تعریف، اندازه گیری و روش محاسبه پارامترهای مهم باتری قدرت

تعریف، اندازه گیری و روش محاسبه پارامترهای مهم باتری قدرت

یکی خلاصه

این سند عمدتا برای تسهیل R &پرسنل شرکت برای درک سریعتر و واضحتر برخی از پارامترهای مشخصه مهم باتری و روشهای اندازه گیری و محاسبه آن.این عمدتا شامل وضعیت شارژ SOC باتری قدرت، وضعیت سلامت باتری SOH، مقاومت داخلی R و غیره است.

این سند عمدتاً به استانداردهای ملی و استانداردهای صنعتی باتری های برق و همچنین برخی اطلاعات معتبر در اینترنت اشاره دارد و در ترکیب با تجربه کاری خود آنها تدوین شده است.

دو SOC وضعیت شارژ باتری و روش تخمین آن

2.1 تعریف SOC باتری

SOC باتری برای انعکاس توان باقیمانده باتری استفاده می شود که به عنوان درصد ظرفیت فعلی موجود در ظرفیت اولیه (استاندارد ملی) تعریف می شود.

انجمن باتری های پیشرفته آمریکا (usabc) SOC را در کتابچه راهنمای آزمایش باتری خودروهای الکتریکی به صورت زیر تعریف می کند: نسبت ظرفیت باقیمانده باتری به ظرفیت نامی در شرایط یکسان تحت نرخ دشارژ مشخص شده.

SOC=QO/QN

خودروی الکتریکی هوندا (EV plus) SOC را به صورت زیر تعریف می‌کند:

SOC = ظرفیت باقیمانده / (ضریب کاهش ظرفیت ظرفیت نامی)

جایی که ظرفیت باقیمانده = ظرفیت نامی - دبی خالص - تخلیه خود - جبران دما

قدرت باقیمانده باتری نیرو عامل اصلی تأثیرگذار بر برد رانندگی و عملکرد رانندگی خودروی الکتریکی است.برآورد دقیق SOC می تواند بازده انرژی باتری را بهبود بخشد و عمر باتری را افزایش دهد تا از رانندگی بهتر خودروی الکتریکی اطمینان حاصل شود.در عین حال، SOC همچنین پایه مهمی برای کنترل شارژ و دشارژ باتری و تعادل باتری است.

در کاربرد عملی، ما باید الگوریتم تخمین SOC باتری را با توجه به مقدار قابل اندازه‌گیری باتری، مانند ولتاژ و جریان، همراه با عوامل تأثیرگذار مرز داخلی و خارجی باتری (دما، عمر و غیره) درک کنیم.با این حال، SOC به دلیل محیط کاری داخلی و عوامل خارجی غیرخطی است، بنابراین برای دستیابی به یک الگوریتم تخمین SOC خوب باید بر این مشکلات غلبه کرد.در حال حاضر برآورد SOC باتری در داخل و خارج از کشور تا حدی محقق شده و در مهندسی مانند روش آمپر ساعت، روش مقاومت داخلی، روش ولتاژ مدار باز و غیره به کار گرفته شده است.ویژگی مشترک این الگوریتم‌ها این است که پیاده‌سازی آسان هستند، اما عدم توجه به عوامل تأثیرگذار داخلی و خارجی در شرایط کاری واقعی منجر به سازگاری ضعیف می‌شود که برآورده کردن الزامات BMS برای بهبود مستمر برآورد دشوار است. دقت.بنابراین، پس از در نظر گرفتن اینکه SOC تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار می‌گیرد، الگوریتم‌های پیچیده‌تری مانند الگوریتم فیلتر کالمن، الگوریتم شبکه عصبی، الگوریتم تخمین فازی و سایر الگوریتم‌های جدید پیشنهاد می‌شوند.در مقایسه با الگوریتم‌های سنتی قبلی، محاسبات زیادی دارند، اما دقت بالاتری دارند.در این میان فیلتر کالمن عملکرد خوبی در دقت محاسبات و سازگاری دارد.

دو نقطه دو معرفی چندین الگوریتم تخمین SOC

(1) روش آمپر ساعت

روش آمپر ساعت که به روش ادغام جریان نیز معروف است، مبنایی برای محاسبه SOC باتری است.با فرض اینکه مقدار SOC اولیه باتری فعلی soc0 باشد، پس از شارژ یا دشارژ T-Time، SOC برابر است با:

Q0 ظرفیت نامی باتری است و I (T) جریان شارژ و دشارژ باتری است (دشارژ مثبت است).

