RU2662045C1 - Method for determining the battery charging rate - Google Patents
Method for determining the battery charging rate Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662045C1 RU2662045C1 RU2017140425A RU2017140425A RU2662045C1 RU 2662045 C1 RU2662045 C1 RU 2662045C1 RU 2017140425 A RU2017140425 A RU 2017140425A RU 2017140425 A RU2017140425 A RU 2017140425A RU 2662045 C1 RU2662045 C1 RU 2662045C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- battery
- charge
- voltage
- degree
- charging
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 42
- 230000007704 transition Effects 0.000 claims abstract description 9
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims abstract description 5
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims abstract description 3
- GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K lithium iron phosphate Chemical compound [Li+].[Fe+2].[O-]P([O-])([O-])=O GELKBWJHTRAYNV-UHFFFAOYSA-K 0.000 abstract description 11
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 8
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 2
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 2
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 2
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052493 LiFePO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 208000035051 Malignant migrating focal seizures of infancy Diseases 0.000 description 1
- KFDQGLPGKXUTMZ-UHFFFAOYSA-N [Mn].[Co].[Ni] Chemical compound [Mn].[Co].[Ni] KFDQGLPGKXUTMZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000011088 calibration curve Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000002001 electrolyte material Substances 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 1
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 1
- 229910000625 lithium cobalt oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N lithium;oxido(oxo)cobalt Chemical compound [Li+].[O-][Co]=O BFZPBUKRYWOWDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 208000012054 malignant migrating partial seizures of infancy Diseases 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 229910052987 metal hydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
- G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
- G01R31/36—Arrangements for testing, measuring or monitoring the electrical condition of accumulators or electric batteries, e.g. capacity or state of charge [SoC]
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Secondary Cells (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к способам определения степени заряженности аккумулятора, в том числе аккумулятора с катодом на основе литий-железо-фосфата, находящегося в режимах заряда, поддерживающего заряда и хранения.The technical solution relates to methods for determining the degree of charge of a battery, including a battery with a cathode based on lithium iron phosphate, which is in charge modes, supporting charge and storage.
Разработка способа определения степени заряженности аккумулятора является крайне актуальной. Во многих случаях необходимо знать остаточную емкость аккумулятора (т.е. его степень заряженности) для того, чтобы прогнозировать возможность дальнейшей работы аппаратуры, питаемой от аккумулятора, или принять решение о зарядке этого аккумулятора (Химические источники тока: Справочник / под ред. Н.В. Коровина и А.М. Скундина. - М.: Издательство МЭИ, 2003, с.24). Например, если возникает задача замены вышедшего из строя аккумулятора в батарее на аккумулятор, длительно находящийся в качестве запасного, замену можно произвести только после того, как степень заряженности и батареи, и нового аккумулятора будут одинаковыми, а для этого необходимо знать степень заряженности и батареи, и нового аккумулятора. The development of a method for determining the degree of battery charge is extremely relevant. In many cases, it is necessary to know the residual capacity of the battery (i.e. its degree of charge) in order to predict the possibility of further operation of the equipment powered by the battery, or to decide on charging this battery (Chemical current sources: Reference / edited by N. V. Korovin and A. M. Skundin. - M .: Publishing House MPEI, 2003, p.24). For example, if the problem arises of replacing a failed battery in a battery with a battery that has been in reserve for a long time, you can replace it only after the degree of charge and the battery and the new battery are the same, and for this you need to know the degree of charge and battery, and a new battery.
Из существующего уровня техники известные традиционные способы определения степени заряда для свинцово-кислотных аккумуляторов, основанные на измерении плотности электролита, для любых типов необслуживаемых (в том числе литий-ионных) аккумуляторов не применимы.From the existing level of technology, well-known traditional methods for determining the degree of charge for lead-acid batteries, based on measuring the density of the electrolyte, are not applicable for any types of maintenance-free (including lithium-ion) batteries.
