Conhecimento Dyness | Análise do conceito SOC da bateria de lítio

Resumo: As baterias de iões de lítio são cada vez mais promovidas e utilizadas na vida moderna. O estado de carga (SOC) de uma bateria de lítio é equivalente ao depósito de combustível de um carro. Lembre sempre ao utilizador quanta energia está disponível no momento, por exemplo, 100% de energia é igual a um depósito de combustível cheio. 0% significa que a bateria está esgotada, ou seja, não há gasolina no depósito de combustível.

A medição científica, eficiente e relativamente precisa do SOC das baterias de lítio não só requer métodos de medição científicos, mas também algoritmos de software avançados como garantia necessária para que as empresas de baterias obtenham valores em tempo real. Isso exige que os fabricantes de baterias melhorem e atualizem continuamente o algoritmo do seu sistema de gestão de baterias (BMS) para que os utilizadores possam obter informações relativamente precisas sobre a energia e compreender o estado de saúde da bateria durante a utilização. Ao escrever antecipadamente o programa correspondente no sistema BMS, o valor SOC é calculado pelo método de tensão, pelo método de medição do filtro Kalman ou pelo método de contagem de coulombs.

1. As baterias de iões de lítio são essenciais na nossa vida quotidiana, alimentando aparelhos eletrónicos de consumo, desde smartphones a carros elétricos.

O SOC é um dos indicadores importantes do desempenho e da vida útil da bateria. O SOC é definido como a capacidade disponível [em (Ah-Ampere-hora)] e expresso como uma percentagem da sua capacidade nominal. O parâmetro SOC pode ser visto como uma quantidade termodinâmica que permite avaliar a energia potencial da bateria. Também é importante estimar o estado de saúde da bateria (SOH), que representa uma medida da capacidade da bateria de armazenar e fornecer energia elétrica em comparação com uma bateria nova (Ghazel, 2017).

Se uma bateria for descarregada em demasia ou carregada com demasiada frequência, isso pode afetar o seu estado geral e reduzir a sua vida útil. Manter o SOC dentro de um intervalo seguro é especialmente importante para garantir a vida útil da bateria e um desempenho ideal. Em geral, recomenda-se manter o SOC entre 20% e 80%. Qualquer valor abaixo de 20% ou acima de 80% pode sobrecarregar a bateria e reduzir a sua vida útil geral. Alguns fabricantes internacionais indicam isso na coluna da bateria dos seus produtos eletrónicos de consumo. Quando o SOC deve ser mantido nessa faixa, a atividade dos iões de lítio na bateria deve ser mantida tanto quanto possível e a vida útil da bateria deve ser prolongada tanto quanto possível.

2. A medição do SOC pode ser dividida no algoritmo baseado no modelo de medição ou no método de medição baseado na taxa de carga e descarga da bateria e na tensão do corpo da bateria para obter o valor. Apenas existem diferenças e ênfases entre os três. Portanto, os valores SOC calculados pelos três métodos também apresentam desvios relativos.

3. Contagem de Coulomb

Também conhecido como contagem de ampères-hora e integração de corrente. Quando a bateria está a carregar e descarregar, o SOC é estimado através da acumulação da eletricidade carregada e descarregada. O método de cálculo é o seguinte:

C(max): capacidade (máxima) da bateria; I(agora) corrente (A); t: tempo

As desvantagens deste método de medição são: 1. Erros causados pela amostragem de corrente. 2. Erros causados pela alteração da capacidade da bateria. 3. Erros causados pela estimativa e seleção dos valores inicial e final do SOC, que, por sua vez, afetam o cálculo do valor global.

Este método apenas regista aproximadamente a quantidade de eletricidade que entra e sai da bateria a partir do exterior, mas ignora a atenuação causada pela substituição de iões de lítio no interior da bateria, bem como a geração de dendritos de lítio e outras variáveis que afetam o cálculo do SOC da bateria «de dentro para fora». E o erro só irá aumentar com o passar do tempo. Devido a esta desvantagem, as empresas de baterias são obrigadas a atualizar continuamente o seu BMS para reduzir os erros.

4. Método da tensão em circuito aberto

O SOC de uma bateria, ou a sua capacidade restante, pode ser determinado usando um teste de descarga em condições controladas. Este algoritmo usa a curva de descarga conhecida da bateria (tensão vs. SOC) para converter uma leitura de tensão da bateria num valor SOC equivalente. No entanto, a tensão é mais afetada pela corrente da bateria devido à cinética eletroquímica e à temperatura da bateria. Este método pode ser mais preciso compensando a leitura da tensão com um termo de correção proporcional à corrente da bateria e utilizando uma tabela de consulta da tensão do circuito da bateria (OCV) e da temperatura. As baterias requerem uma faixa de tensão estável, o que torna a abordagem da tensão difícil de implementar. Além disso, os testes de descarga geralmente envolvem carregamento contínuo, tornando a maioria das aplicações demoradas.

Além disso, a curva da tensão em circuito aberto da bateria de fosfato de ferro e lítio entre 30% e 80% é quase uma linha reta, e é mais difícil encontrar o valor correspondente. Portanto, este método é mais adequado para o caso em que a bateria ficou parada por muito tempo e não é usada com frequência.

5. Método do filtro de Kalman

Um algoritmo de simulação dinâmica para detetar o estado interno da célula da bateria é adequado para calcular o valor SOC da bateria. O método em si fornece limites de erro dinâmicos, emprega mecanismos de correção de erros e fornece previsão em tempo real do SOC. Embora a filtragem Kalman seja um método online e dinâmico, ela requer um modelo de bateria adequado e identificação precisa dos seus parâmetros. Também requer grande poder de computação e inicialização precisa.

Em resumo, o valor SOC é uma consideração fundamental na fabricação de baterias. Ele não está apenas relacionado à sensação corporal intuitiva do utilizador ao usar a bateria, mas também afeta a vida útil da bateria ou o custo de investimento do cliente para comprar a bateria. Portanto, manter o valor SOC da bateria dentro de uma faixa recomendada durante o uso e atualizar o firmware do produto da bateria em tempo real são garantias importantes para assegurar a vida útil do produto e a experiência do utilizador.

Citações

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). Uma análise mais detalhada das técnicas de estimativa do estado de carga (SOC) e do estado de saúde (SOH) das baterias.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). Estimativa do estado de carga para baterias de iões de lítio com base na aprendizagem por reforço. ScienceDirect, páginas 404-408.

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