Аккумуляторные блоки на основе литий-ионных (Li-ion) элементов используются в самых разных областях, таких как:
Гибридные электромобили (HEV), электромобили (EV), хранение возобновляемой энергии для последующего использования
хранения и для различных целей (стабильность сети, сглаживание пиков и сдвиг во времени возобновляемых источников энергии и т. д.)
Сетевое хранение энергии. В этих приложениях измеряется состояние заряда (SOC) элементов батареи.
Очень важный. SOC определяется как доступная емкость (в Ач) в процентах от номинальной емкости.
чем сказал. Параметр SOC можно рассматривать как термодинамическую величину, которую можно использовать для оценки потенциала батареи.
в электрической энергии. Также важно оценить рабочее состояние (SOH) аккумулятора, SOH сравнивается с новым аккумулятором.
Стандартная мера способности батареи накапливать и отдавать электрическую энергию. Управление питанием от Analog Devices
Процессор ADSP-CM419 — это процессор, который обрабатывает методы зарядки аккумулятора, обсуждаемые в этой статье.
модель.
В этой статье рассматриваются алгоритмы, используемые для оценки SOC и SOH на основе кулоновского подсчета. Этот документ определяет
Приведены требования к технической среде для подсчета кулонов, а также указаны параметры SOC и SOH.
Методы оценки, в частности, метод кулоновского подсчета, метод напряжения и метод фильтра Калмана.
Также представлены различные коммерческие решения для оценки SOC и SOH. Кроме того, эта статья
Подробно опишите лучшие в своем классе алгоритмы оценки SOC и SOH, особенно Enhanced Coulomb
Алгоритм подсчета, общий алгоритм SOC и алгоритм расширенного фильтра Калмана. Наконец объяснил
Процедура оценки и результаты моделирования для выбранных алгоритмов SOC и SOH.
Принцип измерения SOC батареи
Определение SOC батареи — сложная задача, связанная с типом батареи и ее применением.
Поэтому в последние годы было проведено много разработок и исследований, направленных на повышение точности оценки SOC.
Точная оценка SOC — одна из основных задач системы управления батареями, которая помогает улучшить систему.
производительность и надежность системы, а также продление срока службы батареи. Фактически, точные оценки электрических
Battery SOC предотвращает непредвиденные сбои в работе системы и предотвращает перезарядку и разрядку батареи.
(Это может привести к необратимому повреждению аккумулятора, в зависимости от внутренней структуры аккумулятора). Однако,
Зарядка и разрядка аккумуляторов включают сложные химические и физические процессы в различных условиях эксплуатации.
Точная оценка SOC в этих условиях — непростая задача.
Общий метод измерения SOC заключается в очень точном измерении притока и
Количество заряда (кулонов) и тока, протекающего из аккумуляторной батареи, и
Напряжение. Затем используйте эти данные и предварительно загрузите точно такую же отслеживаемую батарею.
Данные об аккумуляторной батарее для получения точной оценки SOC. другие пакеты, необходимые для этого расчета
В том числе: температура батареи, режим работы батареи (независимо от того, заряжена или разряжена батарея во время измерения), батарея
возраст и другие соответствующие данные об аккумуляторе, полученные от производителя аккумулятора. иногда
Информацию о работоспособности литий-ионных аккумуляторов в различных условиях эксплуатации можно получить у производителя.
данные энергетических характеристик. После определения SOC система отвечает за его обновление в последующих операциях.
SOC, в основном, подсчитывает количество электричества (кулонов), втекающего в батарею и выходящего из нее. Если начальный
Точность SOC недостаточно высока, либо на нее влияют другие факторы, такие как саморазряд батареи и утечка.
электрические эффекты, то точность этого метода может быть неудовлетворительной.
требования к навыкам
Для измерения SOC и SOH типичного модуля накопления энергии в этой статье используется оценка счета кулонов.