Из существующего уровня техники также известны способы измерения степени заряда аккумулятора, основанные на измерении напряжения разомкнутой цепи (далее – НРЦ) – напряжения на его клеммах в условиях разомкнутой цепи (патент РФ №530375, кл. Н01М 10/48, опубл. 30.09.1976 г.). Этот способ основан на том, что для аккумуляторов напряжение разомкнутой цепи повышается по мере степени заряженности, и существует однозначная зависимость между этими величинами. В частности, подобное явление присуще и наиболее распространенному в настоящее время типу литий-ионных аккумуляторов, у которых положительный электрод изготовлен из литированного оксида кобальта или подобных оксидных соединений (например, на основе никель-марганец-кобальта).Methods for measuring the degree of charge of a battery based on measuring the voltage of an open circuit (hereinafter referred to as the NRC) —the voltage at its terminals in an open circuit (RF patent No. 530375,
Этот способ не подходит для литий-железо-фосфатных аккумуляторов. Характерная особенность этих аккумуляторов состоит в том, НРЦ для такого аккумулятора практически не изменяется в средней части степени заряженности практически до самого конца заряда, а в конце заряда происходит резкое увеличение потенциала. В результате, профиль заряда аккумулятора с таким положительным электродом почти на всем протяжении является почти горизонтальной прямой и использование данного метода приведет к большой ошибке, продемонстрированной с помощью графика на Фиг. 1. Например, ошибка в измерении напряжения 10 мВ – типичной точности для измерительных систем, при степени заряженности 70% может соответствовать ошибке в измерении степени заряженности в 15–20% и более (Фиг. 2). This method is not suitable for lithium iron phosphate batteries. A characteristic feature of these batteries is that the NRC for such a battery practically does not change in the middle part of the state of charge almost until the very end of the charge, and at the end of the charge there is a sharp increase in potential. As a result, the profile of the charge of the battery with such a positive electrode is almost an entire horizontal line and the use of this method will lead to a large error, demonstrated using the graph in FIG. 1. For example, an error in measuring a voltage of 10 mV — typical accuracy for measuring systems, with a degree of charge of 70% may correspond to an error in measuring a degree of charge of 15–20% or more (Fig. 2).
Из существующего уровня техники также известен способ оценки степени заряженности батареи (патент РФ на изобретение №2491566, опубликованный 27.08.2013), в котором измеряют ток и напряжение на клеммах батареи, задают ее модель. Используя фильтр переменных состояния, оценивают на модели напряжение аккумуляторной батареи. Идентифицируют степень заряженности аккумуляторной батареи таким образом, чтобы разность между измеренным значением напряжения и его оценочным значением стремилась к нулю. При этом измеренные и вычисленные на модели значения напряжения подвергают фильтрационной обработке с помощью низкочастотного фильтра.The prior art also knows a method for assessing the degree of battery charge (RF patent for the invention No. 2491566, published August 27, 2013), in which the current and voltage at the terminals of the battery are measured, and its model is set. Using a filter of state variables, the battery voltage is estimated on the model. The degree of charge of the battery is identified so that the difference between the measured voltage value and its estimated value tends to zero. In this case, the voltage values measured and calculated on the model are subjected to filtration processing using a low-pass filter.
Данный способ требует значительных вычислительных ресурсов цифровых устройств контроля состояния аккумулятора (батареи), но не позволяет получить с требуемой точностью значение степени заряженности аккумулятора (батареи) в процессе его эксплуатации.This method requires significant computing resources of digital devices for monitoring the state of the battery (battery), but does not allow to obtain with the required accuracy the value of the degree of charge of the battery (battery) during its operation.
Известен способ оценки остаточной емкости литий-ионного аккумулятора (Патент РФ на изобретение №2621885, опубликованный 27.04.2017), который включает в себя измерение напряжения аккумулятора и определение его остаточной емкости по зависимости от величины напряжения. При этом в рабочем режиме работы аккумулятора на основе его математической модели с экспериментально определенными параметрами, зависящими от степени заряженности и измеряемого значения тока разряда/заряда, оценивают текущее теоретическое напряжение аккумулятора, которое сравнивают с измеряемым текущим значением Uj(t) напряжения аккумулятора.A known method for assessing the residual capacity of a lithium-ion battery (RF Patent for the invention No. 2621885, published 04/27/2017), which includes measuring the voltage of the battery and determining its residual capacity depending on the voltage value. Moreover, in the operating mode of the battery, based on its mathematical model with experimentally determined parameters depending on the degree of charge and the measured value of the discharge / charge current, the current theoretical battery voltage is estimated, which is compared with the measured current value U j (t) of the battery voltage.
Данный способ также требует значительных вычислительных ресурсов, при этом не позволяет получить с требуемой точностью значение степени заряженности аккумулятора (батареи) в процессе его эксплуатации.This method also requires significant computing resources, while it does not allow to obtain with the required accuracy the value of the degree of charge of the battery (battery) during its operation.
Некоторое распространение получили также способы определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов по изменению их внутреннего сопротивления.Methods for determining the residual capacity of lithium-ion batteries by changing their internal resistance have also gained some popularity.
