כיצד להעריך את מצב החיוב?

כיצד להעריך את מצב החיוב?

הערכת SOC

מצב הטעינה (SOC) של סוללה הוא אחד הפרמטרים החשובים ביותר במהלך השימוש בסוללה. מכיוון ש-SOC מושפע מגורמים כמו קצב טעינה/פריקה (זרם), טמפרטורה, פריקה עצמית- והזדקנות, סוללות מפגינות חוסר ליניאריות גבוהה במהלך השימוש, מה שמקשה על הערכת SOC מדויקת.

שיטות הערכת SOC

בשימוש נפוץשיטות הערכת SOCכולל את שיטת ניסוי הפריקה, שיטת האינטגרציה של -אמפר שעה, שיטת מתח פתוח-, שיטת מתח עומס, שיטת התנגדות פנימית, שיטת רשת עצבית ושיטת סינון קלמן.

1) שיטת ניסוי פריקה. שיטת ניסוי הפריקה היא שיטת הערכת SOC האמינה ביותר. הוא משתמש בזרם קבוע לפריקה רציפה, והתוצר של זרם הפריקה והזמן הוא המטען הנותר. שיטת ניסוי הפריקה נמצאת בשימוש תדיר במעבדות והיא ישימה על כל הסוללות, אך יש לה שני חסרונות משמעותיים: ראשית, היא דורשת זמן רב; שנית, יש להפסיק את פעולת הסוללה. שיטת ניסוי הפריקה אינה מתאימה לרכבים חשמליים בתנועה, אך ניתן להשתמש בה לתחזוקה של סוללות רכב חשמלי.

2)שיטת אינטגרציה של-אמפר שעה. שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה היא שיטת הערכת SOC הנפוצה ביותר. עם זאת, לשיטה זו יש את הבעיות הבאות: לא מדויקמדידת זרםמוביל לסטיית חישוב SOC, ושגיאות מצטברות עם הזמן והופכות גדולות יותר; יש לשקול את יעילות הפריקה של הסוללה-; השגיאות גדולות יותר בתנאי טמפרטורה-גבוהים או כאשר הסוללה משתנה בעוצמה. ניתן לפתור מדידת זרם לא מדויקת על ידי שימוש בחיישני זרם-בעלי ביצועים גבוהים, אך העלות גדלה; פתרון יעילות פריקה-מצריך שליטה בכמות גדולה של נתונים ניסיוניים והקמת נוסחאות אמפיריות ליעילות פריקה-. ניתן להשתמש בשיטת האינטגרציה של אמפר-שעה עבור כל סוללות הרכב החשמלי. אם המדידה הנוכחית מדויקת ויש מספיק נתונים למצב האומדן הראשוני, זו יכולה להיות שיטת אומדן SOC פשוטה ומהימנה.

3) שיטת מתח מעגל פתוח-. מתח המעגל הפתוח- של סוללה בסוף הפריקה קרוב לכוח החשמלי של הסוללה. הכוח האלקטרוני של סוללת חומצה-קובלט היא פונקציה של ריכוז האלקטרוליטים, שיורד באופן פרופורציונלי עם פריקת הסוללה, כך שניתן להשתמש במתח המעגל הפתוח כדי להעריך את ה-SOC. הליניאריות של מתח המעגל הפתוח- לעומת SOC עבור סוללות MH/Ni וסוללות ליתיום- אינה טובה כמו זו של סוללות חומצה קובלט-, אך עדיין ניתן להשתמש בקשר המתאים שלהן להערכת SOC, במיוחד עם תוצאות טובות יותר בתחילת הטעינה ובסוף הטעינה. חסרון משמעותי של שיטת המתח הפתוח- הוא שהסוללה צריכה לנוח זמן רב כדי לייצב את המתח, ולוקח מספר שעות ואפילו יותר מעשר שעות עד שמצב הסוללה מתאושש מפעולה ליציבות, מה שגורם לקשיים מסוימים במדידה; קביעת משך המנוחה היא גם בעיה, ולכן שיטה זו בשימוש לבד מתאימה רק לכלי רכב חשמליים במצב חניה. לשיטת המתח הפתוח-יש ביצועי הערכת SOC טובים בתחילת הטעינה ובסוף הטעינה והיא משמשת לעתים קרובות בשילוב עם שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה.

4) שיטת מתח עומס. עם תחילת הפריקה המיידית, המתח משתנה במהירות ממצב המתח הפתוח-למצב מתח העומס. כאשר זרם עומס הסוללה נשאר קבוע, דפוס שינוי מתח העומס עם SOC דומה לזה של מתח מעגל פתוח עם SOC. היתרון של שיטת מתח העומס הוא בכך שהיא יכולה להעריך את ה-SOC של ערכת הסוללות בזמן אמת ויש לה תוצאות טובות במהלך פריקת זרם- קבועה. ביישומים מעשיים, מתח הסוללה של הנהג מביא לקשיים בשימוש במתח עומס. כדי לפתור בעיה זו, יש צורך במודל מתמטי של נתוני מתח הסוללה, מתח עומס דינמי עצמאי ו-SOC; לכן, שיטת מתח העומס מיושמת רק לעתים רחוקות על כלי רכב אמיתיים, אך משמשת לעתים קרובות כקריטריון לניתוק טעינת הסוללה-.