Дизайн и разработка оценочной платформы. Модуль накопления энергии в этой статье представляет собой модуль на 24 В, обычно состоящий из 7
Или 8 литий-ионных аккумуляторов. Оценочная платформа состоит из следующих частей: аппаратная система, пакет
включая MCU и необходимые интерфейсы и периферийные устройства, встроенное программное обеспечение для реализации алгоритмов SOC и SOH
Теперь; и прикладное программное обеспечение на базе ПК, используемое в качестве пользовательского интерфейса для конфигурации системы, данных
отображение и анализ.
Платформа оценки периодически измеряет мощность каждого элемента батареи с помощью соответствующих АЦП и датчиков.
напряжение и ток и напряжение аккумуляторной батареи, а также запустить алгоритм оценки SOC в режиме реального времени. это
Алгоритмы используют измеренные значения напряжения и тока, данные датчика температуры и/или ПК.
Некоторые другие данные, предоставляемые программой (например, спецификации строителя из базы данных).
Выходные данные алгоритма оценки SOC отправляются в графический интерфейс ПК для динамического отображения и
Обновление базы данных.
Вступление
2 Углубленный взгляд на методы оценки состояния заряда батареи (SOC) и состояния работы (SOH)
Обзор методов оценки SOC и SOH
В основном для оценки SOC и SOH используются три метода: метод счета Кулона, метод напряжения и метод Карла.
Метод фильтра Манна. Эти методы применимы ко всем аккумуляторным системам, особенно HEV, EV и PV,
В следующих разделах эти методы обсуждаются отдельно.
Кулон подсчет
Метод кулоновского подсчета, также известный как подсчет ампер-часов и метод интегрирования тока, является наиболее часто используемым методом расчета SOC.
Технологии. Этот метод рассчитывается путем интегрирования показаний тока батареи за время использования.
Значение SOC, как показано в следующей формуле:
SOC= SOC(t0) + (Ib – Iloss) dt ∫ 1
в ящике
t0 + τ
т0 (1)
Среди них SOC(t0) — начальная SOC, Crated — номинальная мощность, I
б
— ток батареи, Iloss — потери
ток, потребляемый реакцией.
Кулоновский подсчет затем вычисляет оставшуюся емкость путем накопления заряда в батарее или от нее.
количество. Точность этого метода в основном зависит от точного измерения тока батареи и
Точная оценка начального SOC. Используйте заранее определенную емкость (либо
Первоначально оцененный из условий эксплуатации), SOC батареи можно заряжать и разряжать
Расход рассчитывается путем интегрирования времени работы. Однако высвобождаемый заряд всегда меньше заряда и разряда
Заряд, накопленный во время электрического цикла. Другими словами, есть потери при зарядке и разрядке. Эти
Потери плюс саморазряд вызывают кумулятивные ошибки. Для более точной оценки SOC необходимо
Эти факторы необходимо учитывать. Кроме того, SOC следует периодически перекалибровывать и рассматривать возможность выпуска.
Распад способности сделать оценку более точной.
Метод напряжения
SOC батареи (то есть ее остаточная емкость) можно определить с помощью испытаний на разрядку в контролируемых условиях.
Безусловно. Метод напряжения использует известную кривую разряда батареи (отношение между напряжением и SOC) для
Показание напряжения ячейки преобразуется в эквивалентное значение SOC. Однако из-за электрохимической кинетики батареи
и температуры, ток батареи оказывает более сильное влияние на напряжение. используя напряжение, пропорциональное току батареи
Член пропорциональной коррекции используется для компенсации показаний напряжения и использует напряжение разомкнутой цепи элемента (OCV) для
Справочная таблица степеней может сделать этот метод более точным. Так как батарея требует стабильной
диапазон напряжения, поэтому метод напряжения трудно реализовать. Кроме того, тесты на выписку обычно включают
В том числе непрерывная зарядка, которая слишком трудоемка, поэтому большинство приложений ее не учтет. есть еще один
Недостатком является то, что работа системы прерывается во время теста (автономный метод), что в методе кулоновского подсчета
(онлайн-режим) можно избежать.