Известен способ определения остаточной емкости первичного элемента с анодом из металлического лития, в соответствии с которым измерение внутреннего сопротивления проводится в два этапа: вначале на элемент подается предварительный сильный импульс разрядного тока, который разрушает пассивную пленку на литиевом аноде, а сразу после этого проводится измерение электрохимического импеданса в широком диапазоне частот. Анализ частотной зависимости импеданса и ее сравнение с калибровочной кривой позволяют оценить остаточную емкость элемента (см. патент РФ №2295139, кл. G01R 31/36, опубл. 27.10.2006 г.).A known method for determining the residual capacitance of a primary element with a lithium metal anode, according to which the internal resistance is measured in two stages: first, a preliminary strong discharge current pulse is applied to the element, which destroys the passive film on the lithium anode, and immediately after that the electrochemical measurement impedance over a wide frequency range. Analysis of the frequency dependence of the impedance and its comparison with the calibration curve allow us to estimate the residual capacity of the element (see RF patent No. 2295139, class G01R 31/36, publ. 10/27/2006).
Указанный способ отличается сложностью осуществления, громоздкостью применяемой измерительной аппаратуры и не может быть применен для определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов. This method is notable for the complexity of implementation, the cumbersomeness of the measuring equipment used and cannot be used to determine the residual capacity of lithium-ion batteries.
Аналогичный способ измерения остаточной емкости никель-металлгидридных аккумуляторов описан в патенте США №6653817, опубликованный 25.11.2003. Согласно данному способу предлагается проводить измерения импеданса на переменном токе в достаточно широком диапазоне частот; остаточную емкость аккумулятора оценивают из анализа частотной зависимости импеданса.A similar method for measuring the residual capacity of nickel-metal hydride batteries is described in US Patent No. 6653817, published November 25, 2003. According to this method, it is proposed to measure impedance on alternating current in a fairly wide frequency range; the residual capacity of the battery is estimated from the analysis of the frequency dependence of the impedance.
К недостаткам указанных способов относится то, что, как показали многочисленные измерения, у литий-железо-фосфатного аккумулятора внутреннее сопротивление слабо зависит от степени заряда (по крайней мере при степени заряженности выше 20%) и не имеет экстремумов (Ворошилов А.Н., Петров А.Н., Чудинов Е.А. «Литий-железо-фосфатная аккумуляторная батарея. Моделирование режима зарядки», Новости электротехники, №2, 2017). The disadvantages of these methods include the fact that, as shown by numerous measurements, the internal resistance of a lithium-iron-phosphate battery weakly depends on the degree of charge (at least when the degree of charge is above 20%) and does not have extrema (Voroshilov A.N., Petrov AN, Chudinov EA "Lithium-iron-phosphate rechargeable battery. Modeling the charging mode", Electrical Engineering News, No. 2, 2017).
Известен способ определения остаточной емкости литий-ионного аккумулятора, при котором контролируют провал напряжения при импульсном разряде, при том что импульсный разряд тестируемого аккумулятора осуществляют током (20÷80)С в течение 10-200 мс, а значение остаточной емкости аккумулятора определяют по величине провала напряжения при импульсном разряде из предварительно полученной для данного типа аккумулятора зависимости провала напряжения при импульсном разряде от остаточной его емкости (патент РФ на изобретение №2326475, опубликованный 10.06.2008 г.).There is a method of determining the residual capacity of a lithium-ion battery, in which the voltage drop during a pulse discharge is controlled, while the pulse discharge of the tested battery is carried out by a current (20 ÷ 80) C for 10-200 ms, and the value of the residual capacity of the battery is determined by the value of the dip voltage during a pulsed discharge from the voltage dip during a pulsed discharge previously obtained for a given type of battery from its residual capacity (RF patent for the invention No. 2326475, published June 10, 2008).
Недостатком известного способа является то, что он предусматривает использование довольно большого тока в импульсе - от 20C до 80C, где C - коэффициент, численно равный номинальной емкости источника тока. Такие значения разрядного тока не могут быть реализованы в аккумуляторах с положительным электродом на основе литий-железо-фосфата, поскольку такие электроды вообще не выдерживают такой разрядной нагрузки. К недостаткам способа также можно отнести невысокую точность определения остаточной емкости аккумулятора вследствие значительной нестабильности его параметров в процессе эксплуатации. Кроме того, необходимость организации специального тестового режима нагружения аккумулятора существенно затрудняет реализацию и применение данного способа в условиях промышленной эксплуатации аккумулятора.The disadvantage of this method is that it provides for the use of a rather large current in the pulse - from 20C to 80C, where C is a coefficient numerically equal to the nominal capacity of the current source. Such values of the discharge current cannot be realized in batteries with a positive electrode based on lithium iron phosphate, since such electrodes do not withstand such a discharge load. The disadvantages of the method also include the low accuracy of determining the residual capacity of the battery due to the significant instability of its parameters during operation. In addition, the need to organize a special test mode of loading the battery significantly complicates the implementation and application of this method in the conditions of industrial operation of the battery.