در واقع SOC به عنوان حالت شارژ باتری تعریف می شود و حالت شارژ باتری انتگرال جریان باتری است، بنابراین در تئوری، روش آمپر ساعت دقیق ترین است.در عین حال، درک آن نیز آسان است.فقط نیاز به اندازه گیری جریان و زمان شارژ و تخلیه باتری دارد.در کاربرد مهندسی عملی، فرمول محاسبه گسسته به شرح زیر است:

در کار واقعی باتری از روش آمپر ساعت برای محاسبه SOC استفاده می شود.خطای اندازه گیری و عوامل تداخل نویز بر نتایج اندازه گیری تأثیر می گذارد، بنابراین SOC را نمی توان به درستی تخمین زد (عواملی مانند خود تخلیه و دما در نظر گرفته نمی شوند).در عین حال، مقدار SOC اولیه باتری را نمی توان با روش آمپر ساعت به دست آورد.معمولاً در روش آمپر ساعت از مقدار SOC حفظ شده توسط آخرین شارژ و دشارژ باتری به عنوان مقدار اولیه برای محاسبه بعدی استفاده می شود، اما این باعث می شود که خطای SOC به طور مداوم جمع شود.بنابراین در مهندسی عملی معمولاً از روش آمپر ساعت به عنوان پایه سایر الگوریتم ها یا ترکیب با سایر الگوریتم ها برای تخمین استفاده می شود.

(2) روش ولتاژ مدار باز

رابطه عملکردی خاصی بین نیروی حرکتی باتری لیتیوم یونی و SOC باتری وجود دارد.بنابراین، مقدار SOC باتری را می توان با اندازه گیری ولتاژ مدار باز به دست آورد.برای به دست آوردن مقدار دقیق نیروی الکتروموتور باتری از طریق روش ولتاژ مدار باز، ابتدا باتری باید برای مدتی در حالت ایستاده بماند.در این زمان می توان مقدار ولتاژ مدار باز (OCV) را برابر با مقدار نیروی الکتروموتور آن در نظر گرفت.به این ترتیب می توان نیروی الکتروموتور باتری را به دست آورد و SOC باتری را بدست آورد.منحنی soc-ocv شارژ و دشارژ باتری لیتیومی از طریق آزمایش به دست می آید و سپس مقادیر SOC ولتاژهای مدار باز مختلف با توجه به منحنی soc-ocv پرس و جو می شود.

روش ولتاژ مدار باز مستلزم آن است که باتری برای مدتی ثابت بماند تا خطای ناشی از عوامل خارجی برطرف شود، که برای اندازه‌گیری زمان واقعی SOC باتری مناسب نیست.علاوه بر این، تغییر ولتاژ مدار باز SOC باتری در بخش میانی بسیار ناچیز است که منجر به خطای بزرگ اندازه گیری و تخمین SOC میانی می شود.

(3) روش فیلتر کالمن

روش فیلتر کالمن از دانش دینامیک سیستم و اندازه‌گیری، ویژگی‌های آماری نویز فرضی سیستم و خطای اندازه‌گیری و اطلاعات شرایط اولیه برای پردازش مقادیر اندازه‌گیری‌شده و به دست آوردن حداقل خطای تخمین وضعیت سیستم استفاده می‌کند.بسته باتری خودروی الکتریکی را می توان به عنوان یک سیستم پویا متشکل از ورودی و خروجی در نظر گرفت.با فرض درک برخی دانش قبلی از سیستم، معادله پارامتر حالت سیستم ایجاد می‌شود و سپس با استفاده از تایید، تخمین پارامتر داخلی سیستم شامل حالت شارژ که مستقیماً قابل اندازه‌گیری نیست، به دست می‌آید. عملکرد خروجیبر اساس مدل مدار معادل باتری یا مدل الکتروشیمیایی، معادله حالت و معادله اندازه گیری سیستم ایجاد می شود.با توجه به داده‌های تست تخلیه بسته باتری، ولتاژ مدار باز بسته باتری توسط الگوریتم فیلتر کالمن برای تحقق تخمین وضعیت شارژ باتری تخمین زده می‌شود.مزیت آن این است که حداقل برآورد واریانس SOC را می توان با روش بازگشتی با توجه به ولتاژ و جریان جمع آوری شده به دست آورد تا مشکلات تخمین نادرست مقدار اولیه SOC و خطای تجمعی حل شود.نقطه ضعف آن این است که به شدت به مدل باتری وابسته است و به سرعت بالای پردازنده سیستم نیاز دارد.

