Définition, mesure et méthode de calcul de paramètres importants de batterie de puissance
un résumé
Ce document est principalement préparé pour faciliter le personnel interne de R&D de la société comprendre à plus rapidement et clairement quelques paramètres caractéristiques importants de la batterie et de ses méthodes de mesure et de calcul. Il inclut principalement l'état SOC de charge de l'état SOH de batterie de puissance, de santé de batterie, de la résistance interne R, etc.
Ce document se rapporte principalement aux normes et aux standards de l'industrie nationaux des batteries de puissance, aussi bien qu'à de l'information bien fondée sur l'Internet, et est compilé en combination avec leur propre expérience professionnelle.
deux SOC d'état de batterie de charge et de sa méthode d'évaluation
définition 2,1 de SOC de batterie
Le SOC de la batterie est employé pour refléter la puissance restante de la batterie, qui est définie comme pourcentage de la capacité disponible actuelle dans la capacité initiale (norme nationale).
L'association avancée américaine de batterie (usabc) définit le SOC du manuel d'expérience de batterie de véhicule électrique comme suit : le rapport de la capacité restante de batterie à la capacité évaluée dans les mêmes conditions sous le taux spécifique de décharge.
SOC=QO/QN
Le véhicule électrique de Honda (EV plus) définit le SOC comme suit :
SOC = capacité résiduelle/(facteur d'atténuation évalué de capacité de capacité de capacité)
Où capacité résiduelle = capacité évaluée - décharge nette - décharge spontanée - compensation de température
La puissance restante de la batterie de puissance est le facteur principal affectant le champ d'exercice et conduisant des performances du véhicule électrique. L'évaluation précise de SOC peut améliorer le rendement énergétique de la batterie et prolonger la durée de vie de la batterie, afin d'assurer l'entraînement meilleur du véhicule électrique. En même temps, le SOC sert également de base importante à l'équilibre de charge de batterie et de contrôle et de batterie de décharge.
Dans l'application pratique, nous devons réaliser l'algorithme d'évaluation de la batterie SOC selon la valeur mesurable de la batterie, telle que la tension et actuel, combiné avec les facteurs de influence de la batterie internes et la frontière externe (la température, la vie, etc.). Cependant, le SOC est dû non linéaire à son environnement de travail interne et facteurs externes, ainsi ces problèmes doivent être surmontés afin de réaliser un bon algorithme d'évaluation de SOC. Actuellement, l'évaluation de la batterie SOC ici et ailleurs a été partiellement réalisée et appliquée à machiner, telle que la méthode d'ampèreheure, la méthode de résistance interne, méthode de tension de circuit ouvert et ainsi de suite. Le trait commun de ces algorithmes est qu'il est facile les mettre en application, mais le manque de considération des facteurs de influence internes et externes en conditions de travail réelles mène à l'adaptabilité pauvre, qui est difficile de répondre aux exigences de BMS pour l'amélioration continue de l'exactitude d'évaluation. Par conséquent, après avoir considéré que le SOC est affecté par beaucoup de facteurs, on propose encore plus d'algorithmes complexes, comme l'algorithme de filtre de Kalman, l'algorithme de réseau neurologique, l'algorithme brouillé d'évaluation et d'autres nouveaux algorithmes. Comparé aux algorithmes traditionnels précédents, ils ont un grand nombre de calcul, mais de grande précision. Parmi eux, le filtre de Kalman a une bonne interprétation dans l'exactitude et l'adaptabilité de calcul.
deux introduction du point deux de plusieurs algorithmes d'évaluation de SOC
(1) méthode d'ampèreheure
La méthode d'ampèreheure, également connue sous le nom de méthode actuelle d'intégration, sert également de base à calculer la batterie SOC. Que la valeur initiale de SOC de la batterie actuelle est soc0 supposant, après le remplissage T fois ou la décharge, le SOC est :
Q0 est la capacité évaluée de la batterie, et je (t) est la charge de batterie et dérivé (la décharge est positive).
En fait, le SOC est défini comme état de charge de la batterie, et l'état de charge de la batterie est l'intégrale du courant de batterie, ainsi dans la théorie, la méthode d'ampèreheure est la plus précise. En même temps, il est également facile de réaliser. Il doit seulement mesurer le chargement de batterie et le courant dérivé et le temps. Dans l'application de construction pratique, la formule discrète de calcul est comme suit :
Dans le travail réel de la batterie, la méthode d'ampèreheure est employée pour calculer le SOC. Les facteurs d'interférence d'erreur de mesure et de bruit affecteront les résultats de mesure, ainsi le SOC ne peut pas être estimé correctement (des facteurs tels que la décharge spontanée et la température ne sont pas considérés). En même temps, la valeur initiale de SOC de la batterie ne peut pas être obtenue par la méthode d'ampèreheure. Habituellement, la méthode d'ampèreheure emploie la valeur de SOC maintenue par la dernières charge et décharge de batterie comme valeur initiale pour le prochain calcul, mais ceci fera l'erreur de SOC s'accumuler sans interruption. Par conséquent, dans l'ingénierie pratique, la méthode d'ampèreheure est généralement employée comme base d'autres algorithmes ou combinée avec d'autres algorithmes pour l'évaluation.
