Esegui un test controllato di carica–regolazione–ciclo dinamico–recupero–capacità, registrando continuamente i dati elettrici e termici a livello di cella. Inizia con un pacco in serie completamente carico e stabilizzato termicamente, stabilisci un riferimento SOC affidabile mediante un conteggio accurato dei coulomb, esegui il profilo di guida dinamico selezionato fino a punti DOD definiti e concludi con una misurazione controllata della capacità. I dati risultanti possono quindi essere utilizzati per confrontare il SOC stimato dall'algoritmo con un riferimento adeguatamente fondato in presenza di transitori di corrente realistici.
Conclusione principale: la convalida del SOC è significativa solo quando le condizioni iniziali del pacco, la temperatura, il profilo di corrente, i limiti di tensione e il SOC di riferimento sono controllati e documentati. Il test deve inoltre acquisire il comportamento di polarizzazione e rilassamento, poiché il funzionamento dinamico del pacco non fornisce una tensione di equilibrio che possa essere utilizzata direttamente come SOC.
Definire il test prima di applicare la corrente
Specificare il pacco e i limiti operativi
Documentare il numero di celle in serie, la capacità nominale, le tensioni massime e minime ammissibili delle celle, i limiti di tensione del pacco, i limiti di corrente di carica e scarica e i limiti di temperatura.
Per un pacco in serie, il monitoraggio della tensione a livello di cella è essenziale. La sola tensione del pacco può nascondere il raggiungimento di un limite non sicuro da parte di una singola cella prima che la tensione totale del pacco appaia anomala.
Selezionare il profilo di eccitazione dinamica
Utilizzare un programma di guida ripetibile, come un profilo FUDS, o un'altra forma d'onda corrente-tempo definita e rappresentativa dell'applicazione prevista.
Registrare la versione esatta del profilo, la risoluzione temporale, la convenzione della corrente, il comportamento della corrente rigenerativa e i criteri di arresto. La stessa forma d'onda deve essere applicata in modo coerente in tutte le ripetizioni del test.
Stabilire i canali di misurazione e di riferimento
Registrare continuamente:
- Tensioni del pacco e delle celle
- Corrente del pacco
- Temperatura superficiale o della camera
- Tempo di test
- Comando del ciclo di guida applicato
- SOC stimato dall'algoritmo
- Eventi di protezione e di interruzione rilevanti
Generare il SOC di riferimento utilizzando un conteggio dei coulomb ad alta precisione, con il SOC iniziale e la capacità utilizzabile chiaramente definiti. L'offset del sensore di corrente, la polarità, la frequenza di campionamento e il metodo di integrazione devono essere verificati prima del test.
Stabilizzare e stabilire la condizione iniziale
Stabilizzare termicamente il pacco
Posizionare il pacco in una camera a temperatura controllata per un tempo sufficiente a raggiungere una temperatura interna uniforme e stabile. Una procedura di laboratorio pratica consiste nel lasciare il pacco per almeno 24 ore alla temperatura di test selezionata prima dell'inizio della sequenza elettrica.
Devono essere registrati il setpoint della temperatura, la temperatura misurata del pacco, le condizioni della camera ed eventuali gradienti di temperatura. Il comportamento dinamico e il SOC apparente possono variare considerevolmente con la temperatura.
Caricare completamente il pacco in serie
Caricare a corrente costante controllata, ad esempio a 1/3 C, fino al raggiungimento del limite massimo specificato della tensione di cella.
Passare quindi alla carica a tensione costante e continuare finché la corrente di carica non scende al di sotto del limite definito, ad esempio 1/30 C. Ciò stabilisce un punto di partenza ripetibile ad alto SOC e supporta un riferimento SOC iniziale basato sulla OCV dopo un riposo adeguato.
Verificare la condizione iniziale
Verificare che nessuna cella superi il proprio limite di tensione, che la temperatura del pacco rientri nell'intervallo prescritto e che la corrente misurata abbia raggiunto il limite di interruzione della carica.
Se l'algoritmo utilizza una relazione OCV-SOC, applicare la stessa procedura di riposo e inizializzazione utilizzata per derivare o calibrare tale relazione. Non presumere che la tensione ai terminali subito dopo la carica sia una OCV di equilibrio.
Portare il pacco nell'intervallo del test dinamico
Applicare una regolazione controllata della capacità
Prima del ciclo dinamico, rimuovere una quantità di carica piccola e definita. La procedura principale utilizza circa il 5% della capacità nominale a 1/3 C; un approccio di precondizionamento correlato può utilizzare circa il 10% a 1 C, a seconda delle specifiche del test.
