Soc батареи что это
Литиевая батарея Состояние заряда
Измерение уровня заряда литий-ионных аккумуляторов (SoC)
Литий-ионные батареи постоянно используются в самых разных приложениях. Чтобы обеспечить эффективное использование батареи и более длительный срок службы, системы управления батареями (BMS) работают. Последние BMS становятся все сложнее и вызывают более высокие накладные расходы на батарею. Расчетная SoC калибруется с использованием исходной зависимости напряжения холостого хода (OCV) от кривой SoC. Проведено сравнение разработанной системы с традиционными аналогами. Результаты демонстрируют превосходство предложенной системы более чем на третий порядок с точки зрения усиления сжатия и вычислительной эффективности при обеспечении аналогичной точности оценки SoC.
 |  |
Определение и классификация оценки SOC
Существует несколько способов измерения состояния заряда литий-ионных аккумуляторов (SoC) или Глубина разряда (DoD) для литиевой батареи. Некоторые методы довольно сложны в реализации и требуют сложного оборудования (спектроскопия импеданса или ареометр для свинцово-кислотных аккумуляторов).
Мы подробно расскажем о двух наиболее распространенных и простых методах оценки состояния заряда батареи: метод измерения напряжения или Напряжение холостого хода (OCV) и метод подсчета кулонов.
1 / Оценка SoC с использованием метода напряжения холостого хода (OCV)
Все типы аккумуляторов имеют одну общую черту: напряжение на их выводах уменьшается или увеличивается в зависимости от уровня их заряда. Напряжение будет самым высоким, когда батарея полностью заряжена, и самым низким, когда она разряжена.
Это соотношение между напряжением и SOC напрямую зависит от используемой аккумуляторной технологии. В качестве примера на диаграмме ниже сравниваются кривые разряда свинцовой батареи и литий-ионной батареи.
Можно видеть, что свинцово-кислотные батареи имеют относительно линейную кривую, которая позволяет хорошо оценить состояние заряда: для измеренного напряжения можно довольно точно оценить значение соответствующей SoC.
Однако литий-ионные батареи имеют гораздо более пологую кривую разряда, что означает, что в широком рабочем диапазоне напряжение на клеммах батареи изменяется очень незначительно.
Литий-железо-фосфатная технология имеет самую ровную кривую разряда, что очень затрудняет оценку SoC с помощью простого измерения напряжения. Действительно, разница напряжений между двумя значениями SoC может быть настолько малой, что невозможно оценить состояние заряда с хорошей точностью.
На приведенной ниже диаграмме показано, что разница в измерении напряжения между значением DoD 40% и 80% составляет около 6.0 В для батареи 48 В в свинцово-кислотной технологии, в то время как она составляет всего 0.5 В для литий-железо-фосфатного!
Однако откалиброванные индикаторы заряда могут использоваться специально для литий-ионных аккумуляторов в целом и литий-железо-фосфатных аккумуляторов в частности. Точное измерение в сочетании с смоделированной кривой нагрузки позволяет получать измерения SoC с точностью от 10 до 15%.
2 / Оценка SoC с использованием метода счета кулонов
В отличие от метода OCV, этот метод может определять изменение состояния заряда во время использования батареи. Для проведения точных измерений не требуется, чтобы батарея находилась в состоянии покоя.
Кулоновский счетчик
Хотя измерение тока выполняется с помощью прецизионного резистора, могут возникать небольшие ошибки измерения, связанные с частотой дискретизации. Чтобы исправить эти предельные ошибки, счетчик кулонов повторно калибруется при каждом цикле загрузки.
Литий-ионный Состояние заряда (SoC) измерение, выполненное с помощью подсчета кулонов, допускает погрешность измерения менее 1%, что позволяет очень точно определять оставшуюся в батарее энергию. В отличие от метода OCV, подсчет кулонов не зависит от колебаний заряда батареи (которые вызывают падение напряжения батареи), а точность остается постоянной независимо от использования батареи.
ПРОВЕРИТЬ АККУМУЛЯТОР АВТОМОБИЛЯ?
