Güç pilinin önemli parametrelerinin tanımı, ölçümü ve hesaplama yöntemi
bir Özet
Bu belge esas olarak dahili R&D personelinin pilin bazı önemli karakteristik parametrelerini ve ölçüm ve hesaplama yöntemlerini daha hızlı ve net bir şekilde anlaması.Esas olarak, güç pilinin şarj durumu SOC'sini, pil sağlık durumunu SOH'yi, dahili direnç R'yi vb. içerir.
Bu belge, esas olarak, güç pillerinin ulusal standartlarına ve endüstri standartlarına ve ayrıca İnternet'teki bazı yetkili bilgilere atıfta bulunur ve kendi iş deneyimleriyle birlikte derlenir.
2 Pil şarj durumunun SOC'si ve tahmin yöntemi
2.1 pilin SOC tanımı
Pilin SOC'si, ilk kapasitedeki (ulusal standart) mevcut mevcut kapasitenin yüzdesi olarak tanımlanan pilin kalan gücünü yansıtmak için kullanılır.
American Advanced Battery Association (usabc), elektrikli araç aküsü deney kılavuzunda SOC'yi şu şekilde tanımlar: aynı koşullar altında, belirtilen deşarj hızı altında kalan akü kapasitesinin nominal kapasiteye oranı.
SOC=QO/QN
Honda elektrikli araç (EV plus), SOC'yi şu şekilde tanımlar:
SOC = kalan kapasite / (nominal kapasite kapasite kapasite zayıflama faktörü)
Artık kapasite = nominal kapasite - net deşarj - kendi kendine deşarj - sıcaklık kompanzasyonu
Güç pilinin kalan gücü, elektrikli aracın sürüş menzilini ve sürüş performansını etkileyen ana faktördür.Doğru SOC tahmini, elektrikli aracın daha iyi sürülmesini sağlamak için pilin enerji verimliliğini artırabilir ve pilin hizmet ömrünü uzatabilir.Aynı zamanda SOC, pil şarj ve deşarj kontrolü ve pil dengesi için de önemli bir temeldir.
Pratik uygulamada, pilin iç ve dış sınırının (sıcaklık, ömür, vb.) etkileyen faktörleriyle birlikte voltaj ve akım gibi pilin ölçülebilir değerine göre pil SOC'sinin tahmin algoritmasını gerçekleştirmemiz gerekir.Bununla birlikte, SOC, iç çalışma ortamı ve dış etkenler nedeniyle doğrusal değildir, bu nedenle iyi bir SOC tahmin algoritması elde etmek için bu sorunların üstesinden gelinmelidir.Şu anda, yurtiçi ve yurtdışındaki pil SOC tahmini, amper saat yöntemi, iç direnç yöntemi, açık devre voltajı yöntemi ve benzeri gibi mühendisliğe kısmen gerçekleştirilmiş ve uygulanmıştır.Bu algoritmaların ortak özelliği, uygulanmasının kolay olmasıdır, ancak gerçek çalışma koşullarında iç ve dış etkileyen faktörlerin dikkate alınmaması, tahminin sürekli iyileştirilmesi için BMS gereksinimlerini karşılamak zor olan zayıf uyarlanabilirliğe yol açar. kesinlik.Bu nedenle, SOC'nin birçok faktörden etkilendiği düşünüldükten sonra, Kalman filtre algoritması, sinir ağı algoritması, bulanık tahmin algoritması ve diğer yeni algoritmalar gibi daha karmaşık algoritmalar önerilmiştir.Önceki geleneksel algoritmalarla karşılaştırıldığında, büyük miktarda hesaplamaya sahiptirler, ancak daha yüksek doğruluğa sahiptirler.Bunlar arasında Kalman filtresi, hesaplama doğruluğu ve uyarlanabilirlik açısından iyi bir performansa sahiptir.
iki nokta iki Birkaç SOC Tahmin Algoritmasının Tanıtımı
（1） Amper saat yöntemi
Akım entegrasyon yöntemi olarak da bilinen amper saat yöntemi, akü SOC'sinin hesaplanmasında da temel oluşturur.Mevcut pilin ilk SOC değerinin soc0 olduğunu varsayarsak, T-Süresi şarj veya deşarj olduktan sonra SOC:
Q0, pilin nominal kapasitesidir ve I (T) pil şarj ve deşarj akımıdır (deşarj pozitiftir).