5) שיטת התנגדות פנימית. ההתנגדות הפנימית של הסוללה מחולקת להתנגדות פנימית AC והתנגדות פנימית DC, שניהם קשורים קשר הדוק ל-SOC (State of Charge). עכבת AC של הסוללה היא פונקציית העברה בין מתח הסוללה לזרם, משתנה מורכב המייצג את התנגדות הסוללה לזרם AC, ונמדדת באמצעות מד עכבת AC. עכבת AC הסוללה מושפעת מאוד מהטמפרטורה; האם למדוד אותו במעגל פתוח-לאחר שהסוללה שקעה או במהלך טעינה ופריקה היא שנויה במחלוקת ולעתים רחוקות משתמשים בה בכלי רכב בפועל. התנגדות פנימית DC מייצגת את ההתנגדות של הסוללה לזרם DC, שווה ליחס בין השינוי במתח הסוללה לשינוי הזרם בפרק זמן קצר מאוד. במדידה בפועל, הסוללה נטענת או מתרוקנת בזרם קבוע החל ממצב מעגל פתוח-; ההבדל בין מתח העומס למתח המעגל הפתוח- באותו פרק זמן, חלקי הערך הנוכחי, הוא ההתנגדות הפנימית של DC. עבור סוללות{10}}עופרת חומצה, ההתנגדות הפנימית של DC עולה משמעותית בשלבים המאוחרים יותר של הפריקה וניתן להשתמש בה כדי להעריך את SOC הסוללה; וריאציה של ההתנגדות הפנימית של DC של סוללות MH/Ni וסוללות ליתיום- שונה מזו של סוללות חומצה עופרת- ונמצאת פחות בשימוש. גודל ההתנגדות הפנימית של DC מושפע מתקופת זמן החישוב. אם פרק הזמן קצר מ-10ms, ניתן לזהות רק את ההתנגדות הפנימית האוהמית; אם פרק הזמן ארוך יותר, ההתנגדות הפנימית הופכת מורכבת יותר. מדידה מדויקת של ההתנגדות הפנימית של תא בודד היא קשה, וזה החיסרון של שיטת ההתנגדות הפנימית של DC. שיטת ההתנגדות הפנימית מתאימה להערכת מצב הטעינה (SOC) של סוללה בשלבי הפריקה המאוחרים וניתן להשתמש בה בשילוב עם שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה.

6) שיטת רשת עצבית. סוללה היא מערכת מאוד לא ליניארית, וקשה לבסס מודל מתמטי מדויק לתהליך פריקת הטעינה- שלה. לרשתות עצביות יש מאפיינים לא ליניאריים בסיסיים, מבנה מקביל ויכולת למידה. הם יכולים לייצר תפוקות תואמות עבור עירורים חיצוניים ובכך לדמות מאפיינים דינמיים של סוללה להערכת SOC. רשת נוירונים טיפוסית בת 3 שכבות משמשת בדרך כלל להערכת SOC של הסוללה: מספר הנוירונים בשכבות הקלט והפלט נקבע על פי דרישות הבעיה בפועל והוא בדרך כלל פונקציה ליניארית; מספר הנוירונים בשכבה הנסתרת תלוי במורכבות הבעיה ובדיוק הניתוח הנדרש. משתני קלט נפוצים להערכת SOC של סוללה כוללים מתח, זרם, קיבולת פריקה מצטברת, טמפרטורה, התנגדות פנימית וטמפרטורת הסביבה. האם בחירת משתני הקלט של הרשת העצבית מתאימה והאם מספר המשתנים מתאים משפיעים ישירות על דיוק המודל ועל העומס החישובי. שיטת הרשת העצבית ישימה על סוללות שונות, אך החיסרון שלה הוא שהיא דורשת כמות גדולה של נתוני ייחוס לאימון, ושגיאת האומדן מושפעת מאוד מנתוני האימון ושיטת האימון.

7)שיטת סינון קלמן. הרעיון המרכזי של תורת הסינון של קלמן הוא לבצע את האומדן האופטימלי של מצבה של מערכת דינמית במובן של שונות מינימלית. כאשר מיושמים על הערכת SOC של הסוללה, הסוללה נחשבת למערכת דינמית ו-SOC הוא אחד המצבים הפנימיים שלה. מחקר על שיטת פילטר קלמן להערכת SOC סוללה החל רק בשנים האחרונות. שיטה זו מתאימה לסוללות שונות ובהשוואה לשיטות אחרות, מתאימה במיוחד להערכת SOC של ערכות מצברים לרכב חשמלי עם תנודות זרם גדולות. זה לא רק מספק את אומדן ה-SOC אלא גם נותן את שגיאת האומדן של SOC. עם זאת, החיסרון בשיטה זו הוא שהאלגוריתם מורכב מדי ודורש יכולת חישובית גבוהה של המערכת, ולכן היא טרם נכנסה לשלב המעשי.

