تعريف وقياس وطريقة حساب المعلمات الهامة لبطارية الطاقة
واحد ملخص
تم إعداد هذه الوثيقة بشكل أساسي لتسهيل البحث الداخلي.د- أفراد الشركة لفهم سريع وواضح بعض المعلمات المميزة المهمة للبطارية وطرق قياسها وحسابها.يتضمن بشكل أساسي حالة شحن SOC لبطارية الطاقة ، حالة صحة البطارية SOH ، المقاومة الداخلية R ، إلخ.
يشير هذا المستند بشكل أساسي إلى المعايير الوطنية ومعايير الصناعة لبطاريات الطاقة ، بالإضافة إلى بعض المعلومات الموثوقة على الإنترنت ، ويتم تجميعها مع خبرة العمل الخاصة بهم.
اثنين SOC لحالة شحن البطارية وطريقة تقديرها
2.1 تعريف SOC للبطارية
يتم استخدام SOC للبطارية لعكس الطاقة المتبقية للبطارية ، والتي يتم تعريفها على أنها النسبة المئوية للسعة الحالية المتاحة في السعة الأولية (المعيار الوطني).
تحدد الرابطة الأمريكية للبطاريات المتقدمة (usabc) SOC في دليل تجربة بطارية السيارة الكهربائية على النحو التالي: نسبة سعة البطارية المتبقية إلى السعة المقدرة في ظل نفس الظروف وفقًا لمعدل التفريغ المحدد.
SOC = QO / QN
تعرف سيارة هوندا الكهربائية (EV plus) شركة نفط الجنوب على النحو التالي:
SOC = السعة المتبقية / (عامل التوهين لقدرة السعة المقدرة)
حيث السعة المتبقية = السعة المقدرة - صافي التفريغ - التفريغ الذاتي - تعويض درجة الحرارة
الطاقة المتبقية لبطارية الطاقة هي العامل الرئيسي الذي يؤثر على مدى القيادة وأداء القيادة للسيارة الكهربائية.يمكن أن يؤدي تقدير SOC الدقيق إلى تحسين كفاءة الطاقة للبطارية وإطالة عمر خدمة البطارية ، وذلك لضمان قيادة أفضل للسيارة الكهربائية.في الوقت نفسه ، تعد SOC أيضًا أساسًا مهمًا للتحكم في شحن وتفريغ البطارية وتوازن البطارية.
في التطبيق العملي ، نحتاج إلى إدراك خوارزمية تقدير البطارية SOC وفقًا لقيمة البطارية القابلة للقياس ، مثل الجهد والتيار ، جنبًا إلى جنب مع العوامل المؤثرة للحدود الداخلية والخارجية للبطارية (درجة الحرارة ، والعمر ، وما إلى ذلك).ومع ذلك ، فإن SOC غير خطية نظرًا لبيئة العمل الداخلية والعوامل الخارجية ، لذلك يجب التغلب على هذه المشكلات من أجل تحقيق خوارزمية تقدير SOC جيدة.في الوقت الحالي ، تم تقدير تقدير SOC للبطارية في الداخل والخارج جزئيًا وتطبيقه على الهندسة ، مثل طريقة ساعة الأمبير وطريقة المقاومة الداخلية وطريقة جهد الدائرة المفتوحة وما إلى ذلك.السمة المشتركة لهذه الخوارزميات هي أنها سهلة التنفيذ ، ولكن عدم مراعاة العوامل المؤثرة الداخلية والخارجية في ظروف العمل الفعلية يؤدي إلى ضعف القدرة على التكيف ، وهو أمر يصعب تلبية متطلبات BMS للتحسين المستمر للتقدير صحة.لذلك ، بعد الأخذ في الاعتبار أن SOC يتأثر بالعديد من العوامل ، يتم اقتراح بعض الخوارزميات الأكثر تعقيدًا ، مثل خوارزمية مرشح كالمان ، وخوارزمية الشبكة العصبية ، وخوارزمية التقدير الضبابي وغيرها من الخوارزميات الجديدة.بالمقارنة مع الخوارزميات التقليدية السابقة ، لديهم قدر كبير من الحسابات ، ولكن دقة أعلى.من بينها ، يتميز مرشح كالمان بأداء جيد في دقة الحساب والقدرة على التكيف.
