Dyness Conhecimento de análise de conceito de SOC de bateria de lítio

Resumo: As baterias de íons de lítio são cada vez mais promovidas e usadas na vida moderna. O estado de carga (SOC) de uma bateria de lítio é equivalente ao tanque de combustível de um carro. Lembre sempre o usuário de quanta energia está disponível no momento, por exemplo, 100% de energia é igual a um tanque de gasolina cheio. 0% significa que a bateria está esgotada, ou seja, não há gasolina no tanque de combustível.

A medição científica, eficiente e relativamente precisa do SOC das baterias de lítio não só tem métodos de medição científicos, mas também exige algoritmos de software avançados como garantia necessária para que as empresas de baterias obtenham valores em tempo real. Isso exige que os fabricantes de baterias aprimorem e atualizem continuamente o algoritmo de seu sistema de gerenciamento de baterias (BMS) para que os usuários possam obter informações de energia relativamente precisas e entender o estado de saúde da bateria durante o uso. Ao escrever o programa correspondente no sistema BMS com antecedência, o valor SOC é calculado pelo método de tensão, pelo método de medição do filtro Kalman ou pelo método de contagem de coulomb.

1. As baterias de íon-lítio são essenciais no nosso dia a dia, alimentando eletrônicos de consumo, de smartphones a carros elétricos.

O SOC é um dos indicadores importantes do desempenho e da vida útil da bateria. O SOC é definido como a capacidade disponível [em (Ah-Ampere-hora)] e expresso como uma porcentagem de sua capacidade nominal. O parâmetro SOC pode ser visto como uma quantidade termodinâmica que permite avaliar a energia potencial da bateria. Também é importante estimar o estado de saúde da bateria (SOH), que representa uma medida da capacidade da bateria de armazenar e fornecer energia elétrica em comparação com uma bateria nova (Ghazel, 2017).

Se uma bateria for descarregada muito profundamente ou carregada com muita frequência, isso pode afetar sua saúde geral e reduzir sua vida útil. Manter o SOC dentro de uma faixa segura é especialmente importante para garantir a vida útil da bateria e o desempenho ideal. Em geral, recomenda-se manter o SOC entre 20% e 80%. Qualquer valor abaixo de 20% ou acima de 80% pode estressar a bateria e reduzir sua vida útil geral. Alguns fabricantes internacionais indicam isso na coluna da bateria de seus produtos eletrônicos de consumo. Quando o SOC deve ser mantido nessa faixa, a atividade dos íons de lítio na bateria deve ser mantida o máximo possível e a vida útil da bateria deve ser estendida o máximo possível.

2. A medição do SOC pode ser dividida no algoritmo baseado no modelo de medição ou no método de medição baseado no rendimento de carga e descarga da bateria e na tensão do corpo da bateria para obter o valor. Só que há diferenças e ênfases entre os três. Portanto, os valores de SOC calculados pelos três métodos também apresentam desvios relativos.

3. Contagem de Coulomb

Também conhecido como contagem de ampere-hora e integração de corrente. Quando a bateria está sendo carregada e descarregada, o SOC é estimado pela acumulação da eletricidade carregada e descarregada. O método de cálculo é o seguinte:

C(max): capacidade (máxima) da bateria; I(now): corrente (A); t: tempo

As desvantagens desse método de medição são: 1. Os erros são causados pela amostragem de corrente. 2. O erro causado pela alteração da capacidade da bateria. 3. Erros causados pela estimativa e seleção dos valores inicial e final do SOC, que, por sua vez, afetam o cálculo do valor geral.

Esse método registra apenas aproximadamente a quantidade de eletricidade que entra e sai da bateria pelo lado de fora, mas ignora a atenuação causada pela substituição dos íons de lítio dentro da bateria, bem como a geração de dendritos de lítio e outras variáveis que afetam o cálculo do SOC da bateria "de dentro para fora". E o erro só aumentará com o passar do tempo. Devido a essa desvantagem, as empresas de baterias são obrigadas a atualizar continuamente seu BMS para reduzir os erros.

4. Método de tensão de circuito aberto

O SOC de uma bateria, ou sua capacidade restante, pode ser determinado por meio de um teste de descarga em condições controladas. Esse algoritmo usa a curva de descarga conhecida da bateria (tensão vs. SOC) para converter uma leitura de tensão da bateria em um valor SOC equivalente. Entretanto, a tensão é mais afetada pela corrente da bateria devido à cinética eletroquímica e à temperatura da bateria. Esse método pode ser mais preciso compensando a leitura da tensão com um termo de correção proporcional à corrente da bateria e usando uma tabela de pesquisa da tensão do circuito de abertura da bateria (OCV) e da temperatura. As baterias exigem uma faixa de tensão estável, o que dificulta a implementação da abordagem de tensão. Além disso, o teste de descarga geralmente envolve o carregamento contínuo, o que torna a maioria das aplicações demoradas.

Além disso, a curva da tensão de circuito aberto da bateria de fosfato de ferro e lítio entre 30% e 80% é quase uma linha reta, e é mais difícil encontrar o valor correspondente. Portanto, esse método é mais adequado para o caso de a bateria ter ficado parada por muito tempo e não ser usada com frequência.

5. Método do filtro de Kalman

Um algoritmo de simulação dinâmica para detectar o estado interno da célula da bateria é adequado para calcular o valor SOC da bateria. O próprio método fornece limites de erro dinâmicos, emprega mecanismos de correção de erros e fornece previsão em tempo real do SOC. Embora a filtragem de Kalman seja um método on-line e dinâmico, ela exige um modelo de bateria adequado e a identificação precisa de seus parâmetros. Também requer grande capacidade de computação e inicialização precisa.

Em resumo, o valor SOC é uma consideração fundamental na fabricação de baterias. Ele não está relacionado apenas à sensação corporal intuitiva do usuário ao usar a bateria, mas também afeta a vida útil da bateria ou o custo de investimento do cliente para comprar a bateria. Portanto, manter o valor SOC da bateria dentro de uma faixa recomendada durante o uso e atualizar o firmware do produto da bateria em tempo real são garantias importantes para assegurar a vida útil do produto e a experiência do usuário.

Citações

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries (Um olhar mais atento às técnicas de estimativa do estado de carga (SOC) e do estado de saúde (SOH) para baterias).

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). State of Charge Estimation For Lithium Iion Battery Based on Reinforcement Learning (Estimativa do estado de carga da bateria de íons de lítio com base no aprendizado por reforço). ScienceDirect, página 404-408.

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