Способ определения степени заряженности аккумулятора
METHOD FOR DETERMINING THE BATTERY CHARGING RATE

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.
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.
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.
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).
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).
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.
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.
j
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 U(t) напряжения аккумулятора.
Данный способ также требует значительных вычислительных ресурсов, при этом не позволяет получить с требуемой точностью значение степени заряженности аккумулятора (батареи) в процессе его эксплуатации.
Некоторое распространение получили также способы определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов по изменению их внутреннего сопротивления.
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.).
Указанный способ отличается сложностью осуществления, громоздкостью применяемой измерительной аппаратуры и не может быть применен для определения остаточной емкости литий-ионных аккумуляторов.
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.
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).
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.).
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.
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.
Технический результат предлагаемого способа определения степени заряженности аккумулятора заключается в повышении точности определения степени заряженности.
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.
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.
Уровень напряжения U0 может подбираться таким образом, чтобы переход в режим заряда стабилизированным напряжением происходил при степени заряженности от 20% и выше.
Заряд измеряемого аккумулятора предпочтительно производить в течение не менее 10 минут.
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.
Литий-железо-фосфатный аккумулятор – это тип электрохимического источника тока, являющийся видом литий-ионного аккумулятора, в котором в качестве активного вещества катода используется LiFePO4.
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.
Режим хранения аккумулятора – режим, при котором он отключен и от зарядного устройства, и от нагрузки, при этом он не заряжается и не разряжается.
Профиль заряда – зависимость тока заряда от степени заряженности аккумулятора при постоянном приложенном напряжении заряда.
I0 – ток зарядки аккумулятора в режиме зарядки аккумулятора стабилизированным током (постоянная величин)
U0 - напряжение зарядки аккумулятора в режиме зарядки стабилизированным напряжением (постоянная величина)
I – ток зарядки аккумулятора (переменная величина)
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.
Фигура 1 отображает зависимость НРЦ аккумулятора от степени его заряженности (SoC);
Фигура 2 отображает зависимость скорости изменения НРЦ аккумулятора от степени его заряженности (SoC);
Фигура 3 демонстрирует график процесса заряда (профиль заряда) аккумулятора;
Фигура 4 представляет схема подключения аккумулятора (батареи) к ЗВУ;
Фигура 5 отражает профиль заряда аккумулятора при подаче напряжения заряда на аккумулятор, находившийся в режиме хранения.
Фигура 6 отражает профиль заряда аккумуляторной батареи при подаче напряжения заряда на батарею, находившуюся в режиме поддерживающего заряда.
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%.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.