Из существующего уровня техники наиболее точным способом определения степени заряженности литий-ионного аккумулятора считается способ, основанный на подсчете кулоновского интеграла, при котором система управления фиксирует ток заряда или разряда аккумулятора (батареи) в каждый момент времени и определяет изменение заряженности аккумулятора через вычисление интеграла тока заряда по времени заряда. Данный метод сравнительно хорошо работает в том случае, если аккумулятор постоянно эксплуатируется в циклическом режиме, то есть в каждый момент времени он либо заряжается, либо разряжается хорошо измеряемым током (величиной в несколько ампер и более). Но в случае если аккумулятор длительно эксплуатируется в режиме поддерживающего заряда (заряжается или разряжается токами величиной несколько десятков миллиампер и менее), или в режиме хранения, в котором имеют место только токи саморазряда (величиной несколько миллиампер), подсчет кулоновского интеграла приводит к большой ошибке. Таким образом, степень заряженности аккумулятора, длительно находящегося в режиме поддерживающего заряда или хранения можно определить только приблизительно, с точностью, недостаточной, например, для правильной замены аккумулятора в батарее. From the current level of technology, the most accurate way to determine the degree of charge of a lithium-ion battery is considered to be a method based on the calculation of the Coulomb integral, in which the control system records the charge or discharge current of the battery (battery) at each time and determines the change in battery charge by calculating the charge current integral by charge time. This method works relatively well if the battery is constantly being used in cyclic mode, that is, at each moment of time it is either charged or discharged by a well-measured current (several amperes or more). But if the battery is used for a long time in the mode of supporting charge (it is charged or discharged with currents of several tens of milliamps or less), or in the storage mode in which only self-discharge currents (of several milliamps) take place, the calculation of the Coulomb integral leads to a big error. Thus, the degree of charge of a battery that has been in a mode of supporting charge or storage for a long time can be determined only approximately, with an accuracy insufficient, for example, to correctly replace the battery in the battery.
Технический результат предлагаемого способа определения степени заряженности аккумулятора заключается в повышении точности определения степени заряженности. The technical result of the proposed method for determining the degree of charge of the battery is to increase the accuracy of determining the degree of charge.
Заявляемый способ позволяет с высокой точностью определить степень заряженности аккумулятора без привлечения вычислительных ресурсов микропроцессорной измерительной системы и наиболее эффективен для определения степени заряженности литий-железо-фосфатного аккумулятора, эксплуатируемого в режиме поддерживающего заряда или в режиме хранения.The inventive method allows with high accuracy to determine the degree of charge of the battery without involving the computing resources of the microprocessor measuring system and is most effective for determining the degree of charge of a lithium-iron-phosphate battery operated in a maintenance charge mode or in storage mode.
Технический результат достигается за счет того, что способ определения степени заряженности аккумулятора, включающий предварительное определение профиля заряда эталонного аккумулятора методом заряда его стабилизированным постоянным током величины I0 до достижения на нем уровня напряжения U0, соответствующего переходу в режим заряда стабилизированным напряжением, затем заряда его стабилизированным напряжением U0 со снижением величины зарядного тока I и определением для эталонного аккумулятора соответствия между величиной принимаемого зарядного тока I и степенью его заряженности, затем осуществляют определение степени заряженности измеряемого аккумулятора, включающее подачу на него напряжения U0, при этом если степень его заряженности выше степени заряженности, при которой происходит переход в режим заряда стабилизированным напряжением, по величине принимаемого тока определяют степень заряженности аккумулятора.The technical result is achieved due to the fact that the method of determining the degree of charge of the battery, including the preliminary determination of the charge profile of the reference battery by charging it with stabilized direct current of the value I0 until it reaches the voltage level U0 corresponding to the transition to the charge mode with the stabilized voltage, then charging it with the stabilized voltage U0 with a decrease in the value of the charging current I and the determination for the reference battery of the correspondence between the value accepted charge current I and the degree of its charge, then determine the degree of charge of the measured battery, including applying voltage U0 to it, while if the degree of charge is higher than the degree of charge at which the stabilized voltage enters the charge mode, the degree of received current determines the degree of battery charge.
Уровень напряжения U0 может подбираться таким образом, чтобы переход в режим заряда стабилизированным напряжением происходил при степени заряженности от 20% и выше.The voltage level U0 can be selected so that the transition to the charge mode with a stabilized voltage occurs when the degree of charge is from 20% or higher.
