SOC (Ladezustand von Batterien) für LiFePO4

Ich versuche, den Ladezustand (SOC) einiger Batterien zu finden

  • Ich habe 3 LiFePO4-Batterien, diese habe ich gekauft:

    https://www.ampsplus.co.uk/ampsplus-14500-3-2v-500mah-battery-button

  • Ich habe sie parallel geschaltet . Für jede Batterie kann ich ihre individuelle Spannung messen und ich kann jede einzeln über einen Widerstand entladen .

  • Die beiden Methoden, die ich online gefunden habe, um den SOC (Ladezustand) jeder Batterie zu ermitteln, werden als Coulomb-Zählung bezeichnet, und die zweite ist eine Spannungsnachschlagetabelle.

Spaltenzählung

Bei dieser Methode wird der Strom über die Zeit integriert, um herauszufinden, wie viel Ladung den Batterien zugeführt wird.

  1. Dieser misst nur den Ladezustandsunterschied. Da Sie nicht wissen, wie viel Ladung bereits in jeder Batterie ist, können Sie den Ladezustand nicht wirklich finden. Wie lösen Sie dieses Problem?

  2. Ich weiß nur, wie viel Strom in die gesamte Parallelschaltung und nicht in jede Batterie fließt, sodass sich der SOC über alle und nicht über jede einzelne ändert. Gibt es eine sichere Möglichkeit, den Strom zu ermitteln, der in jede Batterie fließt? Müssen wir überhaupt den Strom finden, der in jeden fließt, wenn sie parallel sind, würden sie ihn nicht einfach gleichmäßig zwischen ihnen verteilen?

Spannungs-Nachschlagetabelle

Dies scheint die einfachere Methode zu sein. Wenn Sie ein Diagramm der Spannung VS SOC haben, können Sie herausfinden, wie viel Ladung in jeder Batterie ist, indem Sie einfach die Spannung an jeder Batterie messen und dann mit den Spannungswerten aus dem Diagramm / der Nachschlagetabelle vergleichen - Das Problem ist

  1. Ich habe mir das Datenblatt wie im Link gezeigt angeschaut und kann nichts dergleichen finden. Daher müsste ich das selbst finden. Bleibt die Frage, wie ich das möglicherweise tun könnte?

  2. Wenn ich dieses Diagramm finde, kann ich dann die Nachschlagetabelle für alle Batterien verwenden, da die Unterschiede zwischen ihnen vernachlässigbar genug sind, um dasselbe Diagramm für alle zu verwenden, oder müsste ich für jedes ein anderes Diagramm erstellen?

Ich bin dankbar für jede Hilfe und schätze Ihre Zeit beim Lesen.

Um hinzuzufügen: Ich möchte keine vorgefertigten BMS-Systeme online verwenden, da ich versuche, etwas darüber zu lernen. Ich verwende derzeit

  • Arduino nano alle
  • SMPS für die DC-DC-Wandlung kann ein Buck oder Boost sein
  • Ich habe eine Schaltung für die Batterien entworfen, die ihre Spannungen messen und einzeln entladen kann.

Beantwortung einiger Fragen (ich werde dies später mit Antworten und allem bearbeiten, wenn ich sie erhalten kann)

Nur eine Anmerkung, Russel, wenn Sie 1 % sagen, worauf genau beziehen Sie sich?

Um eine Idee zu geben, verwendet dieses Projekt ein SMPS, Arduino und eine Leiterplatte.

Q1 - Der Strom wird mit dem Stromsensor ina219 gemessen. Diese Werte werden alle 1s genommen und mit dem Arduino auf einer SD-Karte gespeichert.

Q2 - Die Batterien sind mit Stromkabeln parallel geschaltet. Jede Batterie befindet sich in einer Platine, die dies ist:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Mit dem Relais kann ich den Ladevorgang stoppen und die Spannung jeder Zelle einzeln messen und entladen. Es hat ein Opto, um die Zelle von den Anschlüssen zu isolieren, ein Relais, um Pins zum Messen zu ändern, und einen pos- und neg-Anschluss, der verwendet wird, um die Batterien miteinander zu verbinden. Der Mosfet und der Widerstand werden nur beim Entladen verwendet.

Q3 - Was ich für die Integration mache, ist auf dem Arduino, es sammelt den jede Sekunde gemessenen Strom. also seine aktuelle x1 Sekunde und ich füge einfach alle aktuellen hinzu, da das den Bereich, AKA-Integration, findet. (Ja, es wird davon ausgegangen, dass der Strom für diese eine Sekunde konstant ist, aber der Strom wird von einem PID-Regler geregelt, sodass er einen sehr sehr kleinen Fehler aufweist).