نقطتين تقديم العديد من خوارزميات تقدير SOC
（1） طريقة أمبير ساعة
طريقة أمبير ساعة ، والمعروفة أيضًا باسم طريقة التكامل الحالية ، هي أيضًا الأساس لحساب SOC للبطارية.بافتراض أن قيمة SOC الأولية للبطارية الحالية هي soc0 ، بعد شحن أو تفريغ T-Time ، فإن SOC هي:
Q0 هي السعة المقدرة للبطارية ، و I (T) هي شحن البطارية وتفريغ التيار (التفريغ إيجابي).
في الواقع ، يتم تعريف SOC على أنه حالة شحن البطارية ، وحالة شحن البطارية هي جزء لا يتجزأ من تيار البطارية ، لذلك من الناحية النظرية ، طريقة ساعة الأمبير هي الأكثر دقة.في الوقت نفسه ، من السهل أيضًا إدراكه.يحتاج فقط إلى قياس شحن البطارية وتفريغها الحالي والوقت.في التطبيق الهندسي العملي ، تكون صيغة الحساب المنفصلة كما يلي:
في العمل الفعلي للبطارية ، يتم استخدام طريقة ساعة الأمبير لحساب SOC.سيؤثر خطأ القياس وعوامل تداخل الضوضاء على نتائج القياس ، لذلك لا يمكن تقدير SOC بشكل صحيح (لا يتم أخذ عوامل مثل التفريغ الذاتي ودرجة الحرارة في الاعتبار).في الوقت نفسه ، لا يمكن الحصول على قيمة SOC الأولية للبطارية بطريقة ساعة الأمبير.عادةً ما تستخدم طريقة ساعة الأمبير قيمة SOC التي تم الاحتفاظ بها بواسطة آخر شحن للبطارية وتفريغها كقيمة أولية للحساب التالي ، ولكن هذا سيجعل خطأ SOC يتراكم باستمرار.لذلك ، في الهندسة العملية ، تُستخدم طريقة ساعة الأمبير عمومًا كأساس لخوارزميات أخرى أو مدمجة مع خوارزميات أخرى للتقدير.
（2 طريقة جهد الدائرة المفتوحة
هناك علاقة وظيفية معينة بين القوة الدافعة الكهربائية لبطارية ليثيوم أيون و SOC للبطارية.لذلك ، يمكن الحصول على قيمة SOC للبطارية عن طريق قياس جهد الدائرة المفتوحة.من أجل الحصول على القيمة الدقيقة للقوة الدافعة الكهربائية للبطارية من خلال طريقة جهد الدائرة المفتوحة ، أولاً ، تحتاج البطارية إلى الوقوف لفترة من الوقت.في هذا الوقت ، يمكن اعتبار قيمة جهد الدائرة المفتوحة (OCV) مساوية لقيمة القوة الدافعة الكهربائية.بهذه الطريقة ، يمكن الحصول على القوة الدافعة الكهربائية للبطارية ويمكن الحصول على SOC للبطارية.يتم الحصول على منحنى soc-ocv لشحن وتفريغ بطارية الليثيوم من خلال التجارب ، ثم يتم الاستعلام عن قيم SOC لجهود الدائرة المفتوحة المختلفة وفقًا لمنحنى soc-ocv.
تتطلب طريقة جهد الدائرة المفتوحة أن تظل البطارية ثابتة لفترة من الوقت لإزالة الخطأ الناجم عن عوامل خارجية ، وهو أمر غير مناسب للقياس في الوقت الفعلي لبطارية SOC.بالإضافة إلى ذلك ، فإن تغيير جهد الدائرة المفتوحة للبطارية SOC في القسم الأوسط صغير جدًا ، مما يؤدي إلى قياس كبير وخطأ تقدير لـ SOC الأوسط.
