CC BY
188ОБЗОР МЕТОДОВ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЕМКОСТИ И УРОВНЯ ЗАРЯДА АККУМУЛЯТОРОВ Галузин Т.А.1, Джамалов Н.К.2
1Галузин Тимур Александрович - студент магистратуры;
2Джамалов Нутпулла Камалович - кандидат технических наук, и.о. доцента, кафедра механики, механико-математический факультет, Казахский национальный университет им. Аль-Фараби, г. Алматы, Республика Казахстан
Аннотация: в статье описываются методы определения и вычисления состояния заряда аккумуляторов различного типа, основные их преимущества и недостатки. С годами развитие технологий позволило сделать этот процесс более автономным и быстрым, при этом не требуется большое количество оборудования, однако, многие методы требуют хорошего высокого уровня подготовки и большого количества начальных данных, которые невозможно получить без связанных методов. Выбор метода зависит от допустимых условий использования.
Ключевые слова: аккумулятор, состояние заряда, уровень заряда, методы определения, SOH, SOC.
Текущее состояние батареи можно определить по двум параметрам: SOC (состояние заряда) и SOH (уровень). С помощью двух этих параметров можно рассчитать ожидаемое время работы батареи. Оба параметра зависят друг от друга и влияют на производительность аккумулятора.
Во время работы аккумулятора его производительность (здоровье) может изменяться из-за необратимых физических и химических изменений, которые происходят во время использования и старения аккумулятора до тех пор, пока его больше не получится использовать [1].
SOH — отображает состояние, на котором сейчас находится аккумулятор во время использования, по отношению к его состоянию на момент начала использования.
Старение батареи — это сложный процесс, который включает в себя множество параметров, таких как: внутреннее сопротивление батареи, удельная проводимость, ёмкость и другие. На рисунке 1 можно наглядно увидеть данное явление, где разряженная ёмкость Li-ion батареи отображена как функция от циклов заряда. Как можно заметить на этом графике, есть точка, где значение деградации ёмкости аккумулятора усиливается.
1Ю МО ЗОО ЛОО Циклы заряда
Рис. 1. Потеря ёмкости во время работы литий-ионного аккумулятора типа 18650
Точное положение точки может варьироваться в зависимости от вида батареи и параметров, в которых работает аккумулятор. Старение батареи такого типа — это совсем не новая тема в современной электрохимии, однако за последние годы очень сильно возросло количество моделей, которые описывают поведение этого процесса.
Таблица 1. История методов измерения параметров аккумуляторов
Год исследования Исследователь/компания Метод
1963 Кёртис Измерение напряжения
1970 Лернер Сравнение между двумя аккумуляторами (техника SOC)
1974 Йорк Сравнение заряда с
несколькими аккумуляторами
Метод измерения
1974 Брандвейн напряжения, температуры и тока
Метод измерения
1975 Кристиансон напряжения разомкнутой цепи (OCV)
1975 Дауджиалло Измерение внутреннего сопротивления
1975 Фингер Кулоновский расчет
1978 Эбби OCV и напряжение под нагрузкой
1980 Кикуока Регистрация данных
Измерение устоявшегося
1981 Фингер напряжения аккумулятора (релаксация)
Наглядные таблицы
1984 Пелед данных OCV и температурных измерений
1985 Мураматсу Спектроскопия внутреннего сопротивления
Наглядные таблицы
1986 Копманн данных напряжения, тока и температурных измерений
1988 Сейфанг Регистрация данных и
адаптивные системы
1992 Айлор OCV, OCV-предположения
и кулоновские измерения
Измерение тока и
1997 Джерард напряжения, использование искусственных нейронных сетей
Кулоновский расчет,
1999 Салкинд спектроскопия внутреннего
сопротивления, нечёткая логика
2000 Гарш Измерение напряжения и тока, использование фильтров Калмана
Регистрация данных,
2000 Бергвельд перезаряд, ЭДС, самообучающийся алгоритм определения максимальной ёмкости
На таблице 1 можно увидеть, что одной из первых попыток исследования состояния заряда была разработка Лернера в 1970 для никель-кадмиевой батареи. Он нашел единственно надежный в то время метод для определения состояния заряда батареи это использование метода сравнения значения выходного тока. В этом методе выходной ток батареи (уровень заряда которой нужно было выяснить) сравнивался с током батареи, где был известен уровень заряда. Из этого сравнения можно было выяснить точное значение уровня для неизвестного аккумулятора [2].
Важно отменить, что для точного определения уровня заряда, с использованием всех накопленных знаний, нужно принимать во внимание все открытые и использованные методы, потому что они все связанны друг с другом и являются продолжением и модернизацией предыдущего с использованием новых технологий.
В 1975 году Кристиансон разработал метод измерения уровня заряда аккумулятора, основанный на напряжении разомкнутой цепи (OCV) [3]. Напряжение разомкнутой цепи (1) в этом методе прямо пропорционально текущему уровню заряда и может быть рассчитано по формуле:
OCV = Vtenn + IR; (1)
где: Vterm — это падение напряжения, I — выходной ток (он считается положительным во время разряда и отрицательным во время заряда), R — внутреннее сопротивление. При этом OCV= Vterm, когда I=0, но после того, как ток стал равен нулю, требуется время, чтобы выражение соответствовало действительности. До момента после размыкания цепи, пока OCV Ф Vterm , состояние напряжения батареи называется релаксацией.