Заряд измеряемого аккумулятора предпочтительно производить в течение не менее 10 минут.It is preferable to charge the measured battery for at least 10 minutes.
Заявленный способ эффективен для определения степени заряженности аккумулятора (в том числе литий-железо-фосфатного аккумулятора), эксплуатируемого в режиме заряда, поддерживающего заряда или в режиме хранения.The claimed method is effective for determining the degree of charge of the battery (including lithium-iron-phosphate battery), operated in charge mode, supporting charge or in storage mode.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор – это тип электрохимического источника тока, являющийся видом литий-ионного аккумулятора, в котором в качестве активного вещества катода используется LiFePO4. A lithium-iron phosphate battery is a type of electrochemical current source that is a type of lithium-ion battery in which LiFePO4 is used as the active substance of the cathode.
Режим поддерживающего заряда – режим заряда, при котором аккумулятор (батарея) постоянно подключен к зарядному устройству и к нагрузке. Если в электрической сети есть напряжение, то нагрузку питает зарядное устройство, одновременно оно компенсирует ток саморазряда аккумулятора (батареи). В случае отключения напряжения в электрической сети, аккумулятор (батарея) разряжается на подключенную к нему нагрузку без какого-либо перерыва в электроснабжении.Support charge mode - a charge mode in which the battery (battery) is constantly connected to the charger and to the load. If there is voltage in the electric network, then the charger is supplied with the load, at the same time it compensates for the self-discharge current of the battery (battery). In case of disconnection of voltage in the electric network, the accumulator (battery) is discharged to the connected load without any interruption in the power supply.
Режим хранения аккумулятора – режим, при котором он отключен и от зарядного устройства, и от нагрузки, при этом он не заряжается и не разряжается.Battery storage mode - a mode in which it is disconnected both from the charger and from the load, while it does not charge and does not discharge.
Профиль заряда – зависимость тока заряда от степени заряженности аккумулятора при постоянном приложенном напряжении заряда.Charge profile - the dependence of the charge current on the degree of charge of the battery at a constant applied charge voltage.
I0 – ток зарядки аккумулятора в режиме зарядки аккумулятора стабилизированным током (постоянная величин)I0 - battery charging current in the battery charging mode with stabilized current (constant value)
U0 - напряжение зарядки аккумулятора в режиме зарядки стабилизированным напряжением (постоянная величина)U0 - battery charging voltage in the stabilized voltage charging mode (constant value)
I – ток зарядки аккумулятора (переменная величина)I - battery charging current (variable)
Заявляемый способ, который позволяет с высокой точностью определять степень заряженности аккумулятора через измерение тока заряда после перехода аккумулятора из режима заряда при постоянном токе (в режим заряда при постоянном напряжении), проиллюстрирован с помощью фигур.The inventive method, which allows with high accuracy to determine the degree of charge of the battery by measuring the charge current after the battery transitions from the charge mode at constant current (charge mode at constant voltage), is illustrated using the figures.
Фигура 1 отображает зависимость НРЦ аккумулятора от степени его заряженности (SoC); Figure 1 shows the dependence of the NRC of the battery on the degree of its charge (SoC);
Фигура 2 отображает зависимость скорости изменения НРЦ аккумулятора от степени его заряженности (SoC); Figure 2 displays the dependence of the rate of change of the NRC of the battery on the degree of its charge (SoC);
Фигура 3 демонстрирует график процесса заряда (профиль заряда) аккумулятора;Figure 3 shows a graph of the charge process (charge profile) of the battery;
Фигура 4 представляет схема подключения аккумулятора (батареи) к ЗВУ;Figure 4 is a diagram of the connection of the accumulator (battery) to the sound memory;
Фигура 5 отражает профиль заряда аккумулятора при подаче напряжения заряда на аккумулятор, находившийся в режиме хранения.Figure 5 reflects the profile of the battery charge when applying voltage to the battery, which was in storage mode.
Фигура 6 отражает профиль заряда аккумуляторной батареи при подаче напряжения заряда на батарею, находившуюся в режиме поддерживающего заряда.Figure 6 reflects the charge profile of the battery when the charge voltage is applied to the battery, which was in the mode of supporting charge.