（3 طريقة مرشح كالمان
تستخدم طريقة مرشح كالمان معرفة ديناميكيات النظام والقياس ، والخصائص الإحصائية لضوضاء النظام المفترض وخطأ القياس ، ومعلومات الظروف الأولية لمعالجة القيم المقاسة والحصول على الحد الأدنى من تقدير الخطأ لحالة النظام.يمكن اعتبار حزمة بطارية السيارة الكهربائية كنظام ديناميكي يتكون من المدخلات والمخرجات.على أساس فهم بعض المعرفة المسبقة للنظام ، يتم إنشاء معادلة معلمة الحالة للنظام ، ومن ثم يتم الحصول على تقدير المعلمة الداخلية للنظام ، بما في ذلك حالة الشحن ، والتي لا يمكن قياسها مباشرة ، باستخدام التحقق وظيفة الإخراج.بناءً على نموذج الدائرة المكافئة للبطارية أو النموذج الكهروكيميائي ، يتم إنشاء معادلة الحالة ومعادلة القياس للنظام.وفقًا لبيانات اختبار التفريغ لحزمة البطارية ، يتم تقدير جهد الدائرة المفتوحة لحزمة البطارية بواسطة خوارزمية مرشح كالمان لتحقيق تقدير حالة شحن البطارية.ميزته هي أنه يمكن الحصول على تقدير التباين الأدنى لـ SOC بالطريقة العودية وفقًا للجهد والتيار الذي تم جمعه ، وذلك لحل مشاكل التقدير غير الدقيق للقيمة الأولية لـ SOC والخطأ التراكمي ؛العيب هو أنه يعتمد بشكل كبير على طراز البطارية ويتطلب سرعة عالية من معالج النظام.
3. تعريف وحساب حالة صحة البطارية (soh)
3.1 تعريف حالة صحة البطارية SOH
التعريف القياسي للبطارية SOH هو نسبة السعة الصادرة عن بطارية الطاقة من الحالة الكاملة إلى جهد القطع بمعدل معين في ظل الظروف القياسية إلى سعتها الاسمية المقابلة (السعة الأولية الفعلية).هذه النسبة هي انعكاس للحالة الصحية للبطارية.
باختصار ، النسبة بين القيمة الفعلية والقيمة الاسمية لبعض معلمات الأداء القابلة للقياس أو المحسوبة بشكل غير مباشر بعد استخدام البطارية لفترة من الوقت ، والتي تُستخدم للحكم على الحالة بعد تدهور صحة البطارية وقياس الصحة درجة البطارية.أداؤها الفعلي هو تغيير بعض المعلمات داخل البطارية (مثل المقاومة الداخلية ، والسعة ، وما إلى ذلك).لذلك ، هناك عدة طرق لتحديد حالة صحة البطارية SOH وفقًا لكمية خصائص البطارية:
（1） حدد SOH من منظور سعة البطارية المتبقية:
SOH = Qaged / Qnew
حيث يكون qaged أقصى طاقة متوفرة للبطارية و qnew هو أقصى طاقة عندما لا تكون البطارية قيد الاستخدام.
（2 حدد SOH من منظور سعة البطارية:
SOH = سم / CN
حيث cm هي السعة الحالية المقاسة للبطارية و cn هي السعة الاسمية للبطارية.
(3) حدد SOH من منظور المقاومة الداخلية للبطارية:
SOH = (REOL-R) / (REOL-Rnew)
من بينها ، reol هي المقاومة الداخلية للبطارية في نهاية عمرها التشغيلي ، RNew هي المقاومة الداخلية للبطارية عندما تغادر المصنع ، و R هي المقاومة الداخلية للبطارية في حالتها الحالية.