Метод фильтра Калмана
Фильтр Калмана — это алгоритм, который может оценить внутреннее состояние любой динамической системы, а также может
Используется для оценки SOC батареи. Фильтр Калмана был введен в 1960 году для обеспечения оптимального
Рекурсивное решение для линейной фильтрации, подходящее для решения задач наблюдения за состоянием и прогнозирования. с другими оценками
По сравнению с методами фильтр Калмана может автоматически предоставлять динамические ошибки в оценке собственного состояния.
разница. Смоделируйте аккумуляторную систему, включив в нее необходимые неизвестные, такие как SOC.
В описании состояния фильтр Калмана оценивает его значение и дает границу ошибки для оценки. Затем,
Это становится методом оценки состояния на основе модели, который использует механизм исправления ошибок для
Предоставляет прогнозы SOC в реальном времени. Его можно расширить с помощью расширенной фильтрации Калмана.
Это может улучшить его способность оценивать SOH в режиме реального времени. В частности, аккумуляторная система является нелинейной и
Когда требуется шаг линеаризации, следует использовать расширенный фильтр Калмана. Хотя фильтр Калмана
это оперативный динамический метод, но он требует подходящей модели батареи и точных измерений
параметров; также требуются большие вычислительные мощности и точная инициализация.
Другие методы оценки SOC, такие как спектроскопия импеданса, также описаны в некоторой литературе.
Этот метод основан на измерении импеданса аккумуляторной батареи и использует анализатор импеданса для анализа зарядки в режиме реального времени.
и условия выписки. Хотя этот метод можно использовать для оценки SOC и SOH литий-ионных аккумуляторов.
метр, но он основан на внешнем измерении прибора, поэтому в данной работе не рассматривается. На основе физики электролитов
К литий-ионным аккумуляторам неприменимы методы характеристик и искусственных нейронных сетей.
Как выбрать методы оценки SOC и SOH
При выборе подходящего метода оценки SOC следует учитывать несколько критериев. Во-первых, SOC и SOH
Предполагаемая технология должна быть доступна для приложений HEV и EV, хранения возобновляемой энергии для будущего использования,
Литий-ионные аккумуляторы для хранения энергии в сети. Также важно, чтобы выбранный метод
Это должна быть онлайн-технология реального времени с низкой вычислительной сложностью и высокой точностью (низкая ошибка оценки).
Метод оценки также требуется для использования измерений напряжения, тока и датчика температуры.
Другие данные, собранные и/или предоставленные программным обеспечением для ПК.
Усовершенствованный алгоритм кулоновского подсчета
Чтобы преодолеть недостатки метода кулоновского подсчета и повысить точность его оценки, некоторые люди предложили
Усовершенствованный алгоритм кулоновского подсчета для оценки параметров SOC и SOH литий-ионных аккумуляторов. исходный
SOC получается из напряжения под нагрузкой (зарядка и разрядка) или напряжения холостого хода. испытание на прохождение потерь
Компенсируйте, учитывая эффективность зарядки и разрядки. По максимальной высвобождаемой емкости рабочей батареи
При динамической повторной калибровке одновременно можно оценить SOH батареи. Это будет способствовать дальнейшему
Шаг за шагом повышайте точность оценки SOC.
Технический принцип
Разряжаемая емкость работающей батареи — это емкость, высвобождаемая при ее полной разрядке.
Соответственно, SOC определяется как высвобождаемая емкость относительно номинальной емкости батареи, предоставленной производителем.
Процент ящиков.
SOC= 100 %
в ящике
(2)
Полностью заряженная батарея имеет максимальную отключаемую емкость (Cmax), которая может отличаться от номинальной емкости.
другой. Вообще говоря, будет определенная разница между Cmax и Crated недавно использованной батареи, и
распадаются со временем. Его можно использовать для оценки SOH батареи.
SOH = 100% Cмакс.
в ящике
(3)
Когда аккумулятор разряжается, глубина разряда (DOD) может быть выражена как разряженная емкость относительно номинального заряда.
процент,
DOD = 100% Cвыпущено
в ящике
(4)
Среди них Cвыпущена емкость тока разряда.