(2) méthode de tension de circuit ouvert
Il y a de certaines relations fonctionnelles entre la force électromotrice de la batterie lithium-ion et le SOC de la batterie. Par conséquent, la valeur de SOC de la batterie peut être obtenue en mesurant la tension de circuit ouvert. Afin d'obtenir la valeur précise de la force électromotrice de batterie par la méthode de tension de circuit ouvert, d'abord, la batterie doit représenter une période. Actuellement, la valeur de la tension de circuit ouvert (OCV) peut être considérée égale à sa valeur de force électromotrice. De cette façon, la force électromotrice de batterie peut être obtenue et le SOC de la batterie peut être obtenu. La courbe soc-ocv de la charge et de la décharge de batterie au lithium est obtenue par des expériences, et alors les valeurs de SOC de différentes tensions de circuit ouvert sont questionnées selon la courbe soc-ocv.
La méthode de tension de circuit ouvert exige de la batterie de représenter toujours une période d'éliminer l'erreur provoquée par des facteurs externes, qui n'est pas appropriée à la mesure en temps réel de la batterie SOC. En outre, le changement de la tension de circuit ouvert de la batterie SOC de la section centrale est très petit, ayant pour résultat la grandes mesure et erreur d'évaluation du SOC moyen.
(3) méthode de filtre de Kalman
La méthode de filtre de Kalman emploie la connaissance de la dynamique de système et de mesure, les caractéristiques statistiques du bruit et de l'erreur de mesure assumés de système, et l'information des conditions initiales pour traiter les valeurs mesurées et pour obtenir l'évaluation minimum des erreurs de l'état du système. Le paquet de batterie pour le véhicule électrique peut être considéré comme un système dynamique composé d'entrée et sortie. Sur les lieux de comprendre de la connaissance antérieure du système, l'équation de paramètre d'état du système est établie, et puis l'évaluation interne de paramètre du système, y compris l'état de charge, qui ne peut pas être mesuré directement, est obtenue à l'aide de la fonction de vérification de la sortie. Basé sur le modèle modèle ou électrochimique de circuit équivalent de batterie, l'équation d'état et l'équation de mesure du système sont établies. Selon les essais de décharge du paquet de batterie, la tension de circuit ouvert du paquet de batterie est estimée par algorithme de filtre de Kalman pour réaliser l'évaluation de l'état de batterie de charge. Son avantage est que l'évaluation de désaccord minimum du SOC peut être obtenue par la méthode récursive selon la tension rassemblée et actuel, afin de résoudre les problèmes de l'évaluation inexacte de la valeur initiale de SOC et de l'erreur cumulée ; L'inconvénient est qu'il dépend fortement du modèle de batterie et exige la grande vitesse du processeur de système.
3. Définition et calcul d'état de santé de batterie (soh)
définition 3,1 de l'état SOH de santé de batterie
La définition standard de la batterie SOH est le rapport de la capacité libérée par la batterie de puissance du plein état à la tension de coupure à un certain taux dans des conditions standard à sa capacité nominale correspondante (capacité initiale réelle). Ce rapport est une réflexion de l'état de santé de la batterie.
En bref, le rapport à la valeur réelle de la valeur nominale de quelques paramètres d'optimisation du traitement directement mesurables ou indirectement calculés après que la batterie soit utilisée pendant une période, qui est employé pour juger l'état après la baisse de la santé de batterie et pour mesurer le degré de santé de la batterie. Sa performance réelle est le changement de quelques paramètres à l'intérieur de la batterie (telle que la résistance interne, la capacité, etc.). Par conséquent, il y a plusieurs méthodes pour définir l'état SOH de santé de batterie selon la quantité caractéristique de batterie :
(1) définissent SOH de la perspective de la capacité demeurante de batterie :
SOH=Qaged/Qnew
Où qaged la puissance disponible maximum de la batterie et le qnew est la puissance maximum quand la batterie est non utilisable.
(2) définissent SOH de la perspective de la capacité de batterie :
SOH=CM/CN
Là où le cm est la capacité mesurée actuelle de la batterie et de la NC est la capacité nominale de la batterie.
(3) définissent SOH de la perspective de la résistance interne de batterie :
SOH=) (de REOL-R/(REOL-Rnew)
Parmi eux, le reol est la résistance interne de la batterie à la fin de sa durée de vie, RNew est la résistance interne de la batterie quand il quitte l'usine, et R est la résistance interne de la batterie dans son état actuel.
