В ера, в която технологията на батериите стимулира иновациите в електрическите превозни средства (EV), системите за възобновяема енергия и преносимата електроника, разбирането на състоянието на заряд (SoC) и състоянието на изправност (SoH) на батериите е от съществено значение. Тези показатели не само подобряват производителността на батерията, но и допринасят за безопасността и дълголетието. Този блог ще проучи в дълбочина значението на SoC и SoH и ще предостави изчерпателни методи за тяхното изчисляване.
Какво е състояние на зареждане (SoC)?
SoC представлява текущото ниво на зареждане на батерията като процент от нейния номинален капацитет. Например, ако литиево-йонна батерия с капацитет 100 Ah има оставащи 50 Ah, нейният SoC е 50%. SoC е от решаващо значение поради няколко причини:
1. Управление на ефективността
Разбирането на SoC позволява на потребителите да оптимизират производителността на батерията. При електрическите превозни средства поддържането на оптимален обхват на SoC (обикновено между 20% и 80%) може да подобри ефективността на шофиране и да разшири обхвата на автомобила. Много електромобили включват системи за управление на батерията (BMS), които регулират изходната мощност въз основа на SoC, за да осигурят безпроблемна работа и да предотвратят дълбоко разреждане.
2. Дълготрайност на батерията
Дълголетието на една батерия е тясно свързано с това колко добре се управлява SoC. Честите дълбоки разреждания (под 20% SoC) и презареждането (над 80% SoC) могат да доведат до ускорено стареене на батерията и намаляване на капацитета. Поддържането на батерията в рамките на идеалния диапазон на SoC може значително да удължи нейния живот, позволявайки й да издържи на по-голям брой зареждания във времето.
3. Съображения за безопасност
Мониторингът на SoC е от решаващо значение за предотвратяване на опасни ситуации. Презареждането може да доведе до термично изпускане, при което температурата на батерията се повишава неконтролируемо, потенциално причинявайки пожари или експлозии. Обратно, прекаленото разреждане на батерията може да доведе до необратими щети. Системите, които наблюдават SoC в реално време, помагат за смекчаване на тези рискове.
Какво е здравословно състояние (SoH)?
SoH отразява общото състояние на батерията в сравнение с нейното оптимално състояние, когато е нова. Той обхваща различни фактори, включително капацитет, вътрешно съпротивление и ефективност. SoH обикновено се изразява като процент, показващ каква част от първоначалния капацитет остава.
1. Здравен мониторинг
Редовната оценка на SoH позволява проактивна поддръжка. Чрез проследяване на SoH във времето потребителите могат да идентифицират тенденциите на влошаване и да предприемат коригиращи действия, преди батерията да се повреди. Например, в критични приложения като космически или медицински устройства, ранното откриване на здравословни проблеми е жизненоважно за осигуряване на оперативна надеждност.
2. Прогнозиране на продължителността на живота
SoH служи като ключов индикатор за прогнозиране на оставащия капацитет и полезния живот (RUL) на батерията. Усъвършенстваните модели могат да оценят SoH, използвайки исторически данни за ефективността и текущи показатели за здравето, което е от решаващо значение за управление на инвентара и планиране на поддръжка в индустриални приложения.
3. Оперативна ефективност
Разбирането на SoH позволява на потребителите да коригират своите модели на използване въз основа на състоянието на батерията. Ако SoH показва значителна загуба на капацитет, потребителите могат да изберат да ограничат приложенията с голямо потребление, за да предотвратят неочаквани спирания.
Как да изчислим SoC
1. Метод на напрежението на отворена верига (OCV).
Методът OCV включва измерване на напрежението на батерията, когато тя не е под товар. Всяко ниво на напрежение съответства на специфичен SoC въз основа на предварително определена крива напрежение-SoC. Този метод е точен, но изисква батерията да почива известно време, което го прави непрактичен за приложения в реално време.
Пример:Да предположим, че имате литиево-йонна батерия с номинално напрежение 3,7 V. Когато измерите напрежението без товар и установите, че е 3,6 V, можете да се обърнете към кривата напрежение-SoC на производителя на батерията. Това показва, че SoC е приблизително 80%.
2. Броене на ампер-часове (Ah).