3. تعریف و محاسبه وضعیت سلامت باتری (soh)

3.1 تعریف وضعیت سلامت باتری SOH

تعریف استاندارد باتری SOH نسبت ظرفیت آزاد شده توسط باتری قدرت از حالت کامل به ولتاژ قطع با نرخ معینی در شرایط استاندارد به ظرفیت اسمی متناظر آن (ظرفیت اولیه واقعی) است.این نسبت نشان دهنده وضعیت سلامت باتری است.

به طور خلاصه، نسبت بین مقدار واقعی و مقدار اسمی برخی از پارامترهای عملکردی قابل اندازه‌گیری مستقیم یا غیرمستقیم پس از استفاده از باتری برای یک دوره زمانی استفاده می‌شود که برای قضاوت در مورد وضعیت پس از کاهش سلامت باتری و اندازه‌گیری سلامت استفاده می‌شود. درجه باتریعملکرد واقعی آن تغییر برخی از پارامترهای داخل باتری (مانند مقاومت داخلی، ظرفیت و ...) است.بنابراین، چندین روش برای تعریف وضعیت سلامت باتری SOH با توجه به کمیت مشخصه باتری وجود دارد:

(1) SOH را از منظر ظرفیت باقیمانده باتری تعریف کنید:

SOH=Qaged/Qnew

جایی که qaged حداکثر توان موجود باتری است و qnew حداکثر توان زمانی که باتری در حال استفاده نیست است.

(2) SOH را از منظر ظرفیت باتری تعریف کنید:

SOH=CM/CN

جایی که سانتی متر ظرفیت اندازه گیری شده فعلی باتری و cn ظرفیت اسمی باتری است.

(3) SOH را از منظر مقاومت داخلی باتری تعریف کنید:

SOH=(REOL-R)/(REOL-Rnew)

از جمله reol مقاومت داخلی باتری در پایان عمر مفید، RNew مقاومت داخلی باتری در هنگام خروج از کارخانه و R مقاومت داخلی باتری در حالت فعلی است.

توجه: فرمول فوق برای تعریف SOH از ظرفیت باتری باقیمانده یا ظرفیت باتری، فرمول محاسبه واقعی SOH نیست، بلکه یک روش تعریف است، یعنی این روش تعریف دارای یک تابع متناظر منحصر به فرد برای مطابقت با SOH واقعی است.به عنوان مثال، بر اساس ظرفیت یک باتری، SOH را می توان با فرمول زیر محاسبه کرد:

SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)

جایی که ceol ظرفیت در پایان عمر باتری (از بین رفتن) است که یک ثابت است.فرمول محاسبه SOH فوق در واقع معادل با تعریف (2) است.زیر یک مشتق ساده است:

اجازه دهید SOH = cm / CN = x در تعریف، SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y در فرمول محاسبه، با فرض ceol = PCN، سپس y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p)، یعنی y یک تابع (رابطه خطی) در مورد X است که در آن p یک ثابت است.

3.2 چند روش متداول برآورد SOH

(1) روش تخلیه کامل

آزمایش تخلیه کامل نیاز به چرخه تخلیه کامل باتری دارد و سپس ظرفیت دشارژ آزمایش شده و با ظرفیت اسمی باتری جدید مقایسه می شود.این روش در حال حاضر به عنوان قابل اعتمادترین روش شناخته می شود، اما معایب آن نیز آشکار است.این به تست باتری خارج از خط و زمان تست طولانی نیاز دارد.پس از تست، باتری باید شارژ شود.

(2) روش مقاومت داخلی

تخمین SOH با ایجاد رابطه بین مقاومت داخلی و SOH انجام می شود.تعداد زیادی از مطالعات نشان می دهد که یک رابطه متناظر مشخص بین مقاومت داخلی باتری و SOH وجود دارد.با افزایش زمان سرویس باتری، مقاومت داخلی باتری افزایش یافته و در عین حال توان موجود باتری کاهش می یابد.برآورد SOH از این نقطه انجام می شود.

این روش همچنین دارای معایبی است: تعداد زیادی از مطالعات نشان داده اند که مقاومت داخلی اهمی باتری به طور قابل توجهی تغییر می کند زمانی که ظرفیت باتری به 70٪ - 80٪ کاهش یابد، که ممکن است کاملاً با 80٪ عمومی متفاوت باشد.در عین حال، مقاومت داخلی باتری یک مقدار میلی اهم است و اندازه گیری دقیق آنلاین آن نیز یک مشکل است.