Note : la formule ci-dessus pour définir SOH de la capacité restante de batterie ou de capacité de batterie n'est pas la formule réelle de calcul de SOH, mais une méthode de définition, c.-à-d., cette méthode de définition a une fonction correspondante unique à correspondre au SOH réel. Par exemple, basé sur la capacité de batterie simple, SOH peut être calculé réellement par la formule suivante :
SOH=) (DE CM-CEOL/(CN-CEOL)
Là où le ceol est la capacité à la fin de la vie de batterie (mise au rebut), qui est une constante. La formule de calcul de SOH ci-dessus est réellement équivalente à la définition en (2). Ce qui suit est une dérivation simple :
Laissé SOH = cm/NC = x dans définition, SOH = (cm-ceol)/(NC-ceol) = y dans calcul formule, supposant ceol = PCN, puis y = (xcn-pcn)/(NC - PCN) =) (de X-P/(1-p), c.-à-d., y est une fonction (relations linéaires) au sujet de X, où p est une constante.
3,2 plusieurs méthodes communes d'évaluation de SOH
(1) méthode complète de décharge
Le plein essai de décharge exige un plein cycle de décharge de la batterie, et la capacité de décharge est examinée et alors comparée à la capacité nominale de la nouvelle batterie. Cette méthode est identifiée comme méthode la plus fiable actuellement, mais ses inconvénients sont également évidents. Elle a besoin de l'essai en différé de batterie et le long temps d'essai. Après l'essai, la batterie doit être rechargée.
(2) méthode de résistance interne
L'évaluation de SOH est effectuée en établissant les relations entre la résistance interne et le SOH. Un grand nombre d'études prouvent qu'il y a de certaines relations correspondantes entre la résistance interne de batterie et le SOH. Avec l'augmentation du temps de service de batterie, la résistance interne de la batterie augmentera, et la puissance disponible de la batterie diminuera en même temps. L'évaluation de SOH est effectuée par ce point.
Cette méthode a également des inconvénients : un grand nombre d'études ont prouvé que la résistance interne ohmique de la batterie changera de manière significative quand les diminutions de capacité de batterie en 70% - 80% originaux, qui peuvent être très différents du 80% général. En même temps, la résistance interne de la batterie est une valeur de milliohm, et sa mesure précise en ligne est également une difficulté.
(3) méthode électrochimique d'impédance
C'est une méthode plus complexe. En appliquant les signaux sinusoïdaux multiples avec différentes fréquences à la batterie, et puis en analysant les données rassemblées selon la théorie brouillée, nous pouvons obtenir les caractéristiques de la batterie et prévoir les performances de la batterie actuelle. Suivre cette méthode exige beaucoup d'impédance et le spectre d'impédance a rapporté les théories, et l'équipement cher, ainsi on ne lui recommande pas pour l'instant.
4. Résistance interne R de batterie
La résistance interne de la batterie est très petite. Nous la définissons habituellement dans le milliohm (m Ω). La résistance interne est un index technique important pour mesurer des performances de batterie. Dans des circonstances normales, la batterie avec la petite résistance interne a la capacité à forte intensité forte de décharge, et la batterie avec la grande résistance interne a la capacité faible de décharge.
La résistance interne de la batterie inclut la résistance interne ohmique (R Ω) et la résistance interne de polarisation électrochimique (RE). Pour des batteries lithium-ion, la résistance interne ohmique (R Ω) de la batterie inclut principalement la résistance constituée par la résistance quand les ions de lithium traversent l'électrolyte, la résistance de diaphragme, la résistance à l'interface d'électrode d'électrolyte et la résistance du collecteur (papier d'aluminium, électrode de cuivre), etc. ; La résistance de polarisation électrochimique (RE) inclut la résistance de polarisation et la résistance de polarisation de concentration en cours d'intercalation d'ion de lithium, de intercalation et diffusion et transfert d'ion.
La résistance interne ohmique (R Ω) obéit la loi d'ohm, et la polarisation électrochimique la résistance qu'interne (RE) ne se conforme pas à la loi d'ohm. Les différents types de batteries ont la résistance interne différente. La résistance interne du même type de batterie est également différent due à la contradiction des caractéristiques chimiques internes. En outre, le SOC, Re et ainsi de suite changera avec la température de la batterie (en outre, SOC, au sujet d'et ainsi de suite).
Actuellement, la mesure de la résistance interne de batterie inclut principalement la méthode de méthode d'essai de C.C et d'essai à C.A., qui mesure respectivement la résistance interne à C.A. et la résistance interne de C.C de la batterie. En raison de la petite résistance interne de la batterie, en mesurant la résistance interne de C.C, la résistance interne de polarisation est due produit à la polarisation de la capacité d'électrode, ainsi de sa valeur vrai ne peut pas être mesuré ; La mesure de la résistance interne à C.A. peut éviter l'influence de la résistance interne de polarisation et obtenir la valeur interne réelle (principalement résistance interne ohmique).