Aslında SOC, pilin şarj durumu olarak tanımlanır ve pilin şarj durumu, pil akımının ayrılmaz bir parçasıdır, bu nedenle teorik olarak amper saat yöntemi en doğrudur.Aynı zamanda, fark edilmesi de kolaydır.Sadece pil şarj ve deşarj akımını ve süresini ölçmesi gerekir.Pratik mühendislik uygulamasında, ayrık hesaplama formülü aşağıdaki gibidir:
Pilin fiili çalışmasında, SOC'yi hesaplamak için amper saat yöntemi kullanılır.Ölçüm hatası ve gürültü girişim faktörleri ölçüm sonuçlarını etkileyecektir, bu nedenle SOC doğru bir şekilde tahmin edilemez (kendi kendine deşarj ve sıcaklık gibi faktörler dikkate alınmaz).Aynı zamanda akünün ilk SOC değeri amper saat yöntemi ile elde edilemez.Genellikle amper saat yöntemi, bir sonraki hesaplama için başlangıç değeri olarak son pil şarjı ve deşarjı tarafından tutulan SOC değerini kullanır, ancak bu, SOC hatasının sürekli olarak birikmesine neden olur.Bu nedenle, pratik mühendislikte, amper saat yöntemi genellikle diğer algoritmaların temeli olarak kullanılır veya tahmin için diğer algoritmalarla birleştirilir.
（2） Açık devre voltajı yöntemi
Lityum iyon pilin elektromotor kuvveti ile pilin SOC'si arasında belirli bir işlevsel ilişki vardır.Bu nedenle, açık devre voltajı ölçülerek pilin SOC değeri elde edilebilir.Açık devre voltaj yöntemi ile akü elektromotor kuvvetinin doğru değerini elde etmek için öncelikle akünün bir süre beklemesi gerekir.Bu durumda, açık devre voltajının (OCV) değeri, elektromotor kuvvet değerine eşit olarak kabul edilebilir.Bu şekilde pil elektromotor kuvveti elde edilebilir ve pilin SOC'si elde edilebilir.Lityum pil şarj ve deşarjının soc-ocv eğrisi deneylerle elde edilir ve daha sonra farklı açık devre voltajlarının SOC değerleri soc-ocv eğrisine göre sorgulanır.
Açık devre voltaj yöntemi, pil SOC'sinin gerçek zamanlı ölçümü için uygun olmayan dış faktörlerin neden olduğu hatayı ortadan kaldırmak için pilin bir süre hareketsiz kalmasını gerektirir.Ek olarak, orta bölümdeki pil SOC'sinin açık devre voltajının değişimi çok küçüktür, bu da orta SOC'nin büyük ölçüm ve tahmin hatasına neden olur.
（3） Kalman filtre yöntemi
Kalman filtre yöntemi, ölçülen değerleri işlemek ve sistem durumunun minimum hata tahminini elde etmek için sistem ve ölçüm dinamiği bilgisini, varsayılan sistem gürültüsü ve ölçüm hatasının istatistiksel özelliklerini ve başlangıç koşulları bilgilerini kullanır.Elektrikli araçlar için pil takımı, giriş ve çıkıştan oluşan dinamik bir sistem olarak kabul edilebilir.Sistemle ilgili bazı ön bilgilerin anlaşılması öncülüğünde, sistemin durum parametre denklemi kurulur ve daha sonra doğrudan ölçülemeyen şarj durumu da dahil olmak üzere sistemin dahili parametre tahmini doğrulama kullanılarak elde edilir. çıkışın işlevi.Batarya eşdeğer devre modeline veya elektrokimyasal modele göre sistemin durum denklemi ve ölçüm denklemi kurulur.Batarya paketinin deşarj test verilerine göre, batarya şarj durumu tahminini gerçekleştirmek için batarya paketinin açık devre voltajı Kalman filtre algoritması ile tahmin edilir.Avantajı, SOC'nin minimum varyans tahmininin, SOC başlangıç değerinin yanlış tahmini ve kümülatif hata problemlerini çözmek için toplanan voltaj ve akıma göre özyinelemeli yöntemle elde edilebilmesidir;Dezavantajı ise pil modeline oldukça bağımlı olması ve sistem işlemcisinin yüksek hızı gerektirmesidir.