Используя измеренные токи заряда и разряда (Ib), можно рассчитать разницу DOD в рабочем цикле ( )
Рассчитайте следующим образом:
ΔДОД =
–
100% ящик
Ib(t) dt ∫
t0 + τ
т0 (5)
Посетите: Analog.com/cn 3
Среди них Ib имеет положительное значение при зарядке и отрицательное значение при разрядке. DOD накапливается со временем.
DOD(t) = DOD(t0) + ∆DOD(6)
Чтобы повысить точность оценки, необходимо учитывать эффективность работы (представленную как ŋ), а выражение DOD соответствует
становится:
DOD(t) = DOD(t0) + η∆DOD (7)
ŋ равно ŋc во время фазы зарядки и ŋd во время фазы разрядки.
Если не учитывать эффективность работы и старение батареи, SOC можно выразить как:
SOC(t)= 100% – DOD(t) (8)
С учетом SOH SOC оценивается как:
SOC(t) = SOH(t) – DOD(t) (9)
На рис. 1 представлена блок-схема усовершенствованного алгоритма кулоновского счета. Вначале из связанной памяти
Получить исторические данные об использованной батарее. Тем не менее, исторические данные о недавно использованных батареях отсутствуют.
Предполагая, что его SOH исправен, значение равно 100%, и SOC проходит испытание по напряжению холостого хода или напряжению нагрузки.
(в зависимости от начальных условий), чтобы сделать начальную оценку.
Процесс оценки основан на контроле напряжения батареи (Vb) и Ib. Режим работы от батареи может быть
Величина и направление рабочего тока известны. В режиме разряда ДОД накапливает израсходованный заряд;
В режиме заряда DOD уменьшается по мере поступления накопленного заряда в аккумулятор. с зарядкой и
После корректировки эффективности разряда можно получить более точную оценку. Затем вычтите из SOH
Сумма DOD, SOC может быть оценена. Когда батарея разомкнута и ток равен 0, SOC напрямую выводится из OCV.
Связь с SOC является производной.
Следует отметить, что SOH можно переоценить, когда батарея полностью разряжена или полностью заряжена;
Рабочий ток и напряжение указаны производителем. Во время разряда, когда напряжение нагрузки (Vb) меньше
предел (Vmin), батарея разряжена. В этом случае батарея больше не может использоваться и должна быть
перезарядка. При этом значение SOH может быть переоценено по накопленному DOD в истощенном состоянии,
Тем самым перекалибровав SOH. С другой стороны, во время зарядки, если (Vb) достигает верхнего предела (Vmax)
и (Ib) падает до нижнего предела (Imin), используемая батарея полностью заряжена. накапливая
Общий заряд батареи получает новое значение SOH, и можно рассчитать новое значение SOC. На практике конец
Иногда встречаются полностью заряженные и истощенные состояния. Когда батарея часто заряжается и полностью разряжается,
Точность оценки SOH повысится.
Из-за простоты вычислений и несложных аппаратных требований все, кроме электромобилей,
Портативные устройства могут легко реализовать усовершенствованный алгоритм подсчета кулонов. Кроме того, вслед за
Ошибка оценки может быть уменьшена до 1% в рабочем цикле после переоценки SOH.
Определить начальный SOC
Аккумулятор имеет три режима работы: заряд, разряд и обрыв цепи. Во время фазы зарядки, когда батарея
При зарядке в режиме постоянного тока и постоянного напряжения (CC-CV) производитель обычно указывает напряжение батареи и
изменение тока. Когда зарядный ток постоянен, напряжение батареи постепенно увеличивается, пока не достигнет порогового значения.
ценность. Как только аккумулятор заряжается в режиме постоянного напряжения, ток заряда сначала быстро уменьшается, а затем медленно
уменьшаться медленно. Наконец, когда батарея полностью заряжена, зарядный ток стремится к нулю. Эта кривая зарядки
На этапе постоянного тока его можно преобразовать в соотношение между SOC и зарядным напряжением, а на этапе постоянного напряжения его можно преобразовать в
Связь между SOC и зарядным током. Из этих соотношений можно вывести начальный SOC во время зарядки.