ملحوظة: الصيغة أعلاه لتحديد SOH من سعة البطارية المتبقية أو سعة البطارية ليست معادلة الحساب الفعلية لـ SOH ، ولكنها طريقة تعريف ، أي أن طريقة التعريف هذه لها وظيفة مقابلة فريدة تتوافق مع SOH الفعلي.على سبيل المثال ، استنادًا إلى سعة البطارية الفردية ، يمكن حساب SOH بالفعل بالصيغة التالية:
SOH = (CM-CEOL) / (CN-CEOL)
حيث ceol هو السعة في نهاية عمر البطارية (التخريد) ، وهو ثابت.معادلة حساب SOH أعلاه مكافئة بالفعل للتعريف الوارد في (2).ما يلي هو اشتقاق بسيط:
دع SOH = cm / CN = x في التعريف ، SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y في صيغة الحساب ، بافتراض ceol = PCN ، ثم y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p) ، أي y هي دالة (علاقة خطية) حول X ، حيث p ثابت.
3.2 عدة طرق شائعة لتقدير SOH
(1) طريقة التفريغ الكامل
يتطلب اختبار التفريغ الكامل دورة تفريغ كاملة للبطارية ، ثم يتم اختبار سعة التفريغ ومقارنتها بالسعة الاسمية للبطارية الجديدة.يتم التعرف على هذه الطريقة باعتبارها الطريقة الأكثر موثوقية في الوقت الحاضر ، ولكن عيوبها واضحة أيضًا.يتطلب اختبار البطارية خارج الخط ووقت اختبار طويل.بعد الاختبار ، يجب إعادة شحن البطارية.
(2) طريقة المقاومة الداخلية
يتم إجراء تقدير SOH من خلال إنشاء العلاقة بين المقاومة الداخلية و SOH.يظهر عدد كبير من الدراسات أن هناك علاقة مقابلة معينة بين المقاومة الداخلية للبطارية و SOH.مع زيادة وقت خدمة البطارية ، ستزداد المقاومة الداخلية للبطارية ، وستنخفض الطاقة المتاحة للبطارية في نفس الوقت.يتم تنفيذ تقدير SOH من خلال هذه النقطة.
هذه الطريقة لها أيضًا عيوب: أظهر عدد كبير من الدراسات أن المقاومة الداخلية الأومية للبطارية ستتغير بشكل كبير عندما تنخفض سعة البطارية إلى 70٪ - 80٪ الأصلية ، والتي قد تكون مختلفة تمامًا عن 80٪ العامة.في الوقت نفسه ، تبلغ المقاومة الداخلية للبطارية قيمة ملي أوم ، كما أن قياسها الدقيق عبر الإنترنت يمثل صعوبة أيضًا.
（3 طريقة المعاوقة الكهروكيميائية
هذه طريقة أكثر تعقيدًا.من خلال تطبيق إشارات جيبية متعددة بترددات مختلفة على البطارية ، ثم تحليل البيانات المجمعة وفقًا لنظرية الضبابية ، يمكننا الحصول على خصائص البطارية والتنبؤ بأداء البطارية الحالية.يتطلب استخدام هذه الطريقة الكثير من نظريات المعاوقة والمقاومة ذات الصلة بالطيف ، والمعدات باهظة الثمن ، لذلك لا يوصى بها في الوقت الحالي.
4. مقاومة البطارية الداخلية R
المقاومة الداخلية للبطارية صغيرة جدًا.عادة ما نحدده بالمللي أوم (م Ω).المقاومة الداخلية هي مؤشر تقني مهم لقياس أداء البطارية.في ظل الظروف العادية ، تتمتع البطارية ذات المقاومة الداخلية الصغيرة بقدرة تفريغ تيار عالية قوية ، والبطارية ذات المقاومة الداخلية الكبيرة لديها قدرة تفريغ ضعيفة.
تشمل المقاومة الداخلية للبطارية المقاومة الداخلية الأومية (R Ω) والمقاومة الداخلية للاستقطاب الكهروكيميائي (RE).بالنسبة لبطاريات الليثيوم أيون ، تشتمل المقاومة الأومية الداخلية (R Ω) للبطارية بشكل أساسي على المقاومة التي تشكلها المقاومة عندما تمر أيونات الليثيوم عبر الإلكتروليت ، ومقاومة الحجاب الحاجز ، والمقاومة عند واجهة القطب الكهربائي ومقاومة المجمع (رقائق ألومنيوم نحاسية ، قطب كهربائي) ، إلخ ؛تشمل مقاومة الاستقطاب الكهروكيميائي (RE) مقاومة الاستقطاب ومقاومة استقطاب التركيز في عملية إقحام أيون الليثيوم ، والاقحام وانتشار الأيونات ونقلها.