Was SOH (Gesundheitszustand), Temperatur usw. betrifft, werde ich mich später darauf konzentrieren. Ich versuche zuerst, SOC, Ausgleich und Aufladung zu implementieren.

Für LFP ist die Spannungssuche nicht so nützlich: Es ist eine sehr flache Kurve um 3,2 V. Wenn 3,6 V 100 % und 2,5 V 0 % sind, werden Sie feststellen, dass 3,3 V etwa 90 % und 3,1 V etwa 10 % entsprechen. Dazwischen ... viel Glück. Coulomb-Zählung funktioniert.
@ user_1818839 Ich kann die Spannung bis zu einem mV messen. Ich denke, das sollte zumindest ausreichen, um zwischen 95%, 85%, 80% usw. zu unterscheiden, also in 5%-Schritten. Ich habe einige Daten über die Spannung der Batterien gesammelt, z. B. 3.301 usw. Außerdem haben Sie Recht, wenn Sie sagen, dass ich 3,6 V als maximale Spannung und 2,5 V als niedrigste Spannung behandle.
Ich bin offen für Vorschläge zu einem Algorithmus oder einer Methode zur Bestimmung des SOC. Ich versuche nicht, die komplexeste Methode zu finden, nur etwas, das mir zumindest etwas gibt, das einigermaßen genau ist.
Hallo Fred! Wenn Ihre Batterien parallel sind, können Sie sie nicht einzeln entladen. Vielleicht übersehe ich etwas Offensichtliches?
Lithiums sind keine normalen Batterien. Sie können sehr stark brennen, wenn sie beim Laden oder Entladen falsch gehandhabt werden. Deshalb brauchen Lithiums ein kompetentes BMS vor sich. Wenn Sie das Batteriemanagement selbst gestalten möchten, können Sie ein Lithium wählen, das über ein eingebettetes BMS verfügt (sitzt unter dem Pluspol, sodass die Batterie etwas größer wird; es ist für Sie praktisch unsichtbar, sodass Sie den Spaß an BMS haben können Design ohne Risiko) oder wenn Sie "mit blankem Metall laufen" möchten, können Sie eine sanftere Chemie wie NiMH wählen.
@bitsmack Ich habe eine Schaltung entworfen, die dies kann. Ich kann einen Schaltplan senden, wenn Sie möchten, dass es wirklich einfach ist.
@reinstate monica, ich versuche etwas zu entwerfen, das Batterieausgleich, SOC, SOH usw. kann, also denke ich, dass das ein BMS an sich ist.
@Harper-ReinstateMonica Dies sind keine normalen Lithiumzellen. Sie sind erheblich sicherer, aber ich kenne keine LFPs mit eingebautem BMS.
Um das zu ergänzen, was @user_1818839 gesagt hat, sterben diese Batterien einfach ab / hören auf zu laden / zu entladen, wenn sie an einen Punkt kommen, an dem sie brennen oder schmelzen könnten usw. Dies ist einer der Gründe, warum ich sie ausgewählt habe.
@Fred sicher, diese Ziele sind kompatibel. Sie können das On-Cell-BMS die Zelle selbst schützen lassen und auch Ihren externen Schaltkreis den Ausgleich vornehmen lassen. An diesem Punkt muss Ihr externer Schaltkreis nur noch ausgleichen.
@user_1818839 Ich habe mühelos einen mit einer Google-Suche, integriertem BMS und allem gefunden. Und "erheblich sicherer als normales Lithium" ist keine große Empfehlung, lol. Ältere Batterietechnik ist einfach sicher, es wird kein "r" benötigt. Diese ganze Idee von „Batterien, die Feuer fangen“ ist wirklich ziemlich neuartig und existiert nur aufgrund der wahnsinnigen Jagd nach Energiedichte.
@fred 1% ist wahrscheinlich so gut, wie Sie es ohne sehr sorgfältige Kontrolle der Messungen erreichen können. | Q1 womit messen Sie den Strom? (Verwendetes Messgerät oder System, Genauigkeit, Auflösung, Marke) ... F2, wie verbinden Sie sich mit den Zellen (Empfang von Details, Messgerätverbindungen usw.)? F3: Wie integrieren Sie die Ergebnisse, um einen Algorithmus für Stichproben im mAh-Zeitraum zu erhalten? || Auch Temperaturregelung, Lastheizung, andere Geräte laufen ...
Eine Spannungsnachschlagetabelle ist erwartungsgemäß weniger genau als die Coulomb-Zählung und variiert je nach Batteriezustand, Temperatur, Laststrom und mehr. Richtig implementiertes Coulomb-Zählen sagt Ihnen, dass das TATSÄCHLICHE Coulomb ein- und ausgeht.
Ich sehe, dass einige meiner Fragen in Kommentaren zu Bruce 'Antwort angegeben sind. Es ist sehr hilfreich, wenn ALLE relevanten Informationen in die Frage aufgenommen werden (und idealerweise zunächst vorhanden sind, falls bekannt).