3. Pil sağlık durumunun (soh) tanımı ve hesaplanması
3.1 pil sağlığı durumunun SOH tanımı
Pil SOH'nin standart tanımı, güç pilinin tam durumdan belirli bir oranda kesme voltajına serbest bıraktığı kapasitenin, standart koşullar altında karşılık gelen nominal kapasitesine (gerçek başlangıç kapasitesi) oranıdır.Bu oran, pilin sağlık durumunun bir yansımasıdır.
Kısacası, pilin belirli bir süre kullanıldıktan sonra doğrudan ölçülebilen veya dolaylı olarak hesaplanan bazı performans parametrelerinin gerçek değeri ile nominal değeri arasındaki oran, pil sağlığının düşmesinden sonraki durumu yargılamak ve sağlığını ölçmek için kullanılır. pil derecesi.Gerçek performansı, pilin içindeki bazı parametrelerin (iç direnç, kapasite vb.) değişmesidir.Bu nedenle, pil karakteristik miktarına göre pil sağlığı durumunu SOH'yi tanımlamanın birkaç yöntemi vardır:
（1） SOH'yi kalan pil kapasitesi açısından tanımlayın:
SOH=Qaged/Qnew
qaged, pilin maksimum kullanılabilir gücü ve qnew, pil kullanımda değilken maksimum güçtür.
（2） SOH'yi pil kapasitesi açısından tanımlayın:
SOH=CM/CN
Burada cm, pilin ölçülen mevcut kapasitesi ve cn, pilin nominal kapasitesidir.
(3) SOH'yi pil iç direnci açısından tanımlayın:
SOH=(REOL-R)/(REOL-Yeni)
Bunlardan reol, pilin hizmet ömrünün sonundaki iç direnci, RNew, pilin fabrikadan çıktığı andaki iç direnci ve R, pilin mevcut durumundaki iç direncidir.
Not: Kalan pil kapasitesinden veya pil kapasitesinden SOH'yi tanımlamak için yukarıdaki formül, SOH'nin gerçek hesaplama formülü değil, bir tanımlama yöntemidir, yani bu tanımlama yönteminin gerçek SOH'ye karşılık gelen benzersiz bir karşılık gelen işlevi vardır.Örneğin, tek pilin kapasitesine bağlı olarak, SOH aslında aşağıdaki formülle hesaplanabilir:
SOH=(CM-CEOL)/(CN-CEOL)
Burada ceol, sabit olan pil ömrünün (hurdaya çıkarma) sonundaki kapasitedir.Yukarıdaki SOH'nin hesaplama formülü aslında (2)'deki tanıma eşdeğerdir.Aşağıdaki basit bir türetmedir:
Tanımda SOH = cm / CN = x, hesaplama formülünde SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y olsun, ceol = PCN varsayarak, sonra y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p), yani y, X ile ilgili bir fonksiyondur (doğrusal ilişki), burada p bir sabittir.
3.2 birkaç yaygın SOH tahmin yöntemi
(1) Tam deşarj yöntemi
Tam deşarj testi, pilin tam deşarj döngüsünü gerektirir ve daha sonra deşarj kapasitesi test edilir ve yeni pilin nominal kapasitesi ile karşılaştırılır.Bu yöntem şu anda en güvenilir yöntem olarak kabul edilmektedir, ancak dezavantajları da açıktır.Çevrimdışı pil testi ve uzun test süresi gerektirir.Testten sonra pilin yeniden şarj edilmesi gerekir.
(2) İç direnç yöntemi
SOH tahmini, iç direnç ile SOH arasındaki ilişki kurularak gerçekleştirilir.Çok sayıda çalışma, pilin iç direnci ile SOH arasında belirli bir karşılık gelen ilişki olduğunu göstermektedir.Batarya servis süresinin artmasıyla bataryanın iç direnci artacak ve aynı zamanda bataryanın kullanılabilir gücü azalacaktır.SOH tahmini bu noktadan yapılır.