Lo scopo è evitare di iniziare un ciclo dinamico rigenerativo o ad alta corrente in prossimità del limite superiore di tensione. Selezionare in anticipo una procedura e utilizzarla in modo coerente, poiché quantità diverse di regolazione producono condizioni SOC iniziali diverse.
Riconfermare il SOC iniziale e la temperatura
Dopo la regolazione della capacità, confermare la carica integrata rimossa, le tensioni delle celle, la temperatura del pacco e il SOC iniziale di riferimento.
Questo punto deve essere considerato l'inizio formale del test dinamico. Il SOC iniziale dell'algoritmo deve essere inizializzato secondo il metodo prescritto oppure deliberatamente offsettato quando si testano la convergenza e la robustezza dell'inizializzazione.
Eseguire il test del ciclo di guida dinamico
Applicare continuamente il profilo di corrente
Eseguire il programma dinamico selezionato utilizzando il controllo automatico della corrente del sistema di test delle batterie. Continuare il ciclo fino al raggiungimento del DOD target specificato, ad esempio 60%, 70% o 80% di DOD.
Utilizzare lo stesso profilo di corrente, la stessa configurazione di campionamento, la stessa condizione di temperatura e la stessa logica di arresto per ogni test. Registrare la corrente effettivamente erogata, invece di basarsi esclusivamente sulla forma d'onda comandata.
Monitorare in tempo reale le celle e la risposta termica
Durante il ciclo, monitorare continuamente le tensioni delle singole celle, la tensione del pacco, la corrente e la temperatura. Il test deve arrestarsi o passare a uno stato sicuro se viene raggiunto un limite di protezione di una cella o del pacco.
Registrare inoltre i picchi di corrente, gli intervalli di rigenerazione, le escursioni di tensione e le variazioni termiche. Questi eventi aiutano a distinguere l'errore dell'algoritmo dal funzionamento al di fuori dell'intervallo previsto dal modello o dalla calibrazione.
Mantenere il riferimento SOC durante l'eccitazione
Aggiornare il SOC di riferimento integrando la corrente misurata nel tempo e correggendo in base alla capacità utilizzabile definita e alla condizione iniziale.
Il riferimento non è semplicemente il SOC istantaneo basato sulla tensione. In condizioni di carico dinamico, la tensione ai terminali include la caduta ohmica, gli effetti di trasferimento di carica e la polarizzazione; pertanto, la sola tensione può produrre un'indicazione SOC fuorviante.
Misurare il comportamento di recupero e polarizzazione
Applicare il riposo conseguente all'arresto del veicolo
Al punto DOD selezionato, arrestare il profilo dinamico e consentire un breve riposo, ad esempio di 10 minuti, per rappresentare un arresto o una pausa del veicolo.
Continuare a registrare la tensione e la temperatura durante questo periodo. La curva di rilassamento fa parte dei dati di convalida e non è semplicemente un intervallo di attesa.
Applicare la carica di depolarizzazione della capacità
Applicare la carica di depolarizzazione della capacità definita dopo il breve riposo. Lo scopo è favorire il recupero dello stato elettrochimico e fornire dati per valutare i parametri del modello correlati alla polarizzazione.
L'entità, la corrente e la durata di questa carica devono essere fissate nelle specifiche del test e riportate insieme ai risultati.
Registrare la curva di rilassamento estesa
Dopo la fase di depolarizzazione, consentire un riposo prolungato, ad esempio di due ore, registrando il rilassamento della tensione delle celle e del pacco.
Utilizzare queste curve tensione-tempo per valutare se i parametri di polarizzazione e rilassamento del modello riproducono la risposta misurata. Questa fase è particolarmente importante quando lo stimatore SOC utilizza un modello dinamico della batteria equivalente o di altro tipo.
Completare la misurazione di riferimento della capacità
Scaricare fino al normale limite di interruzione
Dopo la sequenza di recupero, scaricare il pacco a una corrente costante controllata, ad esempio 1/3 C, fino al raggiungimento del limite minimo definito della tensione di cella, ad esempio 3,3 V per cella laddove tale limite sia applicabile.
L'interruzione deve basarsi sulla regola di protezione della cella o del pacco specificata, identificando e registrando la cella che determina effettivamente il limite.
Misurare la capacità residua a bassa corrente
Proseguire con una scarica residua a bassa corrente, inferiore a 1/30 C, per misurare la capacità disponibile rimanente.