Vorschlag: Zellenklemmenspannung im geladenen Zustand messen. Laden Sie bei beispielsweise 0,1 V darüber, bis der Strom auf einen sehr kleinen Bruchteil abfällt - beispielsweise im Bereich von C / 20 bis C / 100. Die Zelle ist jetzt vollständig aufgeladen.
@RussellMcMahon Antworten auf Ihre Fragen finden Sie am Ende des Beitrags.
Ich habe einige Bedenken und würde mich über Ihren Beitrag freuen. Ich habe ein Problem damit, den Akku tatsächlich auf 3,6 V aufzuladen. Mein Charakterisierungsprozess ist folgender. Wenn die Batterie weniger als 3,6 V hat, wird sie aufgeladen. Sobald es 3,6 V erreicht, stoppt es den Ladevorgang und ruht für 10-20 Sekunden. Dann beginnt es sich zu entladen, bis es 2,5 V erreicht und wiederholt sich. Ich verwende Konstantstromladung und lade sie mit 800 mA auf
Das Problem ist, dass es beim Laden mit konstantem Strom auf 3,6 V aufgeladen wird, aber wenn es aufhört zu laden, fällt es sofort auf 3,4 V ab. Ich habe online gelesen, dass dies auf ESR und Kapazität in den Batterien zurückzuführen ist. Ich habe auch erwähnt, dass die Verwendung einer Kombination aus Konstantstrom- und Konstantspannungsladung es Ihnen ermöglichen könnte, 3,6 V zu erreichen, indem Sie Konstantspannung zum Laden von 3,6 V und höher verwenden. Haben Sie Erfahrungen oder wissen Sie, wie ich das angehen könnte / ob das richtig ist?
prnt.sc/13owkjr Hier ist ein Diagramm von mV vs. Zeit in Sekunden, das ich verwendet habe, um die Batterie mit dem von mir erwähnten Ladezyklus zu charakterisieren. Man konnte den oben erwähnten Rückgang von 3,6 auf 3,4 VI deutlich sehen. Das zweite Problem betrifft die Coulomb-Zählung. Ich stelle 3,6 V als 100 % SOC und 2,5 V als 0 % SOC-Punkt ein. Das Problem ist, dass ich annehme, dass der Strom, der parallel in die Batterie fließt, gleichmäßig zwischen ihnen aufgeteilt wird, was nicht korrekt ist. Zum Beispiel habe ich eine Batterie mit 550 mAh gemessen, während die andere 550 mAh hatte und nominell sollten sie 500 mAh haben.
Da ich den Strom, der in jede Batterie fließt, nicht einzeln messen kann, sondern in der gesamten Parallelkombination, würde dies zu Ungenauigkeiten führen. Ich habe auch festgestellt, dass die insgesamt entladenen Coulombs etwas größer sind als die Coulombs, die zum Laden der Batterie verwendet werden, sodass auch dort bei den Messungen ein Fehler vorliegt.
Die Art und Weise, wie ich versuche, Balancing und SOC zu implementieren, ist folgende. Ich messe ständig die Spannung jeder Batterie, um zu überprüfen, ob sie beim Laden nicht über 3,6 V und beim Entladen nicht unter 2,5 V gehen, und entlade/lade sie nach Bedarf irgendwo in der Nähe von 100% voll aufgeladen, also etwa 3,6 V. Das deckt das Balancieren ab. Für SOC finde ich den anfänglichen SOC und dann, je nachdem, ob sie laden oder entladen, zähle ich Spalten, indem ich den Strom und das Minus integriere (eher wie addiere) oder nach Bedarf zum anfänglichen SOC hinzufüge.
Legen Sie beim Laden mit konstanter Spannung nur künstlich eine bestimmte Spannung über die Batterie? Wenn ja, wie bestimmen Sie, wie hoch diese Spannung sein sollte? Entschuldigung für den Spam, wollte nur erklären, was ich tat.
Wie messen Sie den Strom aus Ihrer gezeigten Anordnung? Wird es von V_bat_OC / R_losd oder ???
@RussellMcMahon Der Stromsensor misst den Strom, dieser wird dann mit einem analogen Pin am Arduino verbunden. Der analoge Pin wird jede Sekunde gelesen und der Strom aufgezeichnet.
@fred Ihre aktuelle Messschaltung scheint nicht angezeigt zu werden (in Ihrem Diagramm). Vermutlich haben Sie einen immer in Reihe geschalteten Messwiderstand von der FET-Source zur Masse mit einer Messleitung zum ADC-Eingang der Arduno-Messung, der mit dem Drain verbunden ist.
Für eine möglichst genaue ADC-Messung ist es WESENTLICH, dass die Masseseite des Messwiderstands und die analoge Masse des Prozessors durch eine Leiterbahn verbunden sind, von der kein anderer stromführender Leiter abzweigt. Welchen Messwiderstand verwendest du? Was ist ADC Vref und wie viele ADC-Bits. Ich habe signifikante ADC-Fehler aufgrund von Ground-Return-Praktiken gesehen.

