Định nghĩa, phương pháp đo và tính toán các thông số quan trọng của pin nguồn
một bản tóm tắt
Tài liệu này chủ yếu được chuẩn bị để hỗ trợ R & amp;Nhân viên của công ty để hiểu nhanh hơn và rõ ràng hơn một số thông số đặc trưng quan trọng của ắc quy và các phương pháp đo lường và tính toán của nó.Nó chủ yếu bao gồm trạng thái sạc SOC của pin nguồn, trạng thái sức khỏe của pin SOH, điện trở bên trong R, v.v.
Tài liệu này chủ yếu đề cập đến các tiêu chuẩn quốc gia và tiêu chuẩn công nghiệp về pin nguồn, cũng như một số thông tin có thẩm quyền trên Internet và được biên soạn kết hợp với kinh nghiệm làm việc của chính họ.
hai SOC của trạng thái sạc pin và phương pháp ước tính của nó
2.1 định nghĩa về SOC của pin
SOC của pin được sử dụng để phản ánh công suất còn lại của pin, được định nghĩa là phần trăm dung lượng khả dụng hiện tại trong dung lượng ban đầu (tiêu chuẩn quốc gia).
Hiệp hội Ắc quy tiên tiến Hoa Kỳ (usabc) định nghĩa SOC trong sổ tay thí nghiệm ắc quy xe điện như sau: tỷ lệ giữa dung lượng ắc quy còn lại với dung lượng định mức trong cùng điều kiện với tốc độ phóng điện quy định.
SOC = QO / QN
Xe điện Honda (EV plus) định nghĩa SOC như sau:
SOC = công suất dư / (hệ số suy giảm dung lượng công suất công suất danh định)
Trong đó công suất dư = công suất danh định - phóng điện ròng - tự phóng điện - bù nhiệt độ
Năng lượng còn lại của pin điện là yếu tố chính ảnh hưởng đến phạm vi hoạt động và hiệu suất lái của xe điện.Ước tính SOC chính xác có thể cải thiện hiệu quả năng lượng của pin và kéo dài tuổi thọ của pin, để đảm bảo xe điện chạy tốt hơn.Đồng thời, SOC cũng là cơ sở quan trọng để kiểm soát quá trình sạc xả và cân bằng pin.
Trong ứng dụng thực tế, chúng ta cần nhận ra thuật toán ước lượng SOC của pin theo giá trị có thể đo được của pin, chẳng hạn như điện áp và dòng điện, kết hợp với các yếu tố ảnh hưởng của ranh giới bên trong và bên ngoài pin (nhiệt độ, tuổi thọ, v.v.).Tuy nhiên, SOC là phi tuyến do môi trường làm việc bên trong và các yếu tố bên ngoài, vì vậy những vấn đề này phải được khắc phục để đạt được một thuật toán ước lượng SOC tốt.Hiện nay, việc ước tính SOC của ắc quy trong và ngoài nước đã được thực hiện một phần và áp dụng vào kỹ thuật, chẳng hạn như phương pháp ampe giờ, phương pháp điện trở trong, phương pháp điện áp mạch hở, v.v.Đặc điểm chung của các thuật toán này là dễ thực hiện, nhưng thiếu xem xét các yếu tố ảnh hưởng bên trong và bên ngoài trong điều kiện làm việc thực tế dẫn đến khả năng thích ứng kém, khó đáp ứng yêu cầu của BMS về việc cải tiến liên tục ước lượng. sự chính xác.Vì vậy, sau khi xem xét SOC bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, một số thuật toán phức tạp hơn được đề xuất, chẳng hạn như thuật toán lọc Kalman, thuật toán mạng nơron, thuật toán ước lượng mờ và các thuật toán mới khác.So với các thuật toán truyền thống trước đây, chúng có số lượng tính toán lớn, nhưng độ chính xác cao hơn.Trong số đó, bộ lọc Kalman có hiệu suất tốt về tính chính xác và khả năng thích ứng.
hai phẩy hai Giới thiệu một số thuật toán ước tính SOC
（1） Phương pháp Ampe giờ
Phương pháp Ampe giờ, còn được gọi là phương pháp tích hợp hiện tại, cũng là cơ sở để tính SOC của pin.Giả sử rằng giá trị SOC ban đầu của pin hiện tại là soc0, sau khi sạc hoặc xả T-Time, SOC là:
Q0 là dung lượng định mức của pin, và I (T) là dòng sạc và xả của pin (dòng xả là dương).
