Metode natan nega dolo anja stanja polnosti baterij Simon Vu ko, Vojko Matko (mentor) Univerza v Mariboru, Fakulteta za elektrotehniko, ra unalništvo in informatiko, Smetanova ulica 17, Maribor simon_vucko@yahoo.com, vojko.matko@uni-mb.si Methods of State of Charge determination Abstract: Batteries play an important role in modern industry. The article presents a review of most frequent methods for state-of-charge determination of batteries. The basic principles are described with their advantages and disadvantages. 1 Uvod Del številnih projektov in razvojnih aplikacij so napajalne baterije. Baterije imajo pomembno vlogo v sistemih kot so npr. avtonomni roboti, fotonapetostni sistemi in hibridna vozila. Nezadostni poudarek na baterijskem upravljalnem sistemu lahko pozneje povzro a probleme pri zadovoljstvu uporabnikov, zanesljivosti, varnosti in ekonomi nosti aplikacij. Velik faktor predstavlja tudi nenehni razvoj baterij, ki zahteva nove metode upravljanja. Ker predstavlja informacija o stanju napolnjenosti baterij (angl. State-of-Charge) - SOC, pomemben del upravljalnega sistema je namen lanka raziskati metodologije, ki se uporabljajo za dolo evanje SOC. Baterijski upravljalni sistemi so namre odvisni od to nih informacij o stanju baterije, saj lahko posledi no npr. nepravilno polnjenje uni i baterijo ali prepre i popolno izrabo njenega potenciala. Baterija v vlogi elektrokemijskega shranjevalnika energije, prestavlja nepogrešljiv del moderne tehnologije in tako eno od gonilnih sil napredka. Ker baterija predstavlja neke vrste rezervoar za shranjevanje energije je zelo pomembna informacija, koliko je te elektrokemi ne energije shranjeno oz. na razpolago pod dolo enimi obratovalnimi pogoji. Dolo itev stanja napolnjenosti baterije je kompleksno in zahteva dobro poznavanje notranjih elektrokemijskih procesov baterije. Stanje napolnjenosti je izraženo z odstotkom maksimalne možne napolnjenosti baterije (1). SOC= 2 Metode dolo anja stanja napolnjenosti baterij 2.1 Test praznjenja aktualna Q maksimalnaq 100 (1) Pri tej metodi polno baterijo pod nadzorovanimi pogoji spraznimo s konstantno obremenitvijo do varne meje konca praznjenja. Zaradi enostavnosti in ker ni odvisna od stanja zdravja baterije (angl. State-of-Health) - SOH, se uporablja predvsem za dolo anje kapacitete baterije na za etku ali koncu življenjske dobe. Kot primer smo za LiFePO 4 baterijo izmerili nazivno kapaciteto C N = 1062,33mAh. Zaradi velike to nosti se uporablja tudi za primerjavo to nosti rezultatov pridobljenih z drugimi metodami. Za prakti ne aplikacije je neprimerna, ker je baterijo potrebno odstranit iz tokokrogu in, ker je asovno intenzivna. 2.2 Merjenje fizikalnih lastnosti Pri odprtih kislinsko-svin enih baterijah je možno s pomo jo senzorjev izmeriti spremembe fizikalnih lastnosti elektrolita (specifi no težo, prevodnost, gostoto kisline) med praznjenjem in polnjenjem baterije. Zaradi skoraj linearne povezanosti SOC z spremembami lastnosti elektrolita je metoda precej to na in odvisna od senzorjev in vplivnih pojavov obrabe (stratifikacija kisline), ki jih ti ne zaznajo.