Antworten (1)

Da Sie nicht wissen, wie viel Ladung bereits in jeder Batterie ist, können Sie den Ladezustand nicht wirklich finden. Wie lösen Sie dieses Problem?

Laden Sie die Batterie vollständig auf und zählen Sie dann die Coulombs, bis die Spannung anzeigt, dass sie fast leer ist. Dies kann als Referenz für zukünftiges teilweises Laden und Entladen verwendet werden, muss aber möglicherweise gelegentlich wiederholt werden, wenn die Batterie normalerweise nicht vollständig geladen wird.

Müssen wir überhaupt den Strom finden, der in jeden fließt, wenn sie parallel sind, würden sie ihn nicht einfach gleichmäßig zwischen ihnen verteilen?

Wenn die Zellen alle gleich sind (Teilenummer, Alter, gemessene Kapazität usw.), sollten sie den Strom ungefähr gleich aufteilen, bis sie die volle Ladung erreichen . Wenn die Kapazitäten nicht annähernd gleich sind, sollten sie den Strom entsprechend ihren individuellen Kapazitäten aufteilen.

Wenn ein LiFePO4 die volle Ladung erreicht, nimmt seine Stromaufnahme ab (im Vergleich zu anderen Zellen bei gleicher Spannung). Da eine Zelle zuerst dort ankommen muss, werden die anderen dann gegen Ende mit höherem Strom geladen. Vorausgesetzt, die Zellen sind gut aufeinander abgestimmt und der Ladestrom ist nicht zu hoch, sollte dies kein Problem sein.

Beachten Sie, dass jeder übermäßige Widerstand zwischen den Zellen dazu führt, dass einige mehr Ladestrom erhalten als andere. Daher sollten sie mit gelöteten oder geschweißten niederohmigen Bändern verbunden und nicht in Batteriehalter gesteckt werden.

Spannungsnachschlagetabelle ... Ich habe mir das Datenblatt wie im Link gezeigt angesehen und kann so etwas nicht finden

Das kann daran liegen, dass eine Spannungs-Lookup-Tabelle bei LiFePO4 nicht sinnvoll ist, da die Entladekurve über den größten Teil des Zyklus sehr flach ist.

Wenn ich dieses Diagramm finde, kann ich dann die Nachschlagetabelle für alle Batterien verwenden, da die Unterschiede zwischen ihnen vernachlässigbar genug sind, um dasselbe Diagramm für alle zu verwenden, oder müsste ich für jedes ein anderes Diagramm erstellen?

Sobald Sie dieses Diagramm gefunden haben, werden Sie wahrscheinlich verstehen, warum es nicht funktioniert. Die Unterschiede zwischen den Marken mögen „vernachlässigbar“ sein, aber auch die Spannungsänderung. Hier sind einige Beispielentladungskurven bei verschiedenen Strömen:-

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Beachten Sie die abgeschnittene Y-Skala. Bei geringer bis mäßiger Stromentnahme fällt die Spannung sehr langsam ab, bis die Batterie fast leer ist, und könnte leicht durch Schwankungen der Stromentnahme überschwemmt werden.