Trong thực tế, SOC được định nghĩa là trạng thái tích điện của pin, và trạng thái tích điện của pin là tích phân của dòng pin, vì vậy về lý thuyết, phương pháp ampe giờ là chính xác nhất.Đồng thời, nó cũng dễ dàng nhận ra.Nó chỉ cần đo dòng điện và thời gian sạc và xả pin.Trong ứng dụng kỹ thuật thực tế, công thức tính toán rời rạc như sau:
Trong hoạt động thực tế của pin, phương pháp ampe giờ được sử dụng để tính SOC.Sai số đo và các yếu tố nhiễu nhiễu sẽ ảnh hưởng đến kết quả đo, do đó không thể ước tính chính xác SOC (các yếu tố như tự phóng điện và nhiệt độ không được xem xét).Đồng thời, không thể lấy giá trị SOC ban đầu của pin bằng phương pháp ampe giờ.Thông thường, phương pháp ampe giờ sử dụng giá trị SOC được giữ lại bởi lần sạc và xả pin cuối cùng làm giá trị ban đầu cho phép tính tiếp theo, nhưng điều này sẽ làm cho lỗi SOC tích lũy liên tục.Do đó, trong kỹ thuật thực tế, phương pháp ampe giờ thường được sử dụng làm cơ sở của các thuật toán khác hoặc kết hợp với các thuật toán khác để ước lượng.
（2） Phương pháp điện áp mạch hở
Có một mối quan hệ chức năng nhất định giữa sức điện động của pin lithium-ion và SOC của pin.Do đó, giá trị SOC của pin có thể nhận được bằng cách đo điện áp hở mạch.Để nhận được giá trị chính xác của suất điện động của pin thông qua phương pháp hiệu điện thế mạch hở, trước hết, pin cần đứng yên trong một khoảng thời gian.Lúc này có thể coi giá trị của hiệu điện thế mạch hở (OCV) bằng giá trị suất điện động của nó.Bằng cách này, có thể thu được suất điện động của pin và có thể thu được SOC của pin.Đường cong soc-ocv của quá trình sạc và xả pin lithium thu được thông qua các thí nghiệm, sau đó các giá trị SOC của các điện áp mạch hở khác nhau được truy vấn theo đường cong soc-ocv.
Phương pháp điện áp mạch hở yêu cầu pin phải đứng yên trong một khoảng thời gian để loại trừ sai số do các yếu tố bên ngoài gây ra, không phù hợp với phép đo thời gian thực của SOC của pin.Ngoài ra, sự thay đổi điện áp hở mạch của pin SOC ở phần giữa là rất nhỏ, dẫn đến sai số đo lường và ước lượng của SOC giữa là lớn.
（3） Phương pháp lọc Kalman
Phương pháp bộ lọc Kalman sử dụng kiến thức về hệ thống và động lực đo, các đặc tính thống kê của nhiễu hệ thống giả định và sai số đo cũng như thông tin về các điều kiện ban đầu để xử lý các giá trị đo và thu được ước tính sai số tối thiểu của trạng thái hệ thống.Bộ pin cho xe điện có thể được coi là một hệ thống động lực bao gồm đầu vào và đầu ra.Trên cơ sở hiểu biết một số kiến thức trước đó về hệ thống, phương trình tham số trạng thái của hệ thống được thiết lập, và sau đó ước lượng thông số bên trong của hệ thống, bao gồm cả trạng thái tích điện, không thể đo trực tiếp, thu được bằng cách sử dụng phép xác minh chức năng của đầu ra.Dựa trên mô hình mạch tương đương pin hoặc mô hình điện hóa, phương trình trạng thái và phương trình đo của hệ được thiết lập.Theo dữ liệu thử nghiệm phóng điện của bộ pin, điện áp mạch hở của bộ pin được ước tính bằng thuật toán lọc Kalman để thực hiện ước tính trạng thái sạc của pin.Ưu điểm của nó là ước lượng phương sai tối thiểu của SOC có thể thu được bằng phương pháp đệ quy theo điện áp và dòng điện thu thập được, để giải quyết các vấn đề ước tính không chính xác giá trị ban đầu của SOC và sai số tích lũy;Điểm bất lợi là nó phụ thuộc nhiều vào kiểu pin và yêu cầu tốc độ cao của bộ xử lý hệ thống.