Pri industrijskih NiMH baterijah [3], se lahko poleg klasi nih parametrov meri tudi tlak, ki raste sorazmerno z rastjo SOC vrednosti. Na sliki 3 je predstavljen vpliv temperature na napetost LiFePO 4 baterije, ki postane pri nizkih temperaturah še posebej izrazit. 2.3 Merjenje napetosti pri konstantni obremenitvi Merjenje napetosti med obremenitvijo je razširjena metoda v nizko cenovnih sistemih. Ker napetost z zmanjševanjem SOC vrednosti pada, dobimo sicer oceno SOC, ki pa potrebuje kompenzacijo zaradi vplivnih faktorjev. Nivo napetosti namre zelo niha pod vplivom temperature, praznilne stopnje in staranja oz. višanja notranje upornosti. Ventilsko regulirane kislinsko svin ene baterije (angl. Valve Regulated Lead Acid) VRLA izkazujejo skoraj linearni odnos med napetostjo in SOC. Na sliki 1 je prikazana izmerjena praznilna karakteristika za VRLA baterijo z nazivno kapaciteto 1200mAh. U(v) 6,4 6,2 6 Praznilna karakteristika VRLA baterije (1200mAh) pri 1C (744mAh) Slika 3: Praznilna karakteristika Li-ion baterije z LiFePO 4 elektrodo pri razli nih temperaturah pri 1C praznilni stopnji [4]. 2.4 Odziv baterije na tokovno stopnico ali napetostni impulz Pri tej metodi se opazuje padec napetosti pod obremenitvijo in as regeneracije napetosti po nastopu obremenitvenega pulza. Ta sistem impulzov nam da le zelo splošen vtis o SOC in se uporabljajo predvsem za dolo itev, ali je baterija še vedno uporabna[1]. 5,8 5,6 2.5 Coup de fouet podro je 5,4 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Q(mAh) Slika 1: Izmerjen odnos med napetostjo VRLA baterije in SOC med praznjenjem. U(V) 3,6 Praznilne karakteristike LiFePO4 baterije Coup de fouet podro je je podro je, kjer pride do kratkega padca napetosti na za etku praznjenja ali polnjenja pri svin eno-kislinskih baterijah (angl. Lead Acid) - LA. 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 2,2 2 0 200 400 600 800 1000 1C 3C 6C 10C Q (mah) Slika 2: Izmerjene praznilne karakteristike Liion baterije z LiFePO 4 elektrodo pri razli nih stopnjah praznjenja C. Slika 3: Coup de fouet na za etku praznjenja [5].
Praznilna in polnilna "coup de fouet" obmo ja se lahko povežejo v relacijo z visokimi in nizkimi vrednostmi SOC. Zato so posebej zanimive za odkrivanje teh mejnih vrednosti, ki so pomembni parametri pri krmiljenjenju polnjenja ali baterijskih upravljalnih sistemih [5]. 2.6 DC notranja upornost DC notranjo upornost pridobimo direktno z deljenjem izmerjene napetosti baterije s tokom v kratkem asovnem intervalu (da ne pride do AC vplivov). Kot primer smo za LiFePO 4 baterijo izmerili notranjo upornost R N 37m. S padanjem vrednosti SOC naraš a notranja upornost predvsem pri nizkih vrednostih SOC. Pri Li-ion baterijah je sprememba notranje upornosti skoraj nezaznavna dokler ne doseže nizkih vrednosti SOC. Ker proizvajalci velikokrat podajo podatek o porastu notranje upornosti, se po dolo enem številu ciklov oz. ob koncu življenjske dobe baterije, ta metoda uporablja predvsem za oceno zdravja baterije SOH [6]. 2.7 Merjenje impedance - impedan na spektroskopija Pri merjenju elektrokemijske impedance (ali AC impedance) se na priklju ke baterije pripelje izmeni ni tokovni ali napetostni vzbujalni signal poljubne oblike, katerega odziv se nato opazuje. Impedanca je definirana z izrazom (2): (2) Tako je elektrokemi na impedanca baterije frekven no odvisno kompleksno število, ki je karakterizirano z njenim realnim in imaginarnim delom. Potrebno je opozoriti, da naj ne bi amplituda napetosti V presegla 10mV, da se zagotovi, da se merjenje impedance izvaja pod linearnimi pogoji [8]. e se impedanca uporablja za dolo anje SOC, so potrebne nizko frekven ne meritve, ki zahtevajo visoke natan nosti merjenja [8]. Slika 4: Impedan na spektroskopija za Li-ion baterijo pri razli nih SOC [9]. Ker se impedanca baterije s spremembo SOC spreminja se