Ich möchte nur klarstellen, wie man den Bezugspunkt für die Coulomb-Zählung findet. Sie erwähnen das vollständige Laden des Akkus. Ich lade die Batterien derzeit mit einem synchronen Buck auf, der an den 5-V-Eingang angeschlossen ist. Der Grund, warum ich dies tue, ist, dass ich den Induktorstrom steuern kann, der im Grunde der Strom ist, der in die Batterie fließt, und dieser beträgt 250 mA. Ich nehme an, um den Referenzpunkt zu finden, den Sie für das Laden mit konstanter Spannung benötigen würden? um zu sehen, wann der Strom wirklich niedrig ist, was anzeigt, dass er 100 % SOC erreicht hat?
Dies ist das Laden und Entladen der Zelle: prnt.sc/13nhilr (y-Achse ist mV und x-Achse ist die Zeit, in der sie 3,6 V erreicht und dann aufgrund des ESR und der Kapazität der Zelle auf etwa 3,4 V abfällt. Der Hersteller gibt an Sie sollten es nicht über 3,6 V aufladen.Ich nehme an, dass Sie das überschreiten könnten, um 100% SOC zu erreichen?
Betrachtet man die Entladung (passiert nach 3,4 V bis 2,5 V), ist sie tatsächlich nicht so flach, wie man denken könnte?
Entschuldigung, für den Überschuss bin ich nur verwirrt, wie ich den Akku "vollständig aufladen" soll, um einen Referenzpunkt für 100% SOC zu erhalten. Angenommen, ich lade es vollständig auf, beginne ich jetzt, es zu entladen, woher weiß ich, wann es 0 SOC erreicht, und wie mache ich das, bevor ich die Batterie lösche (unter 2,5 V). Diese Batterien sind sehr empfindlich gegenüber Über- und Unterspannung.
Wenn Sie eine Batterie auf 0% Ladung herunterfahren, können Sie sie mit Sicherheit töten. In Ihrem Entladungsdiagramm fehlen wichtige Informationen. Was ist die Zeitskala? Wie hoch war der Entladestrom? 3,6 V sind eigentlich höher als nötig. 3,5 V sind ausreichend, und 3,4 V reichen aus, wenn es Ihnen nichts ausmacht, auf lygte-info.dk/info/BatteryLiFePO4Charging%20UK.html zu warten
Die Zeitskala ist in Sekunden angegeben, so dass der Zyklus dort ungefähr 2,7 Stunden dauerte. Der Entladestrom ist ebenfalls auf 250mA eingestellt, dieser wird per PID so geregelt, dass er darum schwebt und nicht konstant um 250mA. Die Sache ist, dass, obwohl es 3,6 V erreicht, es nicht wirklich 3,6 V sind. Durch ESR und Kapazitäten in der Batterie gehen ca. 0,2 V verloren und lädt tatsächlich nur bis 3,4 V. Ich glaube, um es tatsächlich auf 3,6 V aufzuladen, müssen Sie eine Konstantstromladung bis zu 3,4 V und dann eine Konstantspannungsladung bis zu 3,6 V verwenden, aber ich weiß nicht, wie ich dies implementieren soll.
Anhand des Diagramms, das ich Ihnen geschickt habe, habe ich den Strom jede Sekunde aufgezeichnet, der beim Entladen verwendet wird. Also habe ich in einer Form der Integration einfach Strom * 1 gemacht und alle Ströme hinzugefügt, um den Bereich zu erhalten, der im Grunde der Integration entspricht. das ergab 1763 As(C), erscheint das vernünftig? Dies ist die Menge, die von 3,4 V auf 2,5 V entladen wird
Das entspricht 490 mAh, was sehr nahe an der Nennkapazität liegt. Der Spannungsabfall in der zweiten Hälfte der Entladung ist jedoch viel schlimmer als ich erwartet hätte. Entweder handelt es sich um Zellen von schlechter Qualität, oder mit Ihrem Testaufbau ist etwas nicht in Ordnung. Üblicherweise legt das Ladegerät Konstantstrom bis 3,6V an, wodurch die Spannung kurz vor dem Ende in die Höhe schießt. Das Aufladen auf 3,4 V erreicht immer noch die volle Kapazität, dauert aber viel länger.
@BruceAbbott Wenn das eigene BMS (oder dessen Fehlen) dazu führt, dass eine Batterie regelmäßig auf 0 V heruntergefahren wird, müssen sie nur eine Batterie verwenden, die damit in Ordnung ist ... NICHT Lithium, NICHT Blei-Säure. NiFe und NiCd sind glücklich wie Muscheln, die jeden Tag auf 0 V gebracht werden ... so funktionieren billige Solar-Wegleuchten. Ich habe eine große NiCd-Nasszellen-Solaranlage, die weithin missbraucht wird - so sehr sie es auch versuchen, sie können ihr nicht schaden, lol.
@Harper-ReinstateMonica Nicads sind auf dem EU-Verbrauchermarkt verboten, und NiFe-Batterien sind nur in „industriellen“ Größen erhältlich. Für alle anderen Batterietypen (die in den meisten Verbrauchergeräten verwendet werden) ist eine Entladung auf 0 V nicht gut für sie.
SOC (Ladezustand von Batterien) für LiFePO4
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