Комплексная проверка аккумулятора
Далее будет рассмотрено:
Проверка аккумулятора
Проверка АКБ начинается с осмотра очевидных проблем, таких как уровень электролита; коррозия или обрыв кабеля; коррозия клемм и зажимов-контактов; обрыв ремня генератора; заледенение электролита; ослабление зажимов-контактов; грязная и мокрая крышка АКБ; протечки и трещины в корпусе АКБ, вздутие АКБ; повреждение проводов, клемм, зажимов
Если уровень ниже верхней части пластин нужно долить дистиллированной воды перезарядить аккумулятор, дать остыть до комнатной температуры и снова долить воды. Пластины должны быть покрыты электролитом для предотвращения сульфатации и внутреннего взрыва пластин. Какой должен быть уровень электролита смотрите обслуживание АКБ
Если электролит вытек из аккумулятора смотрите как долить электролит и отрегулировать плотность в ячейке.
Индикатор заряда аккумулятора
В современных стартерных аккумуляторах вмонтирован индикатор заряда аккумулятора. Он показывает уровень электролита, уровень заряда. Индикатор находится в одной ячейки и показания в других ячейках могут отличаться, показывает заряд в норме аккумулятора даже при падении уровня SoC ниже 25%. Индикатор показывает уровень электролита и полный разряд.
Индикатор аккумулятора
Работа индикатора аккумулятора основана на том же принципе, что и работа ареометра. Внутри индикатора есть погружная камера в электролит, внутри нее плавают два шарика красного и зеленного цветов. Красный шарик не тонет в жидкости, а зелёный шарик имеет массу 1 г.
Как проверить напряжение аккумулятора
Как проверить заряд аккумулятора мультиметром?
Проверка АКБ мултиметром поможет вам определить напряжение, уровень заряда и даже плотность. Аккумулятор не должен заряжаться или разряжаться в течении 4 часов, в противном случае удалите поверхностный заряд. Включите мульти метр в режим измерения постоянного напряжения (DVC), диапазон установите (в поле DVC на значение 20) выше максимального значения напряжения на заряженном аккумуляторе – 20 вольт. Далее подключите черный (COM) щуп мульти метра на минус аккумулятора, а красный (плюсовой) на плюс АКБ и посмотрите показания на дисплее мульти метра. Показания на дисплее со знаком минус говорят, что вы подключили полярность проводов мульти метра наоборот.
Для определения уровня заряда сравните показания на дисплее с Таблицей уровня заряда SoC. Не допускайте падение уровня заряда ниже 50%, это значительно сокращает срок службы аккумулятора.
В необслуживаемом сульфатированном аккумуляторе напряжение показывает выше чем на самом деле, поэтому следует провести тестирование нагрузочной вилкой для определения фактической производительности и емкости.
Поверхностный заряд
Поверхностный заряд появляется в следствие неравномерного распределения серной кислоты и воды вдоль поверхности свинцовых пластин. В результате заряда и разряда АКБ электролит проникает глубоко внутрь активного вещества, в следствии чего невозможно определить точную работоспособность аккумулятора. Напряжение будет больше реального.
Уровень заряда (SoC). Как проверить емкость аккумулятора автомобиля?
Уровень заряда (SoC) определяет количество заряда (оставшуюся емкость) в процентном соотношении от полного заряда, проверить заряжен ли аккумулятор автомобиля. Примерно проверить емкость аккумулятора мультиметром (смотрите показания в таблице). Глубина разряда (DoD) является инверсией уровня заряда (SoC) как показано ниже.
Чтобы узнать Уровень заряда (SoC):
Таблица уровня заряда SoC (разомкнутой цепи)
| Мало обслуживаемый Гибридный (Sb/Ca) или Стандартный (Sb/Sb) аккумуляторы | |||||||||
| Плотность электролита, г/куб.см | Напряжение, вольт | ||||||||
| Темпер-атура | |||||||||
градусов
Кальциевый
(Ca/Ca) аккумулятор
AGM/Гелевый VRLA (Ca/Ca) аккумуляторы
градусов
Измерение плотности АКБ ареометром дает более точный результат уровня заряда SoC, чем измерение напряжения. Комбинируя оба метода можно:
Как проверить плотность аккумулятора?
Ареометр
Ареометр не дорогой прибор и прост в использовании. Далее мы разберем, как правильно проверить плотность электролита в аккумуляторе
Смотрите выше Таблицу уровня заряда SoC
Схема использования ареометра
Использование ареометра:
Почему в аккумуляторе замерз электролит? При понижении заряда уровень сопротивления замерзанию снижается. Ниже приведена таблица
Температура замерзания электролита
при разнице SoC (уровня заряда) и DoD (уровня разряда)
процентов
градус
Тестирование под нагрузкой
Тестирование под нагрузкой имитирует резкое потребление тока в амперах, похожее на запуск двигателя при старте. Для проведения тестирования вам понадобится нагрузочная вилка. Ее цена довольно высока и поэтому рекомендуется проведение этого теста поручить автоэлектрику. Тестирование стоит не дорого, а в некоторых сервис центрах его проводят бесплатно.