(3) روش امپدانس الکتروشیمیایی

این روش پیچیده تری است.با اعمال چندین سیگنال سینوسی با فرکانس های مختلف به باتری و سپس تجزیه و تحلیل داده های جمع آوری شده بر اساس تئوری فازی، می توان مشخصات باتری را به دست آورد و عملکرد باتری فعلی را پیش بینی کرد.استفاده از این روش مستلزم تئوری های زیادی مرتبط با امپدانس و طیف امپدانس و تجهیزات گران قیمت است، بنابراین فعلا توصیه نمی شود.

4. مقاومت داخلی باتری R

مقاومت داخلی باتری بسیار کم است.ما معمولا آن را در میلی اهم (m Ω) تعریف می کنیم.مقاومت داخلی یک شاخص فنی مهم برای اندازه گیری عملکرد باتری است.در شرایط عادی، باتری با مقاومت داخلی کوچک دارای ظرفیت تخلیه جریان بالا و باتری با مقاومت داخلی بزرگ دارای ظرفیت تخلیه ضعیف است.

مقاومت داخلی باتری شامل مقاومت داخلی اهمی (R Ω) و مقاومت داخلی قطبش الکتروشیمیایی (RE) است.برای باتری‌های لیتیوم یونی، مقاومت داخلی اهمی (R Ω) باتری عمدتاً شامل مقاومتی است که هنگام عبور یون‌های لیتیوم از الکترولیت، مقاومت دیافراگم، مقاومت در رابط الکترود الکترولیت و مقاومت کلکتور ایجاد می‌شود. (فیل آلومینیوم مس، الکترود) و غیره؛مقاومت پلاریزاسیون الکتروشیمیایی (RE) شامل مقاومت پلاریزاسیون و مقاومت قطبش غلظت در فرآیند درون‌یابی یون لیتیوم، درون‌زدایی و انتشار و انتقال یون است.

مقاومت داخلی اهمی (R Ω) از قانون اهم تبعیت می کند و مقاومت داخلی قطبش الکتروشیمیایی (RE) از قانون اهم تبعیت نمی کند.انواع مختلف باتری ها مقاومت داخلی متفاوتی دارند.مقاومت داخلی همان نوع باتری نیز به دلیل ناهماهنگی مشخصات شیمیایی داخلی متفاوت است.علاوه بر این، SOC، re و غیره با دمای باتری تغییر می کند (به علاوه، SOC، re و غیره).

در حال حاضر، اندازه گیری مقاومت داخلی باتری عمدتاً شامل روش تست DC و روش تست AC است که به ترتیب مقاومت داخلی AC و مقاومت داخلی DC باتری را اندازه گیری می کنند.به دلیل مقاومت داخلی کوچک باتری، هنگام اندازه گیری مقاومت داخلی DC، مقاومت داخلی پلاریزاسیون به دلیل قطبش ظرفیت الکترود ایجاد می شود، بنابراین مقدار واقعی آن قابل اندازه گیری نیست.اندازه گیری مقاومت داخلی AC می تواند از تأثیر مقاومت داخلی پلاریزاسیون جلوگیری کند و مقدار داخلی واقعی (عمدتاً مقاومت داخلی اهمی) را بدست آورد.

روش اندازه گیری مقاومت داخلی تخلیه DC: طبق فرمول فیزیکی R= Δ V/ Δ 1. تجهیزات تست به باتری اجازه می دهد تا یک جریان DC ثابت بزرگ را در مدت زمان کوتاهی عبور دهد (در حال حاضر، جریان بزرگ 40a-80a به طور کلی استفاده می شود. )، تغییر ولتاژ دو سر باتری را در این زمان اندازه گیری کنید و مقاومت فعلی داخلی باتری را طبق فرمول محاسبه کنید.این روش به درستی کنترل می شود و دقت را می توان در 0.1٪ کنترل کرد، اما کاستی های آشکاری نیز دارد: (1) فقط می تواند باتری های با ظرفیت بزرگ را اندازه گیری کند و باتری های با ظرفیت کوچک نمی توانند چنین جریان زیادی را بارگیری کنند.(2) هنگامی که باتری از جریان زیادی عبور می کند، قطبش در داخل باتری رخ می دهد و در نتیجه مقاومت داخلی قطبش ایجاد می شود.بنابراین، زمان اندازه گیری باید بسیار کوتاه باشد، در غیر این صورت خطای مقدار مقاومت داخلی اندازه گیری شده بسیار زیاد است.

