resistansi internal
Estimasi SOH dilakukan dengan menetapkan hubungan antara resistansi internal dan SOH.Sejumlah besar penelitian menunjukkan bahwa ada hubungan tertentu yang sesuai antara resistansi internal baterai dan SOH.Dengan bertambahnya waktu servis baterai, resistansi internal baterai akan meningkat, dan daya baterai yang tersedia akan berkurang pada saat yang sama.Estimasi SOH dilakukan melalui titik ini.
Metode ini juga memiliki kelemahan: sejumlah besar penelitian telah menunjukkan bahwa resistansi internal ohmik baterai akan berubah secara signifikan ketika kapasitas baterai menurun ke 70% - 80% yang asli, yang mungkin sangat berbeda dari 80% pada umumnya.Pada saat yang sama, resistansi internal baterai adalah nilai miliohm, dan pengukuran akurat online juga merupakan kesulitan.
3） Metode impedansi elektrokimia
Ini adalah metode yang lebih kompleks.Dengan menerapkan beberapa sinyal sinusoidal dengan frekuensi yang berbeda ke baterai, dan kemudian menganalisis data yang dikumpulkan sesuai dengan teori fuzzy, kita dapat memperoleh karakteristik baterai dan memprediksi kinerja baterai saat ini.Menggunakan metode ini membutuhkan banyak teori terkait impedansi dan spektrum impedansi, dan peralatan yang mahal, sehingga tidak direkomendasikan untuk saat ini.
4. Resistansi internal baterai R
Resistansi internal baterai sangat kecil.Kami biasanya mendefinisikannya dalam miliohm (m ).Resistansi internal adalah indeks teknis yang penting untuk mengukur kinerja baterai.Dalam keadaan normal, baterai dengan resistansi internal kecil memiliki kapasitas pelepasan arus tinggi yang kuat, dan baterai dengan resistansi internal yang besar memiliki kapasitas pelepasan yang lemah.
Resistansi internal baterai termasuk resistansi internal ohmik (R ) dan resistansi internal polarisasi elektrokimia (RE).Untuk baterai lithium-ion, resistansi internal ohmik (R ) baterai terutama mencakup resistansi yang dibentuk oleh resistansi ketika ion lithium melewati elektrolit, resistansi diafragma, resistansi pada antarmuka elektroda elektrolit, dan resistansi kolektor. (tembaga aluminium foil, elektroda), dll;Resistansi polarisasi elektrokimia (RE) meliputi resistansi polarisasi dan resistansi polarisasi konsentrasi pada proses interkalasi ion litium, de interkalasi serta difusi dan transfer ion.
Hambatan dalam Ohm (R ) mematuhi hukum Ohm, dan hambatan dalam polarisasi elektrokimia (RE) tidak mematuhi hukum Ohm.Berbagai jenis baterai memiliki resistansi internal yang berbeda.Resistansi internal dari jenis baterai yang sama juga berbeda karena inkonsistensi karakteristik kimia internal.Selain itu, SOC, re dan sebagainya akan berubah dengan suhu baterai (selain itu, SOC, re dan sebagainya).
Saat ini, pengukuran resistansi internal baterai terutama mencakup metode pengujian DC dan metode pengujian AC, yang masing-masing mengukur resistansi internal AC dan resistansi internal DC baterai.Karena resistansi internal baterai yang kecil, saat mengukur resistansi internal DC, resistansi internal polarisasi dihasilkan karena polarisasi kapasitas elektroda, sehingga nilai sebenarnya tidak dapat diukur;Pengukuran resistansi internal AC dapat menghindari pengaruh resistansi internal polarisasi dan mendapatkan nilai internal yang sebenarnya (terutama resistansi internal ohmik).
Metode pengukuran resistansi internal pelepasan DC: menurut rumus fisik R= V/ 1. Peralatan uji memungkinkan baterai untuk melewatkan arus DC konstan yang besar dalam waktu singkat (saat ini, arus besar 40a-80a umumnya digunakan ), ukur perubahan tegangan pada kedua ujung baterai saat ini, dan hitung hambatan dalam baterai saat ini sesuai dengan rumus.Metode ini dikontrol dengan baik dan akurasi dapat dikontrol dalam 0,1%, tetapi juga memiliki kekurangan yang jelas: (1) hanya dapat mengukur baterai berkapasitas besar, dan baterai berkapasitas kecil tidak dapat memuat arus sebesar itu;(2) Ketika baterai melewati arus yang besar, polarisasi terjadi di dalam baterai, menghasilkan resistansi internal polarisasi.Oleh karena itu, waktu pengukuran harus sangat singkat, jika tidak, kesalahan nilai resistansi internal yang diukur sangat besar.