Bu yöntemin dezavantajları da vardır: çok sayıda çalışma, pil kapasitesi orijinal %70 - %80'e düştüğünde pilin omik iç direncinin önemli ölçüde değişeceğini göstermiştir ki bu genel %80'den oldukça farklı olabilir.Aynı zamanda pilin iç direnci bir miliohm değerindedir ve çevrim içi doğru ölçümü de bir zorluktur.
（3） Elektrokimyasal empedans yöntemi
Bu daha karmaşık bir yöntemdir.Bataryaya farklı frekanslarda çoklu sinüsoidal sinyaller uygulayarak ve ardından toplanan verileri bulanık teoriye göre analiz ederek bataryanın özelliklerini elde edebilir ve mevcut bataryanın performansını tahmin edebiliriz.Bu yöntemi kullanmak, empedans ve empedans spektrumu ile ilgili çok fazla teori ve pahalı ekipman gerektirir, bu nedenle şu an için önerilmemektedir.
4. Pil iç direnci R
Pilin iç direnci çok küçüktür.Genellikle miliohm (m Ω) cinsinden tanımlarız.İç direnç, pil performansını ölçmek için önemli bir teknik indekstir.Normal şartlar altında, küçük iç dirence sahip pil, güçlü yüksek akım deşarj kapasitesine sahiptir ve büyük iç dirence sahip pil, zayıf deşarj kapasitesine sahiptir.
Pilin iç direnci, ohmik iç direnci (R Ω) ve elektrokimyasal polarizasyon iç direncini (RE) içerir.Lityum iyon piller için, pilin omik iç direnci (R Ω) esas olarak lityum iyonları elektrolitten geçerken oluşan direnci, diyafram direncini, elektrolit elektrot arayüzündeki direnci ve kollektörün direncini içerir. (bakır alüminyum folyo, elektrot), vb;Elektrokimyasal polarizasyon direnci (RE), lityum iyon interkalasyonu, de interkalasyon ve iyon difüzyonu ve transferi sürecinde polarizasyon direncini ve konsantrasyon polarizasyon direncini içerir.
Ohmik iç direnç (R Ω) Ohm yasasına uyar ve elektrokimyasal polarizasyon iç direnci (RE) Ohm yasasına uymaz.Farklı pil türleri farklı iç dirence sahiptir.Aynı tip pilin iç direnci, iç kimyasal özelliklerin tutarsızlığı nedeniyle de farklıdır.Ek olarak, SOC, re vb. pilin sıcaklığı ile değişecektir (ayrıca, SOC, re vb.).
Şu anda, pil iç direncinin ölçümü esas olarak, sırasıyla pilin AC iç direncini ve DC iç direncini ölçen DC test yöntemini ve AC test yöntemini içerir.Pilin küçük iç direnci nedeniyle, DC iç direnci ölçülürken, elektrot kapasitesinin polarizasyonu nedeniyle polarizasyon iç direnci üretilir, bu nedenle gerçek değeri ölçülemez;AC iç direncinin ölçümü, polarizasyon iç direncinin etkisini önleyebilir ve gerçek iç değeri (esas olarak omik iç direnç) elde edebilir.
DC deşarj dahili direnç ölçüm yöntemi: R= Δ V/ Δ 1 fiziksel formülüne göre Test ekipmanı, pilin kısa sürede büyük bir sabit DC akımı geçmesine izin verir (şu anda, genellikle 40a-80a'lık büyük akım kullanılır) ), o anda akünün her iki ucundaki voltaj değişimini ölçün ve akünün mevcut iç direncini formüle göre hesaplayın.Bu yöntem düzgün bir şekilde kontrol edilir ve doğruluk %0,1 içinde kontrol edilebilir, ancak aynı zamanda bariz eksiklikleri vardır: (1) sadece büyük kapasiteli pilleri ölçebilir ve küçük kapasiteli piller bu kadar büyük bir akımı yükleyemez;(2) Pil büyük bir akımdan geçtiğinde, pilin içinde polarizasyon meydana gelir ve bu da polarizasyon iç direncine neden olur.Bu nedenle, ölçüm süresi çok kısa olmalıdır, aksi takdirde ölçülen iç direnç değerinin hatası çok büyüktür.