Таблица теста нагрузочной вилкой
Состояние заряда и здоровья аккумулятора, а также условия замены автомобильного аккумулятора
Состояние заряда аккумулятора (SOC)
Состояние заряда автомобильной батареи выражается в виде напряжения (OCV) и представляет собой силу, используемую для проворачивания, известного как ток холодного пуска (CCA), через цепь стартера к двигателю.
Предполагая, что батарея полностью заряжена с высоким OCV и имеет хорошее состояние здоровья (SOH), высокий OCV позволит батарее многократно подавать достаточное количество CCA для запуска двигателя и достижения приблизительно 100% его пусковой емкости.
Если у батареи низкий OCV, ее способность отдавать пусковой ток через цепь стартера снижается, что приводит к возможному незапуску, даже если у батареи хороший SOH.
Состояние здоровья аккумулятора (SOH)
SOH автомобильного аккумулятора выражается в амплитуде холодного пуска (CCA) и представляет собой пусковую мощность, которую OCV способен подавать к стартеру через цепь стартера.
Каждый раз, когда батарея разряжается и перезаряжается (циклически), небольшое количество материала пластины, которое химически реагирует с серной кислотой в растворе электролита с образованием электричества, постоянно теряется.
Со временем и в зависимости от таких факторов, как рабочая температура, рабочее состояние заряда и рабочий цикл, это естественное использование материала пластины в конечном итоге приведет к медленному, но неуклонному снижению SOH батареи и ее способности производить CCA, требуемый для запуска двигателя.
Хотя невозможно определить максимальный или минимальный ожидаемый срок службы батареи из-за возможных изменений условий работы батареи, это старение и износ в конечном итоге приведут к отказу батареи при запуске двигателя.
Неисправность аккумуляторной батареи и диагностика
Принимая во внимание эти два рабочих состояния автомобильной батареи, легко спутать SOC с SOH и сделать неверные диагностические предположения, когда происходит сбой батареи.
Если уровень заряда батареи низкий, но он имеет хорошую возможность запуска двигателя SOH, его можно восстановить, зарядив аккумулятор и восстановив его способность выдавать имеющийся CCA через цепь стартера.
Однако, если SOC высокий, но SOH низкий, так как материал пластины аккумулятора со временем ухудшился до уровня, который не может удовлетворить требования, предъявляемые к нему стартером, может возникнуть ситуация незапуска, даже если аккумулятор полностью заряжен заряжена.
SOH батареи и ее способность поставлять высокий уровень CCA становится еще более важным в холодные зимние месяцы. Это связано с тем, что способность батареи обеспечивать максимально доступную CCA уменьшается примерно на 30% при 0 C. Однако требования к CCA цепи стартера возрастают, чтобы преодолеть такие условия, как повышенная вязкость моторного масла и сниженные допуски на компоненты двигателя.
Поэтому возможно иметь батарею, которая полностью заряжена с хорошим OCV, которая уже не сможет запустить двигатель, так как SOH и ее способность выдавать высокие уровни CCA достигли уровня, который не в состоянии удовлетворить требования для прокрутки стартера.
Деградация батарей электромобилей, практическая статистика
Деградация батарей электромобилей. Прогноз износа на основе анализа 6000 моделей.
Если вы когда-либо задумывались о приобретении электромобиля, то абсолютно точно сталкивались с такими вопросами, как:
Ключом к ответу на эти вопросы являются характеристики батареи и скорость ее деградации. Ведь именно она является самой дорогой деталью в автомобиле на электротяге и напрямую влияет на все эти показатели. Сегодня мы поговорим именно об этом, поскольку зачастую, спрашивая «сколько проработает мой аккумулятор», вы будете слышать информацию по гарантии. В среднем она составляет 8 лет или 150-200 тысяч километров пробега (в зависимости от производителя), но ведь это не совсем то, что вы хотели узнать. Верно?
И даже тот факт, что с 2010 года стоимость среднего блока литий-ионных аккумуляторов упала более чем на 80% (то есть больше чем в 5 раз) не обеспечивает достаточной уверенности. Ведь всегда лучше знать наперед, как быстро ваш аккумулятор будет терять емкость и как этот процесс можно замедлить.
