Dyness Knowledge | Analisi del concetto SOC della batteria al litio

Riassunto:Le batterie agli ioni di litio sono sempre più diffuse e utilizzate nella vita moderna. Lo stato di carica (SOC) di una batteria al litio equivale al serbatoio di un'auto. È importante ricordare sempre all'utente quanta energia è attualmente disponibile: ad esempio, il 100% di energia equivale a un serbatoio pieno. Lo 0% indica che la batteria è scarica, ovvero che non c'è benzina nel serbatoio.

La misurazione scientifica, efficiente e relativamente accurata dello SOC delle batterie al litio non solo si avvale di metodi di misurazione scientifici, ma richiede anche algoritmi software avanzati, come garanzia necessaria affinché le aziende produttrici di batterie ottengano valori in tempo reale. Ciò richiede ai produttori di batterie di migliorare e aggiornare costantemente l'algoritmo del loro sistema di gestione della batteria (BMS), in modo che gli utenti possano ottenere informazioni sulla potenza relativamente accurate e comprendere lo stato di salute della batteria durante l'uso. Scrivendo in anticipo il programma corrispondente nel sistema BMS, il valore SOC viene calcolato con il metodo della tensione, il metodo di misurazione del filtro di Kalman o il metodo del conteggio di Coulomb.

1. Le batterie agli ioni di litio sono essenziali nella nostra vita quotidiana, alimentando dispositivi elettronici di consumo, dagli smartphone alle auto elettriche.

Il SOC (stato di carica) è uno degli indicatori più importanti delle prestazioni e della durata della batteria. Il SOC è definito come capacità disponibile [in Ah-Ampere ora] ed è espresso come percentuale della sua capacità nominale. Il parametro SOC può essere visto come una grandezza termodinamica che consente di valutare l'energia potenziale della batteria. È inoltre importante stimare lo stato di salute della batteria (SOH), che rappresenta una misura della capacità di una batteria di immagazzinare e fornire energia elettrica rispetto a una batteria nuova (Ghazel, 2017).

Se una batteria viene scaricata troppo a fondo o caricata troppo spesso, può comprometterne lo stato di salute generale e ridurne la durata. Mantenere il SOC entro un intervallo di sicurezza è particolarmente importante per garantire la durata della batteria e prestazioni ottimali. In generale, si consiglia di mantenere il SOC tra il 20% e l'80%. Valori inferiori al 20% o superiori all'80% possono stressare la batteria e ridurne la durata complessiva. Alcuni produttori internazionali lo indicano nella colonna relativa alla batteria dei loro prodotti di elettronica di consumo. Quando il SOC deve essere mantenuto in questo intervallo, l'attività degli ioni di litio nella batteria dovrebbe essere mantenuta il più possibile e la durata della batteria dovrebbe essere prolungata il più possibile.

2. La misurazione del SOC può essere suddivisa in un algoritmo basato sul modello di misurazione o un metodo di misurazione basato sulla capacità di carica e scarica della batteria e sulla tensione di corpo della batteria per ottenere il valore. È solo che ci sono differenze e accenti tra i tre. Pertanto, i valori SOC calcolati con i tre metodi presentano anche deviazioni relative.

3. Conteggio di Coulomb

Noto anche come conteggio di ampere-ora e integrazione di corrente. Durante la carica e la scarica della batteria, il SOC viene stimato accumulando l'elettricità caricata e scaricata. Il metodo di calcolo è il seguente:

C(max): capacità (massima) della batteria; I(now) corrente (A); t: tempo

Gli svantaggi di questo metodo di misurazione sono: 1. Errori causati dal campionamento della corrente. 2. Errore causato dalla variazione della capacità della batteria. 3. Errori causati dalla stima e dalla selezione dei valori iniziale e finale del SOC, che a loro volta influenzano il calcolo del valore complessivo.

Questo metodo registra solo approssimativamente la quantità di elettricità in entrata e in uscita dalla batteria dall'esterno, ma ignora l'attenuazione causata dalla sostituzione degli ioni di litio all'interno della batteria, nonché la generazione di dendriti di litio e altre variabili che influenzano il calcolo del SOC della batteria "dall'interno verso l'esterno". E l'errore aumenterà sempre di più con il passare del tempo. A causa di questo svantaggio, le aziende produttrici di batterie sono tenute ad aggiornare costantemente i propri BMS per ridurre gli errori.

4. Metodo della tensione a circuito aperto

Il SOC di una batteria, ovvero la sua capacità residua, può essere determinato utilizzando un test di scarica in condizioni controllate. Questo algoritmo utilizza la curva di scarica nota della batteria (tensione vs. SOC) per convertire una lettura della tensione della batteria in un valore SOC equivalente. Tuttavia, la tensione è maggiormente influenzata dalla corrente della batteria a causa della cinetica elettrochimica e della temperatura della batteria. Questo metodo può essere reso più accurato compensando la lettura della tensione con un termine di correzione proporzionale alla corrente della batteria e utilizzando una tabella di ricerca della tensione del circuito di ricarica della batteria (OCV) e della temperatura. Le batterie richiedono un intervallo di tensione stabile, il che rende l'approccio basato sulla tensione difficile da implementare. Inoltre, i test di scarica spesso comportano una carica continua, rendendo la maggior parte delle applicazioni dispendiose in termini di tempo.

Inoltre, la curva della tensione a circuito aperto di una batteria al litio-ferro-fosfato tra il 30% e l'80% è pressoché retta, ed è più difficile trovare il valore corrispondente. Pertanto, questo metodo è più adatto nel caso in cui la batteria sia rimasta inutilizzata per lungo tempo e non venga utilizzata frequentemente.

5. Metodo del filtro di Kalman

Un algoritmo di simulazione dinamica per rilevare lo stato interno delle celle della batteria è adatto per calcolare il valore SOC della batteria. Il metodo stesso fornisce limiti di errore dinamici, impiega meccanismi di correzione degli errori e fornisce una previsione in tempo reale del SOC. Sebbene il filtro di Kalman sia un metodo online e dinamico, richiede un modello di batteria adeguato e un'identificazione precisa dei suoi parametri. Richiede inoltre un'elevata potenza di calcolo e un'inizializzazione accurata.

In sintesi, il valore SOC è un fattore fondamentale nella produzione di batterie. Non è correlato solo alla sensazione intuitiva dell'utente durante l'utilizzo della batteria, ma influisce anche sulla durata della batteria o sul costo di investimento del cliente per l'acquisto della batteria. Pertanto, mantenere il valore SOC della batteria entro un intervallo raccomandato durante l'uso e aggiornare il firmware della batteria in tempo reale sono garanzie importanti per garantire la durata del prodotto e l'esperienza utente.

Citazioni

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). State of Charge Estimation For Lithium Iion Battery Based on Reinforcement Learning. ScienceDirect, page 404-408.

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