Méthode de mesure de résistance interne de décharge de C.C : selon la formule physique R= Δ V Δ 1. L'équipement de test permet à la batterie de passer un grand courant constant de C.C en peu de temps (actuellement, le grand courant de 40a-80a est généralement employé), la mesure le changement de tension aux deux extrémités de la batterie actuellement, et calcule la résistance interne actuelle de la batterie selon la formule. Cette méthode est correctement commandée et l'exactitude peut être commandée à moins de 0,1%, mais elle a également des points faibles évidents : (1) elle peut seulement mesurer des batteries de grande capacité, et les batteries de petite capacité ne peuvent pas charger un si grand courant ; (2) quand la batterie traverse un grand courant, la polarisation se produit à l'intérieur de la batterie, ayant pour résultat la résistance interne de polarisation. Par conséquent, le temps de mesure doit être très short, autrement l'erreur de la valeur mesurée de résistance interne est très grande.
L'essai de résistance interne à C.A. utilise généralement les instruments spéciaux d'essai, et son principe de méthode est comme suit : utilisant les caractéristiques que la batterie est équivalente à une résistance active, appliquez un signal à C.A. avec le courant à frèquence fixe et fixe à la batterie (actuellement, la fréquence 1kHz et le petit courant 50mA sont généralement employés), et puis prélevez sa tension, rectifient après une série de traitement tel que le filtrage, la résistance interne de la batterie est calculé par le circuit d'amplificateur opérationnel. La méthode d'essai de résistance interne à C.A. a les caractéristiques suivantes : (1) elle peut mesurer presque toutes les batteries, y compris les batteries de petite capacité, et n'endommagera pas trop de la batterie elle-même ; (2) l'exactitude peut être troublée par l'ondulation/courant harmonique, qui exige la capacité anti-parasitage élevée du circuit d'instrument de mesure ; (3) incapable de mesurer en ligne en temps réel.
5. Essai de taux de décharge spontanée de batterie de puissance
La décharge spontanée de la batterie est également connue comme capacité de participation de charge. Elle se rapporte à la capacité se tenante de l'électricité stockée de la batterie dans certaines conditions environnementales dans l'état de circuit ouvert (ou de la perte d'énergie chimique provoquée par la réaction spontanée interne). D'une façon générale, la décharge spontanée est principalement affectée par processus de fabrication de batterie, matériaux et conditions de stockage.
Capacité initiale = [- après temps de prise de × de capacité de décharge] × 100%
Généralement, plus la température de stockage de la batterie est basse, plus le taux de décharge spontanée est inférieur. Cependant, il convient noter que si bas ou trop la haute température peut endommager la batterie et lui faire inutilisable. D'une façon générale, les batteries conventionnelles exigent une température ambiante de température de stockage - de 20 | ℃ 45. Après que la batterie soit entièrement chargée et placée dans le circuit ouvert pendant une période, un certain degré de décharge spontanée est un phénomène normal. Comparé à d'autres types de batteries, le taux de décharge spontanée de batterie lithium-ion est encore insignifiant, et la majeure partie de la perte de capacité peut être récupérée, qui est déterminée par la structure de la batterie lithium-ion. Cependant, sous la température ambiante inadéquate, le taux de décharge spontanée de batterie au lithium stupéfie toujours, qui aura un grand impact la durée de vie de la batterie. En même temps, la contradiction de la décharge spontanée de la batterie simple est un facteur important affectant la cohérence du paquet de batterie. La différence de la décharge spontanée est grande, et la contradiction de la batterie sera reflétée rapidement en cours d'utilisation.
6. Caractéristiques de la température
La capacité, la résistance interne de la charge et de la décharge et la tension de circuit ouvert de la batterie de puissance sont affectées par la température.
(1) la température ambiante a une grande influence sur la capacité de batterie de phosphate de fer de lithium. La capacité se délabre rapidement à la basse température et augmente rapidement à une certaine hausse de la température, mais son taux de changement est inférieur cela à la basse température. Au delà d'une certaine gamme, la capacité se délabre avec l'augmentation de la température.
(2) l'influence de la température ambiante sur la résistance interne ohmique et la résistance interne totale de la batterie est évidente. Généralement, plus la température est basse, plus la résistance interne est grande. La résistance interne ohmique est plus sensible à la température que la résistance interne de polarisation, et le changement de la résistance interne ohmique est plus sensible à la basse température.
(3) la courbe soc-ocv de la batterie a peu de différence aux différentes températures. Plus la température est basse, plus la courbe soc-ocv est inférieure. Et la vitesse de déviation de la courbe est plus grande à la basse température.