3. Định nghĩa và tính toán trạng thái sức khỏe của pin (soh)
3.1 định nghĩa về trạng thái sức khỏe của pin SOH
Định nghĩa tiêu chuẩn của pin SOH là tỷ số giữa dung lượng được giải phóng bởi pin nguồn từ trạng thái đầy với điện áp cắt ở một tỷ lệ nhất định trong điều kiện tiêu chuẩn với dung lượng danh định tương ứng của nó (công suất ban đầu thực tế).Tỷ lệ này phản ánh tình trạng sức khỏe của pin.
Tóm lại, tỷ lệ giữa giá trị thực và giá trị danh nghĩa của một số thông số hiệu suất có thể đo lường trực tiếp hoặc tính toán gián tiếp sau khi pin được sử dụng trong một khoảng thời gian, được sử dụng để đánh giá trạng thái sau khi pin suy giảm và đo sức khỏe. độ của pin.Hiệu suất thực tế của nó là sự thay đổi của một số thông số bên trong pin (như nội trở, dung lượng,…).Do đó, có một số phương pháp để xác định trạng thái sức khỏe của pin SOH theo đại lượng đặc trưng của pin:
（1） Xác định SOH từ quan điểm của dung lượng pin còn lại:
SOH = Qaged / Qnew
Trong đó qaged là công suất hiện có tối đa của pin và qnew là công suất tối đa khi không sử dụng pin.
（2） Xác định SOH từ quan điểm dung lượng pin:
SOH = CM / CN
Trong đó cm là dung lượng đo được hiện tại của pin và cn là dung lượng danh định của pin.
(3) Xác định SOH từ quan điểm của điện trở bên trong pin:
SOH = (REOL-R) / (REOL-Rnew)
Trong đó, reol là nội trở của pin khi hết tuổi thọ sử dụng, RNew là nội trở của pin khi xuất xưởng và R là nội trở của pin ở trạng thái hiện tại.
Lưu ý: công thức trên để xác định SOH từ dung lượng pin còn lại hoặc dung lượng pin không phải là công thức tính thực tế của SOH, mà là một phương pháp định nghĩa, nghĩa là, phương pháp định nghĩa này có một chức năng tương ứng duy nhất tương ứng với SOH thực tế.Ví dụ, dựa trên dung lượng của một pin, SOH thực sự có thể được tính theo công thức sau:
SOH = (CM-CEOL) / (CN-CEOL)
Trong đó ceol là dung lượng ở cuối tuổi thọ của pin (loại bỏ), là một hằng số.Công thức tính SOH ở trên thực tế tương đương với định nghĩa trong (2).Sau đây là một dẫn xuất đơn giản:
Gọi SOH = cm / CN = x trong định nghĩa, SOH = (cm-ceol) / (cn-ceol) = y trong công thức tính, giả sử ceol = PCN, khi đó y = (xcn-pcn) / (CN - PCN ) = (XP) / (1-p), nghĩa là, y là một hàm (quan hệ tuyến tính) về X, trong đó p là một hằng số.
3.2 một số phương pháp ước lượng SOH phổ biến
(1) Phương pháp xả hoàn toàn
Thử nghiệm xả toàn bộ yêu cầu một chu kỳ xả toàn bộ của pin, sau đó dung lượng xả được thử nghiệm và so sánh với dung lượng danh định của pin mới.Phương pháp này được công nhận là phương pháp đáng tin cậy nhất hiện nay, nhưng nhược điểm của nó cũng rất rõ ràng.Nó yêu cầu kiểm tra pin ngoại tuyến và thời gian kiểm tra dài.Sau khi kiểm tra, pin cần được sạc lại.
(2) Phương pháp nội trở
Việc ước lượng SOH được thực hiện bằng cách thiết lập mối quan hệ giữa nội trở và SOH.Một số lượng lớn các nghiên cứu chỉ ra rằng có một mối quan hệ tương ứng nhất định giữa nội trở của pin và SOH.Khi thời gian sử dụng pin tăng lên, điện trở bên trong của pin sẽ tăng lên, đồng thời năng lượng khả dụng của pin cũng giảm theo.Ước tính của SOH được thực hiện thông qua thời điểm này.