المقاومة الداخلية الأومية (R Ω) تخضع لقانون أوم ، والمقاومة الداخلية للاستقطاب الكهروكيميائي (RE) لا تخضع لقانون أوم.أنواع مختلفة من البطاريات لها مقاومة داخلية مختلفة.تختلف المقاومة الداخلية لنفس النوع من البطاريات أيضًا بسبب عدم تناسق الخصائص الكيميائية الداخلية.بالإضافة إلى ذلك ، ستتغير SOC و re وما إلى ذلك مع درجة حرارة البطارية (بالإضافة إلى SOC و re وما إلى ذلك).
في الوقت الحالي ، يشمل قياس المقاومة الداخلية للبطارية بشكل أساسي طريقة اختبار التيار المستمر وطريقة اختبار التيار المتردد ، والتي تقيس على التوالي المقاومة الداخلية للتيار المتردد والمقاومة الداخلية للبطارية.نظرًا للمقاومة الداخلية الصغيرة للبطارية ، عند قياس المقاومة الداخلية للتيار المستمر ، يتم إنشاء المقاومة الداخلية للاستقطاب بسبب استقطاب سعة القطب ، لذلك لا يمكن قياس قيمتها الحقيقية ؛يمكن أن يتجنب قياس المقاومة الداخلية للتيار المتردد تأثير المقاومة الداخلية للاستقطاب والحصول على القيمة الداخلية الحقيقية (المقاومة الداخلية الأومية بشكل أساسي).
طريقة قياس المقاومة الداخلية لتفريغ التيار المستمر: وفقًا للصيغة الفيزيائية R = Δ V / Δ 1. تسمح معدات الاختبار للبطارية بتمرير تيار مستمر كبير ثابت في وقت قصير (حاليًا ، يتم استخدام التيار الكبير 40a-80a بشكل عام ) ، قم بقياس تغير الجهد عند طرفي البطارية في هذا الوقت ، واحسب المقاومة الداخلية الحالية للبطارية وفقًا للصيغة.يتم التحكم في هذه الطريقة بشكل صحيح ويمكن التحكم في الدقة في حدود 0.1٪ ، ولكن لها أيضًا أوجه قصور واضحة: (1) يمكنها قياس البطاريات ذات السعة الكبيرة فقط ، ولا يمكن للبطاريات ذات السعة الصغيرة تحميل مثل هذا التيار الكبير ؛(2) عندما تمر البطارية عبر تيار كبير ، يحدث الاستقطاب داخل البطارية ، مما ينتج عنه مقاومة داخلية للاستقطاب.لذلك ، يجب أن يكون وقت القياس قصيرًا جدًا ، وإلا فسيكون خطأ قيمة المقاومة الداخلية المقاسة كبيرًا جدًا.
يستخدم اختبار المقاومة الداخلية للتيار المتردد بشكل عام أدوات اختبار خاصة ، ومبدأ طريقته على النحو التالي: باستخدام الخصائص التي تعادل البطارية مقاومة نشطة ، قم بتطبيق إشارة تيار متردد بتردد ثابت وتيار ثابت على البطارية (في الوقت الحالي ، تردد 1 كيلو هرتز و 50 مللي أمبير يتم استخدام تيار صغير بشكل عام) ، ثم أخذ عينات جهدها ، وتصحيحها بعد سلسلة من المعالجة مثل التصفية ، يتم حساب المقاومة الداخلية للبطارية من خلال دائرة مكبر التشغيل.تتميز طريقة اختبار المقاومة الداخلية للتيار المتردد بالخصائص التالية: (1) يمكنها قياس جميع البطاريات تقريبًا ، بما في ذلك البطاريات ذات السعة الصغيرة ، ولن تتسبب في تلف كبير للبطارية نفسها ؛(2) قد تتأثر الدقة بالتيار التموج / التوافقي ، الأمر الذي يتطلب قدرة عالية على مقاومة التداخل لدائرة أداة القياس ؛(3) تعذر القياس عبر الإنترنت في الوقت الفعلي.
