Ladezustand - State of charge

State of Charge ( SoC ) ist der Ladezustand einer elektrischen Batterie im Verhältnis zu ihrer Kapazität. Die Einheiten des SoC sind Prozentpunkte (0% = leer; 100% = voll). Eine alternative Form des gleichen Maßes ist die Entladetiefe ( DoD ) , die Umkehrung des SoC (100% = leer; 0% = voll). SoC wird normalerweise verwendet, wenn der aktuelle Zustand eines Akkus im Einsatz diskutiert wird, während DoD am häufigsten bei der Diskussion der Lebensdauer des Akkus nach wiederholtem Gebrauch verwendet wird.

In einem batterieelektrischen Fahrzeug (BEV), Hybridfahrzeug (HV) oder Plug-in-Hybrid- Elektrofahrzeug (PHEV) entspricht das SoC für das Batteriepaket einer Tankanzeige . Es ist wichtig zu erwähnen, dass der Ladezustand, der als Anzeige oder prozentualer Wert auf dem Armaturenbrett eines Fahrzeugs angezeigt wird, insbesondere bei Plug-in-Hybridfahrzeugen , möglicherweise nicht repräsentativ für den tatsächlichen Ladezustand ist. In diesem speziellen Fall wird eine merkliche Energiemenge, die in der elektrischen Batterie gespeichert ist, nicht auf dem Armaturenbrett angezeigt und ist für Hybridarbeitsvorgänge reserviert . Es ermöglicht einem Fahrzeug, mit Elektromotoren zu beschleunigen, die hauptsächlich Batterieenergie verwenden, während der Motor als Generator verwendet wird, um die Batterie auf das für einen solchen Betrieb erforderliche Mindestniveau aufzuladen. Beispiele für solche Autos sind der Mitsubishi Outlander PHEV (alle Versionen/Produktionsjahre), bei dem 0% des Ladezustands, der dem Fahrer angezeigt wird, real 20-22% des Ladezustands sind (unter der Annahme, dass Null der niedrigste zulässige Ladezustand ist) nach Autohersteller). Ein anderer ist BMW i3 REX (Range Extender-Version), bei dem etwa 6% des SOC für PHEV-ähnliche Operationen reserviert sind. Teslas haben angegeben, dass ihr SoC weniger als 95 % betragen sollte, einige sagen zwischen 30 und 80 % . Es gibt auch einige Daten, um dies zu belegen.

Bestimmung von SoC

Normalerweise kann SoC nicht direkt gemessen werden, aber es kann auf zwei Arten aus direkten Messvariablen geschätzt werden: offline und online. Bei Offline-Techniken möchte die Batterie mit konstanter Rate geladen und entladen werden, wie beispielsweise Coulomb-Zählung. Diese Methode liefert eine genaue Schätzung des Batterie-SoC, aber sie sind langwierig, kostspielig und unterbrechen die Leistung der Hauptbatterie. Daher suchen Forscher nach einigen Online-Techniken. Im Allgemeinen gibt es fünf Methoden, um SoC indirekt zu bestimmen:

  • chemisch
  • Stromspannung
  • aktuelle Integration
  • Kalman-Filterung
  • Druck

Chemische Methode

Diese Methode funktioniert nur bei Batterien, die Zugang zu ihrem flüssigen Elektrolyten bieten , wie z. B. nicht versiegelte Blei-Säure- Batterien. Das spezifische Gewicht oder der pH-Wert des Elektrolyten kann verwendet werden, um den SoC der Batterie anzuzeigen.

Aräometer werden verwendet, um das spezifische Gewicht einer Batterie zu berechnen. Um das spezifische Gewicht zu bestimmen, ist es notwendig, das Volumen des Elektrolyten abzumessen und zu wiegen. Dann wird das spezifische Gewicht angegeben durch (Masse Elektrolyt [g]/Volumen Elektrolyt [ml])/ (Dichte des Wassers, dh 1g/1ml). Um SoC anhand des spezifischen Gewichts zu finden, wird eine Nachschlagetabelle von SG vs. SoC benötigt.

In jüngerer Zeit hat sich die Immersionsrefraktometrie als praktikable Methode zur kontinuierlichen Überwachung des Ladezustands erwiesen. Der Brechungsindex des Batterieelektrolyten steht in direktem Zusammenhang mit dem spezifischen Gewicht oder der Dichte des Elektrolyten der Zelle. Sensoren, Bd. 22, Nr. 1, S. 10. Januar 2005, US-Patent 10,145,789.

Spannungsmethode

Dieses Verfahren wandelt ein Lesen der Batteriespannung zu SoC, die bekannten Entladungskurve (Spannung vs. SoC) der Batterie. Die Spannung wird jedoch stärker durch den Batteriestrom (aufgrund der elektrochemischen Kinetik der Batterie ) und die Temperatur beeinflusst. Dieses Verfahren kann genauer gemacht werden, indem die Spannungsablesung durch einen Korrekturterm proportional zum Batteriestrom kompensiert wird und indem eine Nachschlagetabelle der Leerlaufspannung der Batterie gegenüber der Temperatur verwendet wird.

Tatsächlich ist es ein erklärtes Ziel des Batteriedesigns, unabhängig vom SoC eine möglichst konstante Spannung bereitzustellen, was die Anwendung dieser Methode erschwert.

Aktuelle Integrationsmethode

Dieses Verfahren, auch bekannt als „ Coulomb - Zählung“ berechnet den SOC durch den Batteriestrom zu messen und die Integration in der Zeit. Da keine Messung perfekt sein kann, leidet diese Methode unter Langzeitdrift und fehlendem Referenzpunkt: Daher muss der SoC regelmäßig neu kalibriert werden, z. B. durch Zurücksetzen des SoC auf 100 %, wenn ein Ladegerät dies feststellt der Akku ist vollständig geladen (mit einer der anderen hier beschriebenen Methoden).

Kombinierte Ansätze

Maxim Integrated wirbt für einen kombinierten Spannungs- und Ladungsansatz, von dem behauptet wird, dass er jedem Verfahren allein überlegen ist; es ist in deren ModelGauge m3-Chipserie implementiert, wie zum Beispiel MAX17050, das beispielsweise in den Android-Geräten Nexus 6 und Nexus 9 verwendet wird.

Kalman-Filterung

Um die Nachteile des Spannungsverfahrens und des Stromintegrationsverfahrens zu überwinden, kann ein Kalman-Filter verwendet werden. Die Batterie kann mit einem elektrischen Modell modelliert werden, das der Kalman-Filter verwendet, um die Überspannung aufgrund des Stroms vorherzusagen. In Kombination mit der Coulomb-Zählung kann es eine genaue Schätzung des Ladezustands vornehmen. Die Stärke eines Kalman-Filters besteht darin, dass er sein Vertrauen in die Batteriespannung und die Coulomb-Zählung in Echtzeit anpassen kann.

Druckmethode

Diese Methode kann bei bestimmten NiMH- Akkus angewendet werden, deren Innendruck beim Laden des Akkus schnell ansteigt. Häufiger zeigt ein Druckschalter an, ob die Batterie vollständig geladen ist. Dieses Verfahren kann verbessert werden, indem das Peukertsche Gesetz berücksichtigt wird, das eine Funktion der Lade-/Entladerate oder des Ampere ist .

Siehe auch

Verweise