В последующем, в дополнение к OCV, был представлен метод Эбби в 1978, который еще использовал напряжение под нагрузкой. Зная напряжение разомкнутой цепи, можно сопоставить напряжение под нагрузкой в каждой точке полученной функции [4].
Первые измерения внутреннего сопротивления появились благодаря Виллингансу в 1941. Они включали в себя генерирование электрохимического напряжения на электрохимической батарее с малой амплитудой (около 5 мВ) и увеличением реактивного сопротивления компонентов или других сопутствующих параметров, таких как модуль внутреннего сопротивления или угол фазы воздействия. Такие измерения охватывали большое количество частотных сигналов и различных характеристик параметров электрохимической батареи, а также её сопутствующие кинетические характеристики [5]. В последующих исследованиях угол фазы между переменным напряжением, поданным на контакты батареи, и переменным током, который проходил через батарею (измеренное через чувствительный резистор) постоянно измерялся. Таким образом можно было вычислить текущее значение внутреннего сопротивления аккумулятора [6, 7].
В 1985 году отношение между внутренним сопротивлением на различных частотах (спектроскопия внутреннего сопротивления) начали использовать для определения оставшейся ёмкости и определения текущего уровня заряда аккумуляторов. Затем были составлены таблицы значений для параметров аккумуляторов, таких как: напряжение, ток, импеданс и температура. Все эти данные были сохранены и используются для определения уровня заряда [8].
Затем, для определения уровня заряда аккумулятора Li-ion батарей начали использовать данные из OCV, при этом 100% заряда соответствовало 3.9 В, а 3.5 В соответствовали 0% [9].
Самым распространенным методом является метод Кулоновского расчета, когда ток, выдаваемый батареей, интегрируется. Этот метод был разработан в 1992 году и используется по сей день.
Комбинирование двух методов, таких как OCV и кулонометрические вычисления, можно достичь большой точности измерения как SOC, так и SOH. Однако, при таких вычислениях, существует большая возможность появления накопительной ошибки.
23
Чтобы эту ошибку исключить, в вычислениях используется сравнение с функцией OCV. То есть в любой момент времени и заряда АКБ можно скорректировать её точное положение. Данный метод может обеспечить до 99% точности измерения (но только для свинцово-кислотных аккумуляторов) [10]. Этот метод может быть применен не только к свинцово-кислотным аккумуляторам, а также к любым другим типам, нужно только достаточное количество данных и точный измерительный прибор с высокой частотой измерения. Позже к этому методу стали добавлять новые параметры, увеличивающие достоверность данных, такие как: температура, эффективность зарядного устройства, саморазряд и старение [11, 12].
В этом разделе были описаны основные методы получения данных аккумулятора, которые можно использовать для последующей обработки. Как можно заметить, основным методом для определения заряда на сегодняшний день является использование интеграла тока, который отдаёт аккумулятор, сравнивая данные с данными из разомкнутой цепи, чтобы исключить ошибку вычисления [13].
Список литературы
1. Buchmann I., 2001. Batteries in a Portable World 2nd edn.
2. Lerner S., Lennon H. and Seiger H.N., 1970. Development of an alkaline battery state of charge indicator Power Sources. 135-7.
3. Christianson C.C. and Bourke R.F., 1975. Battery state of charge gauge US Patent 3,946,299 filed 11 February.
4. Eby R.L., 1978. Method and apparatus for determining the capacity of lead acid storage batteries US Patent 4,180,770 filed 1 March.
5. Rodrigues S., Munichandraiah N. and Shukla A.K., 1999. A review of state-of-charge indication of batteries by means of a.c. impedance measurements J. Power Sources. 12-20.
6. Dowgiallo E.J.Jr., 1975. Method for determining battery state of charge by measuring A.C. electrical phase angle change US Patent 3,984,762 filed 7 March.
7. Zaugg E., 1982. Process and apparatus for determining the state of charge of a battery US Patent 4,433,295 filed 8 January.
8. Muramatsu K., 1985. Battery condition monitor and monitoring method US Patent 4,678,998 filed 9 December.
9. Tanjo Y., Nakagawa T., Horie H., Abe T., Iwai K. and Kawai M, 1999. State of charge indicator US Patent 6,127,806 filed 14 May.
10. Aylor J.H., Thieme A. and Johnson B.W., 1992. A battery state-of-charge indicator for electric wheelchairs IEEE Trans. Indust. Electron. 398-409.
11. Kikuoka T., Yamamoto H., Sasaki N., Wakui K., Murakami K., Ohnishi K., Kawamura G., Noguchi H. and Ukigaya F., 1980. System for measuring state of charge of storage battery US Patent 4,377,787 Filed 8 August.
12. Seyfang G.R., 1988. Battery state of charge indicator US Patent 4,949,046 filed 21 June.
13. Pop V., Bergveld H.J., Notten P.H.L. and Regtien P.P.L, 2005. State-of-the-art of battery state-of-charge determination 4-17.