Перевод — https://www.analog.com/media/cn/technical-documentation/technical-articles/a-closer-look-at-state-of-charge-and-state-health-estimation-techniques_cn.pdf
Battery packs based on lithium-ion (Li-ion) cells are used in a wide variety of applications, such as:
Hybrid electric vehicles (HEV), electric vehicles (EV), renewable energy storage for later use
storage and for various purposes (grid stability, peak smoothing and time shifting of renewable energy sources, etc.)
Network energy storage. These applications measure the state of charge (SOC) of the battery cells.
Very important. SOC is defined as the available capacity (in Ah) as a percentage of the rated capacity.
than said. The SOC parameter can be viewed as a thermodynamic quantity that can be used to evaluate the potential of a battery.
in electrical energy. It is also important to evaluate the operating condition (SOH) of the battery, SOH is compared to a new battery.
A standard measure of a battery’s ability to store and deliver electrical energy. Power management from Analog Devices
The ADSP-CM419 processor is the processor that handles the battery charging methods discussed in this article.
model.
This article discusses the algorithms used to estimate SOC and SOH based on the Coulomb count. This document defines
The requirements for the technical environment for counting coulombs are given, as well as the parameters SOC and SOH.
Estimation methods, in particular, the Coulomb counting method, the stress method and the Kalman filter method.
Various commercial solutions for estimating SOC and SOH are also presented. In addition, this article
Describe best-in-class SOC and SOH estimation algorithms in detail, especially Enhanced Coulomb
Counting algorithm, general SOC algorithm and extended Kalman filter algorithm. finally explained
Evaluation procedure and simulation results for selected SOC and SOH algorithms.
The principle of measuring the SOC of a battery
Determining the SOC of a battery is a complex task related to the type of battery and its application.
Therefore, in recent years there have been many developments and studies aimed at improving the accuracy of SOC estimation.
Accurate SOC estimation is one of the main tasks of a battery management system that helps improve the system.
system performance and reliability, and extended battery life. In fact, accurate estimates of electrical
Battery SOC prevents unexpected system crashes and prevents battery from overcharging and discharging.
(This may cause permanent damage to the battery, depending on the internal structure of the battery). However,
Charging and discharging batteries involve complex chemical and physical processes under various operating conditions.
Accurate estimation of SOC under these conditions is not an easy task.
The general method for measuring SOC is to very accurately measure inflow and
The amount of charge (coulombs) and current flowing from the battery, and
Voltage. Then use that data and preload the exact same traceable battery.
Battery data for an accurate SOC estimate. other packages needed for this calculation
Including: battery temperature, battery mode (regardless of whether the battery is charged or discharged during the measurement), battery
age and other relevant battery data obtained from the battery manufacturer. sometimes
For information on the performance of lithium-ion batteries under various operating conditions, please contact the manufacturer.
energy performance data. Once the SOC is determined, the system is responsible for updating it in subsequent operations.
SOC basically counts the amount of electricity (coulombs) flowing into and out of the battery. If initial
SOC accuracy is not good enough or is affected by other factors such as battery self-discharge and leakage.
electrical effects, the accuracy of this method may be unsatisfactory.
skill requirements
To measure the SOC and SOH of a typical energy storage module, this article uses a coulomb count estimate.
Design and development of the evaluation platform. The energy storage module in this article is a 24V module, typically consisting of 7
Or 8 lithium-ion batteries. The evaluation platform consists of the following parts: hardware system, package
including MCU and necessary interfaces and peripherals, firmware for implementing SOC and SOH algorithms
Now; and PC-based application software used as a user interface for system configuration, data
display and analysis.
The evaluation platform periodically measures the power of each battery cell using appropriate ADCs and sensors.
voltage and current and battery voltage, and run real-time SOC estimation algorithm. this is
The algorithms use measured voltage and current values, data from a temperature sensor and/or a PC.
Some other data provided by the program (for example, builder specifications from a database).
The output of the SOC estimation algorithm is sent to the PC GUI for dynamic feedback.