Электрические параметры, представленные на Фиг. 3, характерны для литий-железо-фосфатного аккумулятора. По оси ординат отложены значения тока заряда I в долях от его емкости С. При этом ток заряда 1С равен току полного разряда предварительно заряженного аккумулятора в течение одного часа, 0,5С – в течение двух часов и т.п. По оси абсцисс – степень его заряженности. Переход из режима заряда постоянным током в режим заряда постоянным напряжением происходит в тот момент, когда сумма напряжения разомкнутой цепи и падения напряжения на внутреннем сопротивлении аккумулятора становится выше уставки напряжения заряда аккумулятора заданным напряжением U0. При токе заряда 0,2С (ток полного разряда аккумулятора в течение пяти часов) и напряжении заряда 3,40 это переход происходит примерно при степени заряженности 50%. Данный профиль заряда зависит от конкретной модели аккумулятора и должен быть измерен заранее (то есть получена зависимость I от степени заряженности). Соответственно в режиме заряда, между током заряда аккумулятора, и степенью его заряженности существует однозначное соответствие. Например, на Фиг. 3 току величиной 0,1С соответствует степень заряженности 75%.The electrical parameters shown in FIG. 3, characteristic of lithium iron phosphate battery. The ordinate axis shows the values of the charge current I in fractions of its capacity C. At the same time, the charge current 1C is equal to the current of the full discharge of the pre-charged battery for one hour, 0.5C for two hours, etc. The abscissa is the degree of its charge. The transition from a charge mode with a direct current to a charge mode with a constant voltage occurs at the moment when the sum of the open circuit voltage and the voltage drop at the internal resistance of the battery becomes higher than the set value of the battery charge voltage with a given voltage U0. With a charge current of 0.2 ° C (full discharge current of the battery for five hours) and a charge voltage of 3.40, this transition occurs approximately at a degree of charge of 50%. This charge profile depends on the specific battery model and must be measured in advance (that is, the dependence of I on the degree of charge is obtained). Accordingly, in the charge mode, there is an unambiguous correspondence between the charge current of the battery and the degree of its charge. For example, in FIG. 3 current value of 0.1C corresponds to a degree of charge of 75%.
В реальном случае, когда аккумулятор (батарея) подключен к зарядному устройству (ЗУ) через кабель конечной проводимости, профиль заряда становится сложнее, так как по мере роста степени заряженности аккумулятора (батареи) снижается зарядный ток I и, соответственно, падение напряжения на подводящих кабелях. Это приводит к увеличению напряжения, приложенного к аккумулятору по мере его заряда, и профиль заряда, представленный на Фиг. 3, искажается. Тем не менее, зная профиль заряда эталонного аккумулятора (зависимость зарядного тока от степени заряженности) можно однозначно определить степень заряженности измеряемого аккумулятора по величине принимаемого тока. In the real case, when the battery (battery) is connected to the charger (charger) through the cable of final conductivity, the charge profile becomes more complicated, since as the degree of charge of the battery (battery) increases, the charging current I decreases and, accordingly, the voltage drop across the supply cables . This leads to an increase in the voltage applied to the battery as it is being charged, and the charge profile shown in FIG. 3, is distorted. Nevertheless, knowing the charge profile of the reference battery (the dependence of the charging current on the degree of charge), it is possible to unambiguously determine the degree of charge of the measured battery by the amount of received current.
Наиболее корректное определение величины степени заряженности аккумулятора (батареи) возможно по истечении 10 минут после начала процесса заряда, так как в первый момент времени ток, принимаемый аккумулятором, будет определяться диффузионными процессами переноса положительных ионов в электролите аккумулятора и формированием градиента электрического поля в веществе электролита. Данный процесс имеет постоянную времени равную примерно 10 минут.The most correct determination of the degree of charge of a battery (battery) is possible after 10 minutes after the start of the charging process, since at the first moment of time, the current received by the battery will be determined by diffusion processes of transfer of positive ions in the battery electrolyte and the formation of an electric field gradient in the electrolyte material. This process has a time constant of approximately 10 minutes.
Реальный профиль заряда аккумулятора (батареи) отличается от идеального профиля заряда, так как величина напряжения, как правило, стабилизируется на выходе зарядного устройства, а не на самом аккумуляторе (батарее). Это поясняется на Фиг. 4. По мере снижения величины принимаемого тока I падение напряжения на сопротивлениях подводящих кабелей Rк1 и Rк2 падает и напряжение на аккумуляторе (батарее) растет. Поэтому для корректного применения метода определения степени заряженности аккумулятора (батареи) необходимо измерить его реальный профиль заряда при работе с конкретным ЗУ и конкретными уровнями выходного напряжения этого ЗУ. The actual charge profile of the battery (battery) differs from the ideal charge profile, since the voltage value, as a rule, stabilizes at the output of the charger, and not on the battery (battery) itself. This is illustrated in FIG. 4. As the received current I decreases, the voltage drop across the resistances of the supply cables Rk1 and Rk2 drops and the voltage across the accumulator (battery) rises. Therefore, for the correct application of the method for determining the degree of charge of a battery (battery), it is necessary to measure its real charge profile when working with a specific memory and specific output voltage levels of this memory.