AC dahili direnç testi genellikle özel test cihazları kullanır ve yöntem prensibi şu şekildedir: pilin aktif bir dirence eşdeğer olduğu özelliklerini kullanarak, pile sabit frekanslı ve sabit akımlı bir AC sinyali uygulayın (şu anda 1kHz frekans). ve 50mA küçük akım genellikle kullanılır) ve daha sonra voltajını örnekleyin, düzeltin Filtreleme gibi bir dizi işlemden sonra, pilin iç direnci operasyonel amplifikatör devresi aracılığıyla hesaplanır.AC dahili direnç testi yöntemi aşağıdaki özelliklere sahiptir: (1) küçük kapasiteli piller dahil hemen hemen tüm pilleri ölçebilir ve pilin kendisine çok fazla zarar vermez;(2) Doğruluk, ölçüm cihazı devresinin yüksek anti-parazit yeteneği gerektiren dalgalanma / harmonik akım tarafından bozulabilir;(3) Gerçek zamanlı olarak çevrimiçi ölçüm yapılamıyor.
5. Güç pilinin kendi kendine deşarj oranı testi
Pilin kendi kendine deşarj olması, şarj tutma kapasitesi olarak da bilinir.Açık devre durumunda (veya dahili kendiliğinden reaksiyonun neden olduğu kimyasal enerji kaybı) belirli çevresel koşullar altında pilin depolanan elektriğinin tutma kapasitesini ifade eder.Genel olarak konuşursak, kendi kendine deşarj esas olarak pil üretim sürecinden, malzemelerden ve depolama koşullarından etkilenir.
Başlangıç kapasitesi = [- boşaltma kapasitesinden sonra × Tutma süresi] × %100
Genel olarak, pilin saklama sıcaklığı ne kadar düşükse, kendi kendine deşarj oranı o kadar düşük olur.Ancak, çok düşük veya çok yüksek sıcaklığın pile zarar verebileceği ve pili kullanılamaz hale getirebileceği unutulmamalıdır.Genel olarak konuşursak, geleneksel piller - 20 ~ 45 ℃ depolama sıcaklığı aralığı gerektirir.Pil tamamen şarj edildikten ve bir süre açık devreye yerleştirildikten sonra, belirli bir dereceye kadar kendi kendine deşarj normal bir olgudur.Diğer pil türleri ile karşılaştırıldığında, lityum iyon pilin kendi kendine deşarj oranı hala önemsizdir ve lityum iyon pilin yapısı tarafından belirlenen kapasite kaybının çoğu geri kazanılabilir.Bununla birlikte, uygun olmayan ortam sıcaklığında, lityum pilin kendi kendine deşarj oranı hala şaşırtıcıdır ve bu, pilin hizmet ömrü üzerinde büyük bir etkiye sahip olacaktır.Aynı zamanda, tek pilin kendi kendine deşarj olma tutarsızlığı, pil paketinin tutarlılığını etkileyen önemli bir faktördür.Kendi kendine deşarj farkı büyüktür ve pilin tutarsızlığı kullanım sürecinde hızlı bir şekilde yansıtılacaktır.
6. Sıcaklık özellikleri
Güç pilinin kapasitesi, şarj ve deşarj iç direnci ve açık devre voltajı sıcaklıktan etkilenir.
（1） Ortam sıcaklığının lityum demir fosfat pilin kapasitesi üzerinde büyük etkisi vardır.Kapasite, düşük sıcaklıkta hızla azalır ve belirli bir sıcaklık artışında hızla artar, ancak değişim hızı düşük sıcaklıkta olduğundan daha azdır.Belirli bir aralığın ötesinde, kapasite sıcaklığın artmasıyla azalır.
（2） Ortam sıcaklığının pilin omik iç direnci ve toplam iç direnci üzerindeki etkisi açıktır.Genel olarak, sıcaklık ne kadar düşükse, iç direnç o kadar büyük olur.Ohmik iç direnç sıcaklığa karşı polarizasyon iç direncinden daha duyarlıdır ve ohmik iç direncin değişimi düşük sıcaklığa daha duyarlıdır.
（3） Pilin soc-ocv eğrisi, farklı sıcaklıklarda çok az farklılık gösterir.Sıcaklık ne kadar düşük olursa, soc-ocv eğrisi o kadar düşük olur.Ve eğrinin sapma hızı düşük sıcaklıkta daha fazladır.