Phương pháp này cũng có nhược điểm: một số lượng lớn các nghiên cứu đã chỉ ra rằng điện trở bên trong ohmic của pin sẽ thay đổi đáng kể khi dung lượng pin giảm xuống 70% - 80% ban đầu, có thể khác khá nhiều so với mức 80% chung.Đồng thời, điện trở bên trong của pin là một giá trị miliohm và việc đo chính xác trực tuyến của nó cũng là một khó khăn.
（3） Phương pháp trở kháng điện hóa
Đây là một phương pháp phức tạp hơn.Bằng cách áp dụng nhiều tín hiệu hình sin với các tần số khác nhau vào pin, sau đó phân tích dữ liệu thu thập được theo lý thuyết mờ, chúng ta có thể thu được các đặc tính của pin và dự đoán hiệu suất của pin hiện tại.Sử dụng phương pháp này cần nhiều lý thuyết liên quan đến trở kháng và phổ trở kháng, và thiết bị đắt tiền, vì vậy nó không được khuyến khích trong thời điểm hiện tại.
4. Điện trở bên trong pin R
Điện trở bên trong của pin rất nhỏ.Chúng tôi thường định nghĩa nó bằng miliohm (m Ω).Nội trở là một chỉ số kỹ thuật quan trọng để đo hiệu suất của pin.Trong trường hợp bình thường, pin có điện trở bên trong nhỏ có khả năng phóng điện cao hiện nay, và pin có nội trở lớn có khả năng phóng điện yếu.
Nội trở của pin bao gồm nội trở ohmic (R Ω) và nội trở phân cực điện hóa (RE).Đối với pin lithium-ion, điện trở trong ohmic (R Ω) của pin chủ yếu bao gồm điện trở được hình thành bởi điện trở khi các ion lithium đi qua chất điện phân, điện trở màng ngăn, điện trở tại giao diện điện cực điện phân và điện trở của bộ thu. (lá nhôm đồng, điện cực), v.v.;Điện trở phân cực điện hóa (RE) bao gồm điện trở phân cực và kháng phân cực nồng độ trong quá trình xen kẽ ion liti, khử xen kẽ và khuếch tán và chuyển giao ion.
Điện trở trong Ohmic (R Ω) tuân theo định luật Ohm và điện trở trong phân cực điện hóa (RE) không tuân theo định luật Ohm.Các loại pin khác nhau có nội trở khác nhau.Điện trở bên trong của cùng một loại pin cũng khác nhau do đặc tính hóa học bên trong không nhất quán.Ngoài ra, SOC, lại và như vậy sẽ thay đổi theo nhiệt độ của pin (ngoài ra, SOC, lại, v.v.).
Hiện tại, phép đo nội trở của ắc quy chủ yếu bao gồm phương pháp kiểm tra DC và phương pháp kiểm tra AC, tương ứng đo nội trở AC và nội trở DC của ắc quy.Do nội trở của pin nhỏ nên khi đo nội trở một chiều sẽ sinh ra nội trở phân cực do dung lượng điện cực phân cực nên không đo được giá trị thực của nó;Phép đo nội trở AC có thể tránh ảnh hưởng của nội trở phân cực và thu được giá trị nội bộ thực (chủ yếu là nội trở ohmic).
Phương pháp đo điện trở bên trong phóng điện DC: theo công thức vật lý R = Δ V / Δ 1. Thiết bị thử nghiệm cho phép pin vượt qua dòng điện một chiều không đổi lớn trong thời gian ngắn (hiện nay thường sử dụng dòng điện lớn 40a-80a ), đo sự thay đổi hiệu điện thế ở hai đầu acquy lúc này và tính điện trở trong hiện tại của acquy theo công thức.Phương pháp này được kiểm soát phù hợp và độ chính xác có thể được kiểm soát trong phạm vi 0,1%, nhưng nó cũng có những khuyết điểm rõ ràng: (1) nó chỉ có thể đo pin dung lượng lớn, còn pin dung lượng nhỏ không thể tải dòng điện lớn như vậy;(2) Khi pin đi qua một dòng điện lớn, sự phân cực xảy ra bên trong pin, dẫn đến nội trở phân cực.Do đó, thời gian đo phải rất ngắn, nếu không sai số của giá trị nội trở đo được là rất lớn.
