Zusammenfassung : Lithium-Ionen-Batterien werden in der modernen Welt immer mehr gefördert und eingesetzt. Der Ladezustand (SOC) einer Lithium-Batterie entspricht dem Kraftstofftank eines Autos. Erinnern Sie den Benutzer immer daran, wie viel Energie derzeit zur Verfügung steht, z. B. entsprechen 100 % Energie einem vollen Benzintank. 0% bedeutet, dass die Batterie erschöpft ist, d.h. kein Benzin mehr im Tank ist.

Für eine wissenschaftliche, effiziente und relativ genaue Messung des Ladezustands von Lithiumbatterien sind nicht nur wissenschaftliche Messmethoden erforderlich, sondern auch fortschrittliche Softwarealgorithmen, die den Batterieherstellern garantieren, dass sie Echtzeitwerte erhalten. Dies erfordert, dass die Batteriehersteller den Algorithmus ihres Batteriemanagementsystems (BMS) kontinuierlich verbessern und aktualisieren, damit die Benutzer relativ genaue Leistungsinformationen erhalten und den Gesundheitszustand der Batterie während der Nutzung verstehen können. Indem das entsprechende Programm im Voraus in das BMS-System geschrieben wird, wird der SOC-Wert durch die Spannungsmethode, die Kalman-Filter-Messmethode oder die Coulomb-Zählmethode berechnet.

1. Lithium-Ionen-Batterien sind aus unserem Alltag nicht mehr wegzudenken und treiben Unterhaltungselektronik von Smartphones bis zu Elektroautos an.

Der SOC ist einer der wichtigsten Indikatoren für die Leistung und Lebensdauer einer Batterie. Der SOC ist definiert als verfügbare Kapazität [in (Ah-Ampere-Stunden)] und wird als Prozentsatz der Nennkapazität ausgedrückt. Der SOC-Parameter kann als eine thermodynamische Größe betrachtet werden, die es ermöglicht, die potenzielle Energie der Batterie zu bewerten. Es ist auch wichtig, den Gesundheitszustand der Batterie (SOH) zu schätzen, der ein Maß für die Fähigkeit einer Batterie ist, elektrische Energie zu speichern und zu liefern, verglichen mit einer neuen Batterie (Ghazel, 2017).

Wenn eine Batterie zu tief entladen oder zu oft geladen wird, kann dies ihren allgemeinen Zustand beeinträchtigen und ihre Lebensdauer verkürzen. Es ist besonders wichtig, den SOC innerhalb eines sicheren Bereichs zu halten, um die Lebensdauer der Batterie und eine optimale Leistung zu gewährleisten. Im Allgemeinen wird empfohlen, den SOC-Wert zwischen 20 % und 80 % zu halten. Alles, was unter 20 % oder über 80 % liegt, kann die Batterie belasten und ihre Gesamtlebensdauer verkürzen. Einige internationale Hersteller geben dies in der Batteriespalte ihrer Unterhaltungselektronikprodukte an. Wenn der SOC in diesem Bereich gehalten wird, sollte die Aktivität der Lithium-Ionen in der Batterie so weit wie möglich erhalten bleiben und die Lebensdauer der Batterie so weit wie möglich verlängert werden.

2. Die Messung des SOC kann in einen Algorithmus, der auf dem Messmodell basiert, oder in eine Messmethode, die auf dem Lade- und Entladedurchsatz der Batterie und der Batteriespannung basiert, um den Wert zu erhalten, unterteilt werden. Es gibt jedoch Unterschiede und Schwerpunkte zwischen den drei Verfahren. Daher haben die von den drei Methoden berechneten SOC-Werte auch relative Abweichungen.

3. Coulomb-Zählung

Auch bekannt als Amperestundenzählung und Stromintegration. Wenn die Batterie geladen und entladen wird, wird der SOC durch Akkumulation des geladenen und entladenen Stroms geschätzt. Die Berechnungsmethode ist wie folgt:

C(max): Batterie (maximale) Kapazität; I(now) Strom (A); t: Zeit

Die Nachteile dieser Dosierungsmethode sind: 1. Durch die Stromabnahme werden Fehler verursacht. 2. Der Fehler wird durch die Änderung der Batteriekapazität verursacht. 3. Fehler, die durch die Schätzung und Auswahl der Anfangs- und Endwerte des SOC verursacht werden, die wiederum die Berechnung des Gesamtwerts beeinflussen.