Для проверки применимости данного способа были проведены серия экспериментов. Данный способ испытывался для различных аккумуляторов различных типов и для аккумуляторной батареи 220 В. На Фиг. 5 представлен эталонный профиль заряда единичного аккумулятора при напряжении заряда 3,40 В, предварительно полученный в процессе заряда (кривая 1 - сплошная линия), а также зависимость принимаемого тока этим же аккумулятором, находившимся перед этим в режиме хранения (аккумулятор отключен от нагрузки и от ЗУ в течение нескольких суток (кривая 2 – пунктирная линия). To verify the applicability of this method, a series of experiments were conducted. This method was tested for various batteries of various types and for a 220 V battery. FIG. Figure 5 shows the reference charge profile of a single battery at a charge voltage of 3.40 V, previously obtained during the charging process (
Как удалось выяснить, ошибка измерения степени заряженности не превосходит 3% через 10 минут после начала зарядки. Аналогичные результаты были получены для аккумулятора, находящегося в режиме поддерживающего заряда.As it was found out, the error in measuring the degree of charge does not exceed 3% 10 minutes after the start of charging. Similar results were obtained for a battery in the mode of supporting charge.
На Фиг. 6 представлен эталонный график заряда аккумуляторной батареи 220 В при среднем напряжении заряда единичного аккумулятора 3,42 В, предварительно полученный в процессе заряда (кривая 1 – сплошная линия), а также зависимость принимаемого тока этой же батареей, находившейся перед этим в режиме поддерживающего заряда при напряжении 3,34 В (кривая 2 – пунктирная линия). Аналогичные результаты были получены для других нециклических режимов батареи (батарея перед этим не разряжалась как минимум в течение четырех часов).In FIG. Figure 6 shows a reference graph of the charge of a 220 V battery at an average charge voltage of a single battery of 3.42 V, previously obtained during the charging process (
Использование предлагаемого изобретения с совокупностью всех существенных признаков позволяет реализовать способ определения степени заряженности аккумулятора (в том числе литий-железо-фосфатного аккумулятора), эксплуатируемого в режиме заряда, поддерживающего заряда или режиме хранения, обеспечивающий максимальную точность определения степени заряженности.Using the present invention with a combination of all the essential features, it is possible to implement a method for determining the degree of charge of a battery (including a lithium-iron-phosphate battery) operated in a charge mode, supporting a charge, or a storage mode that ensures maximum accuracy in determining the degree of charge.
Claims (4)
2. Способ определения степени заряженности аккумулятора по п. 1, отличающийся тем, что уровень напряжения U0 подбирается таким образом, чтобы переход в режим заряда стабилизированным напряжением происходил при степени заряженности от 20% и выше.
2. A method for determining the degree of charge of a battery according to claim 1, characterized in that the voltage level U0 is selected so that the transition to the charge mode with a stabilized voltage occurs at a charge level of 20% or more.
3. Способ определения степени заряженности аккумулятора по п. 1, отличающийся тем, что заряд измеряемого аккумулятора производят в течение не менее 10 минут.