Thử nghiệm điện trở bên trong AC thường sử dụng các dụng cụ thử nghiệm đặc biệt và nguyên tắc phương pháp của nó như sau: sử dụng các đặc tính mà pin tương đương với điện trở hoạt động, đặt tín hiệu AC có tần số cố định và dòng điện cố định vào pin (hiện tại là tần số 1kHz và dòng điện nhỏ 50mA thường được sử dụng), và sau đó lấy mẫu điện áp của nó, chỉnh lưu Sau một loạt xử lý như lọc, điện trở bên trong của pin được tính toán thông qua mạch khuếch đại hoạt động.Phương pháp kiểm tra điện trở bên trong AC có các đặc điểm sau: (1) nó có thể đo được hầu hết tất cả các loại pin, kể cả pin dung lượng nhỏ, và sẽ không gây ra thiệt hại quá nhiều cho chính pin;(2) Độ chính xác có thể bị nhiễu bởi dòng điện gợn sóng / sóng hài, đòi hỏi khả năng chống nhiễu cao của mạch dụng cụ đo;(3) Không thể đo trực tuyến trong thời gian thực.
5. Tự kiểm tra tốc độ phóng điện của pin nguồn
Khả năng tự xả của pin còn được gọi là khả năng giữ điện tích.Nó đề cập đến khả năng giữ điện năng dự trữ của pin trong các điều kiện môi trường nhất định ở trạng thái mạch hở (hoặc sự mất năng lượng hóa học do phản ứng tự phát bên trong).Nói chung, quá trình tự phóng điện chủ yếu bị ảnh hưởng bởi quy trình sản xuất pin, vật liệu và điều kiện bảo quản.
Công suất ban đầu = [- dung lượng sau khi xả × Thời gian giữ] × 100%
Nói chung, nhiệt độ lưu trữ của pin càng thấp, tốc độ tự phóng điện càng thấp.Tuy nhiên, cần lưu ý rằng nhiệt độ quá thấp hoặc quá cao có thể gây hỏng pin và không sử dụng được.Nói chung, pin thông thường yêu cầu phạm vi nhiệt độ lưu trữ - 20 ~ 45 ℃.Sau khi pin được sạc đầy và đặt trong mạch hở một thời gian, hiện tượng tự phóng điện ở một mức độ nhất định là hiện tượng bình thường.So với các loại pin khác, tốc độ tự xả của pin lithium-ion vẫn không đáng kể, và phần lớn dung lượng bị mất có thể được phục hồi, điều này được xác định bởi cấu trúc của pin lithium-ion.Tuy nhiên, trong điều kiện nhiệt độ môi trường không thích hợp, tốc độ tự xả của pin lithium vẫn rất đáng kinh ngạc, điều này sẽ có tác động lớn đến tuổi thọ của pin.Đồng thời, sự không nhất quán về khả năng tự phóng điện của một pin đơn lẻ là một yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tính nhất quán của bộ pin.Sự chênh lệch của tự phóng điện là lớn, và sự không đồng bộ của pin sẽ được phản ánh nhanh chóng trong quá trình sử dụng.
6. Đặc điểm nhiệt độ
Công suất, điện trở trong của quá trình tích điện và phóng điện và điện áp hở mạch của pin nguồn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ.
（1） Nhiệt độ môi trường có ảnh hưởng lớn đến dung lượng của pin lithium iron phosphate.Công suất giảm nhanh ở nhiệt độ thấp và tăng nhanh khi tăng nhiệt độ nhất định, nhưng tốc độ thay đổi của nó ít hơn ở nhiệt độ thấp.Ngoài một phạm vi nhất định, công suất giảm dần theo sự gia tăng của nhiệt độ.
（2） Ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường lên điện trở bên trong ohmic và tổng điện trở bên trong của pin là rõ ràng.Nói chung, nhiệt độ càng thấp, nội trở càng lớn.Nội trở ohmic nhạy cảm hơn với nhiệt độ so với nội trở phân cực và sự thay đổi của nội trở ohmic nhạy cảm hơn với nhiệt độ thấp.
（3） Đường cong soc-ocv của pin có sự khác biệt nhỏ ở các nhiệt độ khác nhau.Nhiệt độ càng thấp, đường cong soc-ocv càng giảm.Và tốc độ lệch của đường cong lớn hơn ở nhiệt độ thấp.