5. اختبار معدل التفريغ الذاتي لبطارية الطاقة
يُعرف التفريغ الذاتي للبطارية أيضًا بسعة الاحتفاظ بالشحن.يشير إلى قدرة الاحتفاظ بالكهرباء المخزنة للبطارية في ظل ظروف بيئية معينة في حالة الدائرة المفتوحة (أو فقدان الطاقة الكيميائية الناجم عن التفاعل التلقائي الداخلي).بشكل عام ، يتأثر التفريغ الذاتي بشكل أساسي بعملية تصنيع البطاريات والمواد وظروف التخزين.
السعة الأولية = [- بعد سعة التفريغ × زمن الانتظار] × 100٪
بشكل عام ، كلما انخفضت درجة حرارة تخزين البطارية ، انخفض معدل التفريغ الذاتي.ومع ذلك ، تجدر الإشارة إلى أن درجة الحرارة المنخفضة جدًا أو العالية جدًا قد تتسبب في تلف البطارية وتجعلها غير صالحة للاستعمال.بشكل عام ، تتطلب البطاريات التقليدية نطاق درجة حرارة تخزين - 20 ~ 45 درجة مئوية.بعد شحن البطارية بالكامل ووضعها في دائرة مفتوحة لفترة من الوقت ، تصبح درجة معينة من التفريغ الذاتي ظاهرة طبيعية.بالمقارنة مع أنواع البطاريات الأخرى ، لا يزال معدل التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم أيون ضئيلًا ، ويمكن استرداد معظم فقد السعة ، والذي يتم تحديده من خلال هيكل بطارية الليثيوم أيون.ومع ذلك ، في ظل درجة الحرارة المحيطة غير المناسبة ، لا يزال معدل التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم مذهلاً ، مما سيكون له تأثير كبير على عمر خدمة البطارية.في الوقت نفسه ، يعد عدم اتساق التفريغ الذاتي للبطارية الفردية عاملاً مهمًا يؤثر على اتساق حزمة البطارية.الفرق في التفريغ الذاتي كبير ، وسوف ينعكس عدم تناسق البطارية بسرعة في عملية الاستخدام.
6. خصائص درجة الحرارة
تتأثر السعة والمقاومة الداخلية للشحن والتفريغ وفولطية الدائرة المفتوحة لبطارية الطاقة بدرجة الحرارة.
（1） درجة الحرارة المحيطة لها تأثير كبير على قدرة بطارية فوسفات الحديد الليثيوم.تتحلل السعة بسرعة عند درجة حرارة منخفضة وتزداد بسرعة عند ارتفاع درجة حرارة معينة ، ولكن معدل تغيرها أقل من ذلك عند درجة حرارة منخفضة.بعد نطاق معين ، تتحلل السعة مع زيادة درجة الحرارة.
（2 إن تأثير درجة الحرارة المحيطة على المقاومة الداخلية الأومية والمقاومة الداخلية الكلية للبطارية واضح.بشكل عام ، كلما انخفضت درجة الحرارة ، زادت المقاومة الداخلية.المقاومة الداخلية الأومية أكثر حساسية لدرجة الحرارة من المقاومة الداخلية للاستقطاب ، وتغير المقاومة الداخلية الأومية يكون أكثر حساسية لدرجة الحرارة المنخفضة.
（3 يختلف منحنى soc-ocv للبطارية اختلافًا بسيطًا في درجات الحرارة المختلفة.كلما انخفضت درجة الحرارة ، انخفض منحنى soc-ocv.وتكون سرعة انحراف المنحنى أكبر عند درجات الحرارة المنخفضة.