Uji resistansi internal AC umumnya menggunakan instrumen uji khusus, dan prinsip metodenya adalah sebagai berikut: menggunakan karakteristik baterai yang setara dengan resistansi aktif, menerapkan sinyal AC dengan frekuensi tetap dan arus tetap ke baterai (saat ini, frekuensi 1kHz dan arus kecil 50mA umumnya digunakan), dan kemudian sampel tegangannya, perbaiki Setelah serangkaian pemrosesan seperti penyaringan, resistansi internal baterai dihitung melalui rangkaian penguat operasional.Metode pengujian resistansi internal AC memiliki karakteristik sebagai berikut: (1) dapat mengukur hampir semua baterai, termasuk baterai berkapasitas kecil, dan tidak akan menyebabkan terlalu banyak kerusakan pada baterai itu sendiri;(2) Akurasi dapat terganggu oleh riak / arus harmonik, yang membutuhkan kemampuan anti-interferensi yang tinggi dari rangkaian alat ukur;(3) Tidak dapat mengukur online secara real time.
5. Uji tingkat pelepasan diri dari baterai daya
Pengosongan diri baterai juga dikenal sebagai kapasitas penyimpanan muatan.Ini mengacu pada kapasitas penyimpanan listrik baterai yang tersimpan di bawah kondisi lingkungan tertentu dalam keadaan sirkuit terbuka (atau hilangnya energi kimia yang disebabkan oleh reaksi spontan internal).Secara umum, self discharge terutama dipengaruhi oleh proses pembuatan baterai, bahan dan kondisi penyimpanan.
Kapasitas awal = [- setelah kapasitas debit × Waktu tahan] × 100%
Umumnya, semakin rendah suhu penyimpanan baterai, semakin rendah tingkat pelepasan sendiri.Namun, perlu diperhatikan bahwa suhu yang terlalu rendah atau terlalu tinggi dapat menyebabkan kerusakan pada baterai dan membuatnya tidak dapat digunakan.Secara umum, baterai konvensional memerlukan kisaran suhu penyimpanan - 20 ~ 45 .Setelah baterai terisi penuh dan ditempatkan di sirkuit terbuka untuk jangka waktu tertentu, tingkat pengosongan diri tertentu adalah fenomena normal.Dibandingkan dengan jenis baterai lainnya, tingkat pelepasan diri baterai lithium-ion masih tidak signifikan, dan sebagian besar kehilangan kapasitas dapat dipulihkan, yang ditentukan oleh struktur baterai lithium-ion.Namun, di bawah suhu lingkungan yang tidak tepat, tingkat pelepasan diri baterai lithium masih luar biasa, yang akan berdampak besar pada masa pakai baterai.Pada saat yang sama, inkonsistensi self discharge baterai tunggal merupakan faktor penting yang mempengaruhi konsistensi baterai.Perbedaan self discharge besar, dan inkonsistensi baterai akan tercermin dengan cepat dalam proses penggunaan.
6. Karakteristik suhu
Kapasitas, resistansi internal pengisian dan pengosongan dan tegangan rangkaian terbuka baterai daya dipengaruhi oleh suhu.
1） Suhu lingkungan memiliki pengaruh besar pada kapasitas baterai lithium besi fosfat.Kapasitas meluruh dengan cepat pada suhu rendah dan meningkat dengan cepat pada kenaikan suhu tertentu, tetapi laju perubahannya kurang dari pada suhu rendah.Di luar kisaran tertentu, kapasitas meluruh dengan kenaikan suhu.
2） Pengaruh suhu lingkungan pada resistansi internal ohmik dan resistansi internal total baterai sudah jelas.Umumnya, semakin rendah suhu, semakin besar resistansi internal.Resistansi internal ohmik lebih sensitif terhadap suhu daripada resistansi internal polarisasi, dan perubahan resistansi internal ohmik lebih sensitif terhadap suhu rendah.
3） Kurva soc-ocv baterai memiliki sedikit perbedaan pada suhu yang berbeda.Semakin rendah suhu, semakin rendah kurva soc-ocv.Dan kecepatan deviasi kurva lebih besar pada suhu rendah.
