Dyness Knowledge | Análisis del concepto SOC de una batería de litio

Resumen: Las baterías de iones de litio se promueven y utilizan cada vez más en la vida moderna. El estado de carga (SOC) de una batería de litio es equivalente al tanque de combustible de un automóvil. Recuerde siempre al usuario cuánta energía está disponible actualmente, por ejemplo, el 100% de energía es igual a un tanque de gasolina lleno. 0% significa que la batería está agotada, es decir, no hay gasolina en el tanque de combustible.

La medición científica, eficiente y relativamente precisa del SOC de las baterías de litio no solo tiene métodos de medición científicos, sino que también requiere algoritmos de software avanzados como garantía necesaria para que las empresas de baterías obtengan valores en tiempo real. Esto requiere que los fabricantes de baterías mejoren y actualicen continuamente el algoritmo de su sistema de gestión de baterías (BMS) para que los usuarios puedan obtener información de energía relativamente precisa y comprender el estado de salud de la batería durante el uso. Al escribir el programa correspondiente en el sistema BMS con anticipación, el valor SOC se calcula mediante el método de voltaje, el método de medición del filtro Kalman o el método de conteo de Coulomb.

1. Las baterías de iones de litio son esenciales en nuestra vida cotidiana, alimentando dispositivos electrónicos de consumo, desde teléfonos inteligentes hasta automóviles eléctricos.

El SOC es uno de los indicadores importantes del rendimiento y la vida útil de la batería. El SOC se define como la capacidad disponible [en (Ah-Ampere hora)] y se expresa como un porcentaje de su capacidad nominal. El parámetro SOC puede considerarse una cantidad termodinámica que permite evaluar la energía potencial de la batería. También es importante estimar el estado de salud de la batería (SOH), que representa una medida de la capacidad de una batería para almacenar y entregar energía eléctrica en comparación con una batería nueva (Ghazel, 2017).

Si una batería se descarga demasiado o se carga con demasiada frecuencia, puede afectar su estado general y acortar su vida útil. Mantener el SOC dentro de un rango seguro es especialmente importante para garantizar la vida útil de la batería y un rendimiento óptimo. En general, se recomienda mantener el SOC entre el 20 % y el 80 %. Cualquier valor por debajo del 20 % o por encima del 80 % puede estresar la batería y acortar su vida útil general. Algunos fabricantes internacionales lo indican en la columna de batería de sus productos electrónicos de consumo. Cuando se desea mantener el SOC en este rango, se debe mantener la actividad de los iones de litio en la batería tanto como sea posible y se debe extender la vida útil de la batería tanto como sea posible.

2. La medición del SOC se puede dividir en el algoritmo basado en el modelo de medición o el método de medición basado en el rendimiento de carga y descarga de la batería y el voltaje del cuerpo de la batería para obtener el valor. Es solo que existen diferencias y énfasis entre los tres. Por lo tanto, los valores de SOC calculados por los tres métodos también tienen desviaciones relativas.

3. Conteo de Coulomb

También conocido como conteo de amperios-hora e integración de corriente. Cuando la batería se está cargando y descargando, el SOC se estima acumulando la electricidad cargada y descargada. El método de cálculo es el siguiente:

C(max): capacidad (máxima) de la batería; I(ahora) corriente (A); t: tiempo

Las desventajas de este método de medición son: 1. Los errores son causados por el muestreo de corriente. 2. El error causado por el cambio de capacidad de la batería. 3. Los errores causados por la estimación y selección de los valores inicial y final del SOC, que a su vez afectan el cálculo del valor general.

Este método solo registra de manera aproximada la cantidad de electricidad que entra y sale de la batería desde el exterior, pero ignora la atenuación causada por el reemplazo de iones de litio dentro de la batería, así como la generación de dendritas de litio y otras variables que afectan el cálculo del SOC de la batería "de adentro hacia afuera". Y el error solo se hará cada vez más grande a medida que pasa el tiempo. Debido a esta desventaja, las compañías de baterías deben actualizar continuamente su BMS para reducir los errores.

4. Método de voltaje de circuito abierto

El SOC de una batería, o su capacidad restante, se puede determinar mediante una prueba de descarga en condiciones controladas. Este algoritmo utiliza la curva de descarga conocida de la batería (voltaje vs. SOC) para convertir una lectura de voltaje de la batería en un valor SOC equivalente. Sin embargo, el voltaje se ve más afectado por la corriente de la batería debido a la cinética electroquímica y la temperatura de la batería. Este método se puede hacer más preciso compensando la lectura de voltaje con un término de corrección proporcional a la corriente de la batería y utilizando una tabla de búsqueda del voltaje del circuito de la pluma de la batería (OCV) y la temperatura. Las baterías requieren un rango de voltaje estable, lo que hace que el enfoque del voltaje sea difícil de implementar. Además, las pruebas de descarga a menudo implican una carga continua, lo que hace que la mayoría de las aplicaciones requieran mucho tiempo.

Además, la curva del voltaje de circuito abierto de la batería de fosfato de hierro y litio entre el 30% y el 80% es casi una línea recta, y es más difícil encontrar el valor correspondiente. Por lo tanto, este método es más adecuado para el caso en el que la batería se ha dejado en reposo durante mucho tiempo y no se usa con frecuencia.

5. Método de filtro de Kalman

Un algoritmo de simulación dinámica para detectar el estado interno de la celda de la batería es adecuado para calcular el valor SOC de la batería. El método en sí proporciona límites de error dinámicos, emplea mecanismos de corrección de errores y proporciona una predicción en tiempo real del SOC. Aunque el filtrado de Kalman es un método en línea y dinámico, requiere un modelo de batería adecuado y una identificación precisa de sus parámetros. También requiere una gran potencia de cálculo y una inicialización precisa.

En resumen, el valor SOC es una consideración fundamental en la fabricación de baterías. No solo está relacionado con la sensación corporal intuitiva del usuario al usar la batería, sino que también afecta la vida útil de la batería o el costo de inversión del cliente para comprar la batería. Por lo tanto, mantener el valor SOC de la batería dentro de un rango recomendado durante el uso y actualizar el firmware del producto de batería en tiempo real son garantías importantes para asegurar la vida útil del producto y la experiencia del usuario.

Citas

GhazelMurnane y AdelMartin. (2017). Una mirada más detallada a las técnicas de estimación del estado de carga (SOC) y del estado de salud (SOH) para baterías.

Minho KimKim, Jungsoo Kim, Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). Estimación del estado de carga para baterías de iones de litio basada en aprendizaje por refuerzo. ScienceDirect, páginas 404-408.

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