באמצעות-מחקר מעמיק על שיטות הערכת SOC שונות, שיטת האינטגרציה של אמפר-שעה נבחרה בתחילה כבסיס. על ידי מדידה מדויקת של זרם הסוללה, בשילוב עם שיטת-מתח המעגל הפתוח והתחשבות בגורמים כגון טעינת-יעילות פריקה, טמפרטורה, הזדקנות ופריקה עצמית-, מושג ניהול דינמי של סוללת החשמל של רכבים חשמליים טהורים. עבור כלי רכב חשמליים טהורים, ערכת הסוללות פועלת בעצם במצב-טעינה מלאה ופריקה מלאה{{8}, כאשר רוב תהליך הטעינה הוא קבוע-טעינה נוכחית. לאחר השלמת הטעינה, ישנה נקודת קביעת ערך ראשונית יציבה יחסית (כאשר הטעינה מסתיימת, SOC נטען ב-100% או מעט מוגזם). אם יעילות הפריקה-של ערכת הסוללות גבוהה מאוד (מעל 95%), ניתן להעריך את יעילות הפריקה של-הטעינה כ-1 או שווה לערך קבוע מסוים. שימוש בשיטה זו לחישוב SOC יכול להשיג תוצאות טובות יחסית. השגיאה המצטברת של כל מחזור טעינה-מתבטלת בעצם כאשר הטעינה הבאה תושלם יחד עם כיול מחדש של ערך ה-SOC הראשוני.

על ידי ביצוע מדידות-בדיוק גבוה של מידע מתח, זרם וטמפרטורה של הסוללה כדי להבטיח את הדיוק של כניסות הערכת SOC; על ידי הקמת מודל סוללה יעיל באמצעות ניתוח תיאורטי והתאמת נתונים ניסיוניים; על ידי תיקון SOC בסוף הטעינה והפריקה כדי למנוע שגיאות SOC שנצברו; ועל ידי התחשבות בגורמי יעילות הפריקה של-טעינת הסוללה, הטמפרטורה, ההזדקנות והשפעות-הפריקה העצמית, מושגת אומדן-דיוק גבוה של מערכת SOC. אלגוריתם הערכת מצב הסוללה-של-טעינה מוצג באיור 17-12.

(1) שיטת חישוב ערך התחלתי של SOCהערך ההתחלתי של SOC מתקבל על ידי הכפלת ה-SOC המאוחסן בזמן כיבוי-וה-SOC המתקבל מטבלת בדיקת הטמפרטורה-OCV-SOC במקדם הקשור לזמן הלא מקוון של המערכת. יש לקרוא את הערך ההתחלתי של SOC בכל פעם שהמערכת מופעלת.

(2) חישוב ערך SOC של תא בודד ותיקון ערך SOC של תא בודד על בסיס ערך SOHקיבולת הסוללה מתקבלת על ידי חיפוש בטבלה באמצעות טמפרטורה וזרם טעינה, וקיבולת הסוללה מתוקנת על ידי חיפוש בטבלה באמצעות SOH. הזרם משולב בשיטת אמפר-שעה ולאחר מכן מחולק בקיבולת כדי לקבל את ערך השינוי ב-SOC. ערך השינוי ב-SOC מתווסף לערך ההתחלתי כדי לקבל את ערך ה-SOC של התא הבודד.

(3) חישוב ערכת סוללות SOCאם המערכת מופעלת שוב, הערך ההתחלתי של קריאת SOC נלקח כ-SOC של ערכת הסוללות; אם במצב פריקה, ערכת הסוללות SOC קוראת את הערך המינימלי בין SOCs התא הבודדים; אם במצב טעינה והטעינה לא הסתיימה, ערכת הסוללות SOC קוראת את ערך ה-SOC המרבי של המודול; אם במצב טעינה והטעינה הסתיימה, ערכת הסוללות SOC מוגדרת ל-1.

(4)שיטת תיקון SOC של תא בודד בסוף הטעינה/הפריקהאם המערכת במצב טעינה וחבילת הסוללות SOC גדולה מ-0.8, המערכת מוגדרת כנמצאת בסוף הטעינה; אם המערכת במצב פריקה ומערך הסוללות SOC נמוך מ-0.3, המערכת מוגדרת כנמצאת בסוף הפריקה. אם המערכת נמצאת בסוף הטעינה/הפריקה, יש לתקן את ה-SOC. שיטת חישוב ה-SOC בסוף הטעינה/הפריקה היא לקבל את ערך ה-SOC על ידי חיפוש בטבלה באמצעות טמפרטורה, זרם טעינה/פריקה ומתח.