Компания Geotab Inc. собрала и проанализировала статистику 6300 электромобилей, принадлежащих как юридическим, так и физическим лицам. Общий объем изученных данных составил 1 800 000 дней. На основе результатов анализа, она запустила на своем сайте бесплатный инструмент, позволяющий сравнить среднюю потерю емкости аккумуляторов для электромобилей различных марок, моделей и даже годов выпуска. Именно эти данные внесли некоторую ясность в вопрос, на который до сих пор сложно получить однозначный ответ:
Сколько же может проработать батарея электромобиля, какова ее деградация и зависит ли ее износ от условий использования?
Нужно заметить, что данные графиков представляют усредненные значения, полученные аналитическим путем. Они помогают наглядно увидеть, как происходит деградация батарей электромобилей с течением времени. Но не являются точным прогнозом для конкретного авто. Иначе говоря: они дают представление и понимание, а не жесткую гарантию.
Рисунок 1: Скриншот рабочей области аналитического сервиса.
Итак, давайте разберемся:
1. Терминология.
Деградация батареи электромобиля – является естественным процессом. Заключается в уменьшении объема заряда, который батарея способна хранить и выдавать. Обычно, аккумуляторы электромобилей могут выдавать больше мощности, чем нужно силовому агрегату, поэтому деградация проявляется, в основном, как снижение емкости (со временем батарея способна хранить все меньше и меньше энергии).
SOH (State Of Health, %) – показатель, использующийся для оценки состояния батареи. На русском языке может звучать, как: степень работоспособности аккумулятора. Обозначает его остаточную емкость, измеряется в %, т.к. изначально SOH любого электромобиля равен 100%. НЕ имеет единой формулы исчисления и пороговой величины, после прохождения которой аккумулятор будет считаться нерабочим – все индивидуально и зависит от конкретного разработчика.
Следует также отличать его от «запаса хода» (дистанция, которую машина может проехать на выдаваемых кВтч), который постоянно меняется в зависимости от уровня заряда, рельефа местности, использования вспомогательных систем, стиля вождения, количества пассажиров и веса перевозимого груза.
2. Что влияет на состояние литий-ионных аккумуляторов?
Принято выделять следующие факторы:
Предлагаем вам рассмотреть каждый из них подробнее.
а. Время:
Ключевые моменты, которые стоит учитывать:
Рисунок 2: Обычная кривая деградации выглядит примерно так.
К счастью для автовладельцев, лишь немногие изученные батареи достигли той точки, в которой наблюдается резкое снижение емкости. По этой же причине пока невозможно точно сказать, в какой момент оно начинается.
b. Производитель и конструкция:
На графиках разница между некоторыми марками электромобилей видна невооруженным глазом. Данные говорят о том, что разные батареи по-разному ведут себя с течением времени, и зависит это от моделей и годов выпуска машин. Почему же в одних аккумуляторы теряют емкость быстрее, чем в других? Кроме всего прочего, на это влияет химический состав и управление температурой аккумуляторов.
Давайте сравним модель с жидкостной системой охлаждения Tesla Model S (2015) и модель, которая имеет пассивную систему воздушного охлаждения Nissan Leaf (2015).
Рисунок 3: Сравнение деградации батарей для Tesla Model S (2015) с жидкостным охлаждением и Nissan Leaf (2015) с воздушным охлаждением.
На графике мы видим, что средний показатель деградации у Nissan составляет 4,2% в год, тогда как у Tesla он равен 2,3%. Из чего можно сделать вывод, что контроль температуры является одним из способов защиты от потери емкости.
c. Работа на высоком и низком уровне заряда:
Рисунок 4: Защитные буферы, контролирующие диапазон зарядки электромобилей.
Многие автовладельцы даже не догадываются о том, что не имеют доступа к самому нижнему порогу диапазона SOC – эта мера безопасности также помогает замедлить деградацию батареи.
Следует заметить, что из-за периодических беспроводных обновлений ПО размер буфера может меняться время от времени. Такую ситуацию заметили некоторые владельцы Tesla в 2019 году. Жалобы на снижение запаса хода дошли до производителя, и он подтвердил – причиной стало обновление, направленное на «защиту батареи и продление срока ее службы».
Некоторые автомобилестроители идут другим путем и делают этот функционал настраиваемым и открытым. Таким образом, уже сам пользователь выбирает момент окончания заправки. Например, 75% вместо 100%. Получившаяся произвольная область (на графике выше она обозначена буквой В) дополняет обязательный буфер (обозначенный как А), предохраняющий батарею от эксплуатации в зоне наивысшей деградации.