lahko izmeri karakteristika, ki odraža odnos SOC=f(Z). Slabost metode je odvisnost impedance od temperature in staranja. Ena od možnosti za odpravo odvisnosti impedance od staranja je posodabljanje vrednosti impedance v realnem asu [7]. Ta metoda se uporablja tudi za dolo anje parametrov modela baterije, ki služi kot osnova mnogih metod. Pri temperaturno stabilnih sistemih, kot so naprave za brezprekinitveno napajanje (UPS) z VRLA baterijami se metoda uporablja za dolo anje SOH. 2.8 Integriranje toka po asu ali Coulumb oz. Ah štetje Štetje Ah je najbolj pogosto uporabljena metoda, ker temelji na enostavnem integriranju toka, ki priteka v ali iz baterije. e je podana izhodiš na to ka (SOC 0 ) je vrednost integrala toka (3) neposredni indikator SOC. (3) kjer je C N je nazivna kapaciteta, I BAT tok baterije in I IZGUBE tok, ki porabiljen za izgubne reakcije [2]. Pri dolo evanju SOC z Ah štetjem se mora kompenzirati drift, ki nastane zaradi polnilne in praznilne u inkovitosti, staranja, vpliva temperature ter pogreškov pri merjenju toka. Do drifta pride tudi zaradi samopraznjenja baterije, ko ta ni v uporabi in ga merilni sistem ne more izmerit. S pomo jo rekalibracij, ki so
izvedene na osnovi drugih metod (EMS elektromotorna sila, ob polni bateriji polnilec postavi novo vrednost), ta metoda dosega visoko to nost. Pomembno vlogo ima vrednost nazivne kapaciteta C N, ki bi naj bila odvisna od pogojev delovanja, temperature in praznilne ter polnilne stopnje. Pri slabi to nosti merjenja toka in brez upoštevanja polnilne u inkovitosti je povpre no po petih ciklih polnjenja in praznjenja prišlo do drifta SOC vrednosti za 1%, kar nakazuje na nujnost rekalibriranja. 2.9 Elektromotorna sila EMS oz. sproš ena napetost odprtih sponk (angl. Open Circuit Voltage) - OCV Elektromotorna sila je notranja gonilna sila baterije za zagotavljanje energije bremenu. Napetost na priklju kih baterije redko doseže ravnovesno vrednost, ki je enaka EMS baterije. Zato EMS ni možno merit direktno, ampak se s pomo jo modelov napovedovanja EMS vrednost oceni. S pomo jo matemati ne funkcije na osnovi modela baterije, ki upošteva vplivne dejavnike kot je temperatura in staranje se opiše odnos med EMS in SOC. Parametri, ki opisujejo vplivne dejavnike se pridobijo s prilagajanjem z izmerjenimi EMS krivuljami, ki jih pridobimo s pomo jo galvanostati ne titracijske tehnike s presledki - Galvanostatic Intermittent Titration Technique (GITT). Pri GIIT v korakih po 4% SOC polnimo in praznimo baterijo pri nizkem toku z dolgimi asi relaksacije napetosti pri razli nih temperaturah. Primer dobljenih EMS to k pri sobni temperaturi in korakom 5% SOC je predstavljen na sliki 5. U(V) 3,6 3,4 3,2 3 2,8 2,6 2,4 0 200 400 600 800 1000 EMS(V) Q(mAh) Slika 5: EMS to ke dobljena z GITT metodo za Li-ion baterijo z LiFePO 4 elektrodo. Vir [1] prikazuje, da se za Li-ion baterijo z metodo na osnovi EMS doseže to na ocena SOC. Demostrirano je, da se razmerje med EMS in SOC ne spreminja med ciklanjem baterije, e je SOC izražena v relativni kapaciteti. Temperatura odvisnost EMS je majhna, razen e je baterija skoraj v celoti prazna ali skoraj v celoti polna [1]. Iz EMS=f(SOC) odnosa za LiFePO 4 baterijo je razvidno, da je krivulja zelo ravna v velikem delu SOC obmo ja, kar otežuje uporabo metode e meritev napetosti ni to na. 2.10 Kalman filter Razširjeni Kalman filter - Extended Kalman filter (EKF) se uporabljajo predvsem pri dinami nih sistemih, kot so hibridna vozila, kjer se SOC giblje okoli neke srednje vrednosti in ne doseže praznega ali polnega stanja, ki se uporablja za kalibracijo Ah metode, ki je pri dinami nih aplikacijah še dodatno podvržena driftu, ki lahko npr. povzro i prenapolnjenjenost baterije. Pri tej metodi je potrebno opisat dinami ni model baterije, ki ima za vhodne parametre izmerjene spremenljivke baterije (slika 6).