Този метод проследява кумулативния заряд, който влиза и излиза от батерията. Чрез интегриране на тока във времето потребителите могат да оценят SoC. Въпреки това, грешките могат да се натрупат поради саморазреждане, особено при по-стари батерии. Редовното повторно калибриране е от съществено значение за поддържане на точни показания на SoC.
Пример:Помислете за батерия с капацитет 100 Ah. Ако го разреждате при ток от 10 A за 5 часа, можете да изчислите разредения капацитет:
Разреден капацитет=Ток на разреждане × време=10A × 5h=50Ah
Започвайки от напълно заредено състояние (100 Ah), текущият SoC ще бъде:
SoC=((100Ah−50Ah) / 100Ah ) × 100%=50%
3. Филтриране на Калман и машинно обучение
Усъвършенстваните техники използват алгоритми за прогнозиране на SoC въз основа на множество входове, като напрежение, ток и температура. Филтрите на Калман динамично коригират оценките въз основа на данни в реално време, докато моделите за машинно обучение могат да се учат от исторически данни, за да подобрят точността с течение на времето. Тези методи са особено полезни в сложни приложения, където състоянието на батерията варира.
Пример:Системата за управление на батерията (BMS) използва филтриране на Калман, за да коригира динамично оценките на SoC. В определен момент системата измерва разряден ток от -5 A и напрежение от 3,6 V при 25 градуса. След обработката на тези данни алгоритъмът оценява SoC на 78%.
Как да изчислим SoH
1. Измерване на вътрешното съпротивление
Измерването на вътрешното съпротивление на батерия може да даде представа за нейното здраве. Увеличаването на съпротивлението често показва деградация. Техники като импедансна спектроскопия могат точно да измерват съпротивлението на различни честоти, давайки по-изчерпателна картина на здравето на батерията.
Пример:Използвайки импедансна спектроскопия, вие измервате вътрешното съпротивление на литиево-йонна батерия. Ако измереното съпротивление е 30 милиома, докато съпротивлението на нова батерия е 10 милиома, това увеличение показва, че здравето на батерията се е влошило с времето.
2. Тестване на капацитета
Провеждането на контролирани цикли на зареждане-разреждане позволява на потребителите да измерват намаляването на капацитета с течение на времето. Чрез сравняване на текущия капацитет с първоначалния капацитет, потребителите могат да изчислят SoH. Този метод изисква време и прецизен контрол върху условията на тестване, за да се гарантират точни резултати.
Пример:Извършвате тест за контролирано зареждане и разреждане. След пълното зареждане на батерията наблюдавате нейната работа при определено натоварване. Първоначално оценена на 100 Ah, сега батерията поддържа само 80 Ah при същите условия. Следователно, SoH ще се изчисли като:
SoH=(80Ah / 100Ah) × 100%=80%
3. Анализ, управляван от данни
Модерният BMS може непрекъснато да наблюдава показателите за ефективност и да прилага алгоритми за оценка на SoH. Тези системи анализират различни параметри, включително температура, цикли на зареждане и модели на използване, предоставяйки оценки на здравето в реално време, които се адаптират към променящите се условия.
Пример:Интелигентен BMS непрекъснато следи циклите на зареждане на батерията, които са достигнали 500. Той записва среден ток на разреждане от 10 A и отбелязва, че температурата варира между -10 градуса и 40 градуса. Въз основа на тези данни системата оценява текущия SoH на 75% и прогнозира оставащ полезен живот от още около 600 цикъла на зареждане.
Фактори, влияещи върху SoC и SoH
1. Температура
Температурата играе решаваща роля за производителността и здравето на батерията. Високите температури могат да ускорят химичните реакции, водещи до по-бързо стареене, докато ниските температури могат да намалят капацитета и ефективността. Оптималните работни температури обикновено варират от 20 градуса до 25 градуса за литиево-йонни батерии.
2. Скорости на зареждане и разреждане
Скоростта, с която една батерия се зарежда или разрежда значително влияе върху нейните SoC и SoH. Разрядите с висока C-скорост могат да причинят топлинен стрес, докато свръхбързото зареждане може да повиши вътрешните температури. Производителите предоставят препоръчителни нива на зареждане и разреждане, за да смекчат тези ефекти.
3. Модели за колоездене
Честотата и дълбочината на циклите на зареждане-разреждане може да повлияе на здравето на батерията. Плитките цикли (частични разреждания) обикновено са по-малко вредни от дълбоките цикли, което може да доведе до значителна загуба на капацитет с течение на времето.