آزمایش مقاومت داخلی AC عموماً از ابزارهای تست ویژه استفاده می کند و اصل روش آن به شرح زیر است: با استفاده از ویژگی هایی که باتری معادل مقاومت فعال است، یک سیگنال AC با فرکانس ثابت و جریان ثابت به باتری اعمال کنید (در حال حاضر فرکانس 1 کیلوهرتز). معمولاً از جریان کوچک 50 میلی آمپر استفاده می شود) و سپس ولتاژ آن را نمونه برداری می کنند، پس از یک سری پردازش مانند فیلتر کردن، مقاومت داخلی باتری از طریق مدار تقویت کننده عملیاتی محاسبه می شود.روش تست مقاومت داخلی AC دارای ویژگی های زیر است: (1) می تواند تقریباً همه باتری ها از جمله باتری های با ظرفیت کم را اندازه گیری کند و آسیب زیادی به خود باتری وارد نمی کند.(2) دقت ممکن است توسط جریان موج دار / هارمونیک، که به توانایی ضد تداخل بالای مدار ابزار اندازه گیری نیاز دارد، مختل شود.(3) قادر به اندازه گیری آنلاین در زمان واقعی نیست.

5. تست میزان تخلیه خودکار باتری قدرت

تخلیه خود باتری به عنوان ظرفیت نگهداری شارژ نیز شناخته می شود.به ظرفیت نگهداری برق ذخیره شده باتری در شرایط محیطی خاص در حالت مدار باز (یا از دست دادن انرژی شیمیایی ناشی از واکنش خود به خودی داخلی) اشاره دارد.به طور کلی، تخلیه خود عمدتاً تحت تأثیر فرآیند تولید باتری، مواد و شرایط ذخیره سازی قرار می گیرد.

ظرفیت اولیه = [- ظرفیت پس از تخلیه × زمان نگهداری] × 100%

به طور کلی، هرچه دمای ذخیره سازی باتری کمتر باشد، میزان خود تخلیه کمتر است.البته باید توجه داشت که دمای خیلی کم یا زیاد ممکن است باعث آسیب به باتری و غیرقابل استفاده شدن آن شود.به طور کلی، باتری های معمولی به محدوده دمای ذخیره سازی - 20 ~ 45 ℃ نیاز دارند.پس از اینکه باتری به طور کامل شارژ شد و برای مدتی در مدار باز قرار گرفت، میزان مشخصی از خود تخلیه یک پدیده طبیعی است.در مقایسه با انواع دیگر باتری ها، میزان تخلیه خود باتری لیتیوم یونی هنوز ناچیز است و بیشتر اتلاف ظرفیت قابل بازیابی است که با ساختار باتری لیتیوم یون تعیین می شود.با این حال، در دمای نامناسب محیط، نرخ خود تخلیه باتری لیتیومی همچنان شگفت‌انگیز است، که تأثیر زیادی بر عمر باتری خواهد داشت.در عین حال، ناهماهنگی تخلیه خود تک باتری عامل مهمی است که بر قوام بسته باتری تأثیر می گذارد.تفاوت خود تخلیه زیاد است و ناهماهنگی باتری به سرعت در فرآیند استفاده منعکس می شود.

6. مشخصات دما

ظرفیت، مقاومت داخلی شارژ و دشارژ و ولتاژ مدار باز باتری قدرت تحت تأثیر دما قرار می گیرد.

(1) دمای محیط تأثیر زیادی بر ظرفیت باتری لیتیوم آهن فسفات دارد.ظرفیت در دمای پایین به سرعت کاهش می یابد و در یک افزایش دما به سرعت افزایش می یابد، اما سرعت تغییر آن کمتر از دمای پایین است.فراتر از یک محدوده مشخص، ظرفیت با افزایش دما کاهش می یابد.

(2) تأثیر دمای محیط بر مقاومت داخلی اهمی و مقاومت داخلی کل باتری آشکار است.به طور کلی، هر چه دما کمتر باشد، مقاومت داخلی بیشتر است.مقاومت داخلی اهمی نسبت به مقاومت داخلی قطبش به دما حساس تر است و تغییر مقاومت داخلی اهمی به دمای پایین حساس تر است.

(3) منحنی soc-ocv باتری در دماهای مختلف تفاوت کمی دارد.هر چه دما کمتر باشد، منحنی soc-ocv کمتر است.و سرعت انحراف منحنی در دمای پایین بیشتر است.