3. A method for determining the degree of charge of a battery according to claim 1, characterized in that the charge of the measured battery is produced for at least 10 minutes.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140425A RU2662045C1 (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Method for determining the battery charging rate |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017140425A RU2662045C1 (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Method for determining the battery charging rate |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2662045C1 true RU2662045C1 (en) | 2018-07-23 |
Family
ID=62981757
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017140425A RU2662045C1 (en) | 2017-11-21 | 2017-11-21 | Method for determining the battery charging rate |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2662045C1 (en) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU532144A1 (en) * | 1971-08-09 | 1976-10-15 | Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им. А.Ф.Можайского | Method for determining the degree of charge of a battery |
| SU1718305A1 (en) * | 1990-04-10 | 1992-03-07 | Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта | Method of measurement of residual capacitance of chemical current supply |
| CN102565718A (en) * | 2012-01-18 | 2012-07-11 | 杭州高特电子设备有限公司 | Method for judging state of charge (SOC) of lithium battery based on rising and dropping of open-circuit voltage |
| RU2491566C1 (en) * | 2010-02-18 | 2013-08-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Device for estimation of battery state and method for estimation of battery state |
| RU2533328C1 (en) * | 2013-07-04 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Сафоновский завод гидрометеорологических приборов" (ОАО "Сафоновский завод "Гидрометприбор") | Accumulator residual capacitance determination method |
| US9316693B2 (en) * | 2012-03-02 | 2016-04-19 | Saft | Method and system for estimating state of charge of a lithium electrochemical cell having a lithium phosphate type positive electrode |
| RU2621885C2 (en) * | 2015-10-22 | 2017-06-07 | Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" | Method of lithium-ion battery residual capacity estimation |
| US9817076B2 (en) * | 2014-10-14 | 2017-11-14 | National Sun Yat-Sen University | Estimation circuit for SOC and SOH of battery |
-
2017
- 2017-11-21 RU RU2017140425A patent/RU2662045C1/en active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU532144A1 (en) * | 1971-08-09 | 1976-10-15 | Военный Инженерный Краснознаменный Институт Им. А.Ф.Можайского | Method for determining the degree of charge of a battery |
| SU1718305A1 (en) * | 1990-04-10 | 1992-03-07 | Ростовский институт инженеров железнодорожного транспорта | Method of measurement of residual capacitance of chemical current supply |
| RU2491566C1 (en) * | 2010-02-18 | 2013-08-27 | Ниссан Мотор Ко., Лтд. | Device for estimation of battery state and method for estimation of battery state |
| CN102565718A (en) * | 2012-01-18 | 2012-07-11 | 杭州高特电子设备有限公司 | Method for judging state of charge (SOC) of lithium battery based on rising and dropping of open-circuit voltage |
| US9316693B2 (en) * | 2012-03-02 | 2016-04-19 | Saft | Method and system for estimating state of charge of a lithium electrochemical cell having a lithium phosphate type positive electrode |
| RU2533328C1 (en) * | 2013-07-04 | 2014-11-20 | Открытое акционерное общество "Сафоновский завод гидрометеорологических приборов" (ОАО "Сафоновский завод "Гидрометприбор") | Accumulator residual capacitance determination method |
| US9817076B2 (en) * | 2014-10-14 | 2017-11-14 | National Sun Yat-Sen University | Estimation circuit for SOC and SOH of battery |
| RU2621885C2 (en) * | 2015-10-22 | 2017-06-07 | Акционерное общество "Научно-производственный центр "Полюс" | Method of lithium-ion battery residual capacity estimation |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP5818878B2 (en) | Lithium ion battery charge state calculation method | |
| Cen et al. | Lithium‐ion battery SOC/SOH adaptive estimation via simplified single particle model | |
| Jiang et al. | Evaluation of acceptable charging current of power Li-ion batteries based on polarization characteristics | |
| JP4759795B2 (en) | Rechargeable battery remaining capacity detection method | |
| US8102179B2 (en) | Method for determining the state of charge of a battery in charging or discharging phase at constant current | |
| Nguyen et al. | Development of the intelligent charger with battery State-Of-Health estimation using online impedance spectroscopy | |
| CN105759213A (en) | Method for measuring storage battery residual capacity SOC | |
| US8823326B2 (en) | Method for determining the state of charge of a battery in charging or discharging phase | |
| Susanna et al. | Comparison of simple battery model and thevenin battery model for SOC estimation based on OCV method | |
| CN106997026B (en) | Method and device for determining the residual capacity of a lead-acid battery | |
| CN109613437A (en) | A kind of battery charge state estimation method based on the identification of on-time model parameter | |
| US20130295424A1 (en) | Electrolyte-Based Battery Cell, Method and System for Determining the State of Charge of Electrolyte-Based Batteries | |
| CN103872727B (en) | Method for determining largest use current of lithium-ion battery | |
| CN113866646B (en) | Battery cluster inconsistency online monitoring method based on polarization impedance voltage rise | |
| CN113075558B (en) | Battery SOC estimation method, device and system | |
| Vishnu et al. | Adaptive integral correction-based state of charge estimation strategy for lithium-ion cells | |
| Deng et al. | An improved algorithm of SOC testing based on open-circuit voltage-ampere hour method | |
| CN109444750A (en) | A kind of capacity of lead acid battery predictor method | |
| RU2662045C1 (en) | Method for determining the battery charging rate | |
| RU2533328C1 (en) | Accumulator residual capacitance determination method | |
| Dambrowski | Review on methods of state-of-charge estimation with viewpoint to the modern LiFePO4/Li4Ti5O12 lithium-ion systems | |
| Sőrés et al. | Analysis of the relation between state of health and self-discharge of Li-ion batteries | |
| Banaei et al. | Online detection of terminal voltage in Li-ion batteries via battery impulse response | |
| Li et al. | High-accuracy parameters identification of non-linear electrical model for high-energy lithium-ion capacitor | |
| CN109991553B (en) | Estimation method of battery SOC |