Slika 6: Blok diagram ocenjevalnika SOC [11]. To nost je odvisna od reda modela in števila stanj. Z velikim številom stanj postane filter zapleten za izdelavo. Metoda dosega zelo to no oceno SOC s potrebo po visoki procesorski mo i, kar naredi metodo v praksi drago. Metode z reduciranjem reda Kalman so predstavljene [10], da s kompenzacijo napak reduciranega modela pocenijo metodo. Razli ne kombinacije z ostalimi metodami za poenostavljanje modela baterije so opisane v literaturi. Pojavljajo se tudi alternativni filtri. V literaturi so opisani tudi adaptivni sistemi na osnovi mehke logike in nevronskih mrež ter njunih kombinacij. S pomo jo KF je možno tudi pridobiti informacijo o SOH in posledi no oceno stanja funkcionalnosti oz. zmogljivosti State-of- Function (SOF), ki daje informacijo o zmožnosti baterije, da pod dolo enimi pogoji opravi dolo eno funkcijo. 3 Eksperiment Za preizkus posameznih metod smo izbrali Liion baterijo APR18650M1 z LiFePO 4 elektrodo, proizvajalca A123Systems, ki temelji na nanofosfatni tehnologiji in je zaradi svojih lastnosti izjemno zanimiva za industrijo. Merilni sistem je sestavljen iz praznilno-polnilnega vezja (do 8A), ki je krmiljeno z NI 6008 merilno kartico. Program za nadzor in meritev je spisan v Labview okolju, kjer bodo implementirani in preizkušeni bodo i algoritmi za dolo anje SOC. Slika 7: Merilni sistem za preizkušanje SOC metod. Slika 8: Uporabniško okno na za nadzor in zajemanje podatkov v programu Labview 4 Zaklju ek Veliko raziskav je bilo opravljenih z namenom izboljšanja dolo anja SOC. V literaturi je opisanih mnogo algoritmov, ki tu niso navedeni in so prirejeni potrebam razli nih aplikacij. Najbolj pogosta in enostavna za implementacijo je štetje Ah, ki pa zaradi drifta potrebuje kalibracijske to ke, ki so podane s pomo jo drugih metod, kot so EMS, impedanca itd. Ker za dinami ne sisteme Ah štetje ni primerno so izvedbe s Kalman filtrom z rešitvami za zmanjšanje potrebe po procesorskih zmogljivostih najprimernejše. Veliko je raziskav na podro ju kombiniranja posameznih metod, ki privedejo do izboljšanja to nosti ocenjevanja. Katera metoda bo izbrana je v kon ni fazi odvisno do potreb aplikacije. Vedno bolj pomembno je tudi ocenjevanje SOH baterije, ki nam npr. daje informacijo o tem, kdaj bo potrebno baterijo zamenjati.
5 Literatura [1] Valer Pop, Henk Jan Bergveld, Dmitry Danilov, Paul P. l. Regtien, Peter H. l. Notten, Battery Management Systems: Accurate State-of-Charge Indication for Battery-Powered Applications, Springer, 2008. [2] S. Piller, M. Perrin, A. Jossen, Methods for state of charge determination and their applications, Journal of Power Sources 96, 2001 str. 113-120. [3] R. Markolf, D. Ohms, G. Müller, Chr. Schulz, J. Harmel, K. Wiesener, Investigations into a battery management for high power nickel metal hydride batteries, Journal of Power Sources, Volume 154, Issue 2, 21 March 2006, str. 539-544 [4]_http://a123systems.textdriven.com/product/pdf/1/AN R26650M1A_Datasheet_APRIL_2009.pdf [5] A. Delaille, M. Perrin, F. Huet, L. Hernout, Study of the coup de fouet of lead-acid cells as a function of their state-of-charge and state-of-health, Journal of Power Sources, Vol. 158, Issue 2, 25 August 2006, str. 1019-1028. [6] S. Sato and A. Kawamura, A new estimation method of state of charge using terminal voltage and internal resistance for lead acid battery, in Proc. IEEE PCC, Osaka, Japan, 2002, vol. 2, str. 565 570. [7] Barsukov Yevgen: Challenges and solutions in battery fuel gauging. http://focus.ti.com/lit/ml/slyp086/slyp086.pdf [8] F. Huet, A review of impedance measurements for determination of the state of charge or state of health of secondary batteries, J. Power Sources, vol. 70, no. 1, str. 59 69, Jan. 1998. [9] Andreas Jossen, Fundamentals of battery dynamics Journal of Power Sources, Vol. 154, Issue 2, 21 March 2006, str. 530-538. [10] Li-ion battery SOC estimation method based on the reduced order extended Kalman ltering J. Lee, O. Nam and B.H. Cho, J. Power Sources 174 (2007), str. 9 15. [11] O. Barbarisi, F. Vasca and L. Glielmo, State of charge Kalman filter estimator for automotive batteries, Control Eng Pract 14 (2006), str. 267 275.