Давайте для примера рассмотрим Chevrolet Volt, который имел сравнительно большие верхние и нижние защитные буферы (А и D на графике выше), особенно в моделях ранних годов выпуска. С годами буферы SOC стали уменьшать, но даже с учетом этого – график наглядно показывает, насколько дольше сохраняется срок службы его аккумулятора. Не последнюю роль в том, что батарея Chevrolet Volt служит дольше среднего, играет и жидкостное охлаждение. И все же, мы можем сделать однозначный вывод: несмотря на то, что большие буферы уменьшают запас доступной энергии, они продлевают жизнь батарее.
Рисунок 5: Износ батареи Chevrolet Volt в сравнении с другими автомобилями.
Это интересно: Ограничение доступа к крайним областям диапазона не только продлевает «жизнь» аккумуляторам, но и повышает безопасность вождения. При почти полной зарядке/разрядке батарея не способна получать и выдавать возможный максимум энергии, что напрямую влияет на поведение машины и ее управляемость.
d. Эксплуатация и циклы зарядки:
Распространенным заблуждением является уверенность в том, что частая эксплуатация электромобиля отрицательно влияет на емкость батарей. Но, согласитесь, вы же не покупали машину для того, чтобы сидеть в ней и пить кофе?
Судя по результатам анализа, активная езда оказывает незначительное влияние на деградацию батарей, а значит – переживать на этот счет не имеет смысла. Если постоянно не превышать стандартный дневной пробег, повышенного износа аккумулятора не будет. А вот тем, кто при этом пользуется быстрыми зарядками, следует задуматься, однако, об этом мы поговорим чуть ниже.
Рисунок 6: Интенсивность эксплуатации не оказывает значительного влияния на скорость деградации.
e. Работа при высоких температурах:
Литий-ионные аккумуляторы электромобилей, как и многих других устройств и электроники, не любят критических температур. Считается, что высокие температуры негативно влияют на них. Так будет ли срок службы батареи на электромобиле в жаркой Аризоне ниже, чем в холодной Норвегии?
Чтобы выяснить это, машины были сгруппированы, исходя из климатических условий их эксплуатации:
И, к сожалению, показания графика подтверждают теоретические догадки – в жарком климате батарея действительно изнашивается гораздо быстрее.
Рисунок 7: Влияние климата на деградацию батарей электромобилей.
f. Типы зарядок и высокие токи:
Помимо всего вышесказанного, при анализе были учтены и типы зарядки, используемые для данных электромобилей. Североамериканские зарядные станции оборудованы зарядками трех основных типов:
В большинстве европейских стран выделяют зарядку переменным током (аналог Level 2 в Северной Америке) и постоянным (DCFC).
И хотя оптимальным видом зарядки электромобиля считается использование Level 2, разница между первым типом и вторым не такая уж большая.
Рисунок 8: Сравнительная потеря емкости батареи для зарядки от станции 1го и 2го типа.
А вот тем автолюбителям, кто часто пользуется быстрой зарядкой, стоит поостеречься. Именно ее постоянное применение ведет к гораздо более заметному ускорению деградации. Чтобы зарядить аккумулятор быстрее, используются более высокие токи, приводящие к повышению температуры. И то и другое сильно перегружает батарею. Многие производители советуют ограничить число быстрых зарядок в месяц, чтобы продлить жизнь аккумулятору.
Для наглядности было проведено сравнение показателей электромобилей, находящихся в равных условиях эксплуатации в жарком климате. Классификация проводилась по частоте использования DCFC:
Рисунок 9: В жарком климате или климате с выраженной сезонностью деградация батареи напрямую зависит от частоты использования DCFC (быстрой зарядки).
На графике видна разница даже между автомобилями, владельцы которых никогда не пользовались быстрой зарядкой или пользовались ей редко. Данные актуальны для жаркого климата или климата с выраженной сезонностью. Хотя, не исключено влияние и других факторов (ведь речь идет не о контролируемом эксперименте), но все же основным током зарядки должен быть переменный (Level 2).
3. Подведем итоги:
Как же можно продлить жизнь батареи вашего авто?
И наконец: не стоит слишком сильно беспокоиться по мелочам. Современные электромобили оснащены хорошими батареями, и небольшая потеря емкости вряд ли как-то повлияет на ваши повседневные поездки. У электромобилей много достоинств, и на этот маленький недостаток можно просто закрыть глаза.