Diese Methode erfasst nur grob die Strommenge, die von außen in die Batterie ein- und aus ihr austritt, ignoriert aber die Abschwächung, die durch den Austausch von Lithium-Ionen im Inneren der Batterie verursacht wird, sowie die Bildung von Lithium-Dendriten und andere Variablen, die die SOC-Berechnung der Batterie "von innen nach außen" beeinflussen. Und der Fehler wird im Laufe der Zeit immer größer werden. Aufgrund dieses Nachteils müssen die Batteriehersteller ihr BMS ständig verbessern, um die Fehler zu verringern.

4. Leerlaufspannungsmethode

Der SOC-Wert oder die verbleibende Kapazität einer Batterie kann durch einen Entladetest unter kontrollierten Bedingungen bestimmt werden. Dieser Algorithmus verwendet die bekannte Entladungskurve der Batterie (Spannung vs. SOC), um einen Batteriespannungswert in einen entsprechenden SOC-Wert umzuwandeln. Allerdings wird die Spannung aufgrund der elektrochemischen Kinetik und der Temperatur der Batterie stärker durch den Batteriestrom beeinflusst. Diese Methode kann genauer werden, indem der Spannungsmesswert mit einem zum Batteriestrom proportionalen Korrekturterm kompensiert wird und eine Nachschlagetabelle mit der Batteriestromkreis-Spannung (OCV) und der Temperatur verwendet wird. Batterien erfordern einen stabilen Spannungsbereich, was die Anwendung der Spannungsmethode erschwert. Außerdem sind Entladungsprüfungen oft mit einem kontinuierlichen Ladevorgang verbunden, was die meisten Anwendungen zeitaufwändig macht.

Außerdem ist die Kurve der Leerlaufspannung von Lithium-Eisenphosphat-Batterien zwischen 30 % und 80 % fast eine Gerade, und es ist schwieriger, den entsprechenden Wert zu finden. Daher eignet sich diese Methode am besten für den Fall, dass die Batterie lange Zeit steht und nicht häufig benutzt wird.

5. Kalman-Filter-Verfahren

Ein dynamischer Simulationsalgorithmus zur Ermittlung des internen Zustands der Batteriezelle eignet sich für die Berechnung des SOC-Werts der Batterie. Die Methode selbst bietet dynamische Fehlergrenzen, setzt Fehlerkorrekturmechanismen ein und ermöglicht eine Echtzeitvorhersage des SOC. Obwohl es sich bei der Kalman-Filterung um eine dynamische Online-Methode handelt, erfordert sie ein geeignetes Batteriemodell und eine genaue Bestimmung seiner Parameter. Außerdem erfordert sie eine hohe Rechenleistung und eine genaue Initialisierung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der SOC-Wert ein wichtiger Faktor bei der Herstellung von Batterien ist. Er hängt nicht nur mit dem intuitiven Körpergefühl des Benutzers bei der Verwendung der Batterie zusammen, sondern beeinflusst auch die Lebensdauer der Batterie oder die Investitionskosten des Kunden beim Kauf der Batterie. Daher ist es wichtig, den SOC-Wert des Akkus während der Nutzung innerhalb des empfohlenen Bereichs zu halten und die Firmware des Akkuprodukts in Echtzeit zu aktualisieren, um die Produktlebensdauer und das Benutzererlebnis zu gewährleisten.

Kostenvoranschläge

GhazelMurnane & AdelMartin. (2017). A Closer Look at State of Charge (SOC) and State of Health (SOH) Estimation Techniques for Batteries.

Minho KimKim, Jungsoo Kim,Jungwook Yu, Soohee HanKwangrae. (2018). State of Charge Estimation For Lithium Iion Battery Based on Reinforcement Learning. ScienceDirect, Seite 404-408.

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