Questa fase finale a bassa corrente aiuta a quantificare la capacità che potrebbe non essere accessibile durante la precedente scarica a corrente più elevata e fornisce una base più completa per il riferimento SOC e il calcolo del DOD.
Riconciliare i dati della capacità e della carica
Confrontare la capacità ottenuta dalla scarica completa con il registro del conteggio dei coulomb. Analizzare le discrepanze causate da offset della misurazione della corrente, temporizzazione dell'interruzione, variazioni di temperatura o dipendenza della capacità dalla velocità di scarica.
La definizione della capacità utilizzabile risultante deve essere dichiarata esplicitamente quando si riporta l'errore SOC. In caso contrario, un algoritmo potrebbe sembrare impreciso semplicemente perché il suo denominatore SOC differisce dal riferimento di capacità del test.
Valutare l'algoritmo SOC
Confrontare la stima e il riferimento sull'intero profilo
Allineare per tempo il SOC dell'algoritmo e il SOC di riferimento, quindi valutare l'errore durante:
- Transitori di corrente
- Carica rigenerativa
- Scarica prolungata
- Periodi di riposo
- Recupero della polarizzazione
- Sequenza finale di interruzione e capacità residua
Riportare l'errore SOC come andamento nel tempo anziché come un unico valore finale. Ciò evidenzia deriva, ritardo nei transitori, errore di inizializzazione e bias correlato al recupero.
Esaminare separatamente la concordanza del modello di tensione
Quando lo stimatore prevede la tensione ai terminali, confrontare la tensione prevista e quella misurata della cella o del pacco insieme all'errore SOC.
È importante separare l'errore del modello di tensione dall'errore del riferimento SOC. Un adattamento insufficiente della polarizzazione può causare una discrepanza di tensione anche quando il SOC integrato è ragionevole, mentre un bias del sensore di corrente può causare una deriva del SOC senza un errore di tensione istantaneo significativo.
Ripetere in condizioni definite
Ripetere il flusso di lavoro alle temperature selezionate, nelle condizioni SOC iniziali e con i target del ciclo dinamico richiesti dal piano di convalida.
Ogni ripetizione deve utilizzare la stessa terminazione della carica, la stessa regolazione della capacità, gli stessi periodi di riposo, lo stesso profilo di corrente, la stessa configurazione di misurazione e le stesse regole di interruzione. Un test è standardizzato solo quando le sue condizioni iniziali e al contorno sono riproducibili.
Comprendere i compromessi
L'inizializzazione a piena carica migliora la ripetibilità ma richiede tempo
Una carica completa a corrente costante/tensione costante fornisce un punto di partenza controllato, ma la procedura è più lenta rispetto all'avvio da un SOC arbitrario.
Saltare o abbreviare la fase di terminazione può introdurre incertezza nel SOC iniziale e rendere difficile interpretare gli errori successivi dell'algoritmo.
La regolazione della capacità riduce il rischio di sovratensione ma modifica il punto di inizio del test
Rimuovere la carica prima del profilo dinamico crea margine per la corrente rigenerativa. Tuttavia, la regolazione stessa diventa parte della definizione della condizione iniziale e deve essere inclusa nel calcolo del SOC di riferimento.
L'utilizzo di velocità o quantità di regolazione diverse tra i test riduce la comparabilità.
Il test dinamico è realistico ma non è una misurazione di equilibrio
I cicli di guida sottopongono lo stimatore ai transitori che deve gestire durante il servizio. Producono inoltre effetti di polarizzazione e temperatura che rendono più difficile la convalida del SOC basata sulla tensione.
Per questo motivo, i risultati dinamici devono essere integrati dalle misurazioni controllate di riposo e rilassamento, anziché essere interpretati basandosi esclusivamente sulla tensione ai terminali.
Il test a livello di pacco può nascondere il comportamento delle celle
Un pacco in serie può mostrare una tensione complessiva accettabile mentre una cella si avvicina al proprio limite o presenta un rilassamento anomalo.
La telemetria della tensione e della temperatura a livello di cella è quindi necessaria sia per la sicurezza sia per la diagnosi. L'errore SOC a livello di pacco non deve essere riportato senza verificare se lo sbilanciamento delle celle o una cella limitante abbiano influenzato il risultato.
Come applicare questa procedura al proprio progetto
Utilizzare la sequenza seguente come script del test controllato:
- Se l'obiettivo principale è l'accuratezza SOC ripetibile: stabilizzare termicamente il pacco, caricarlo completamente utilizzando il controllo a corrente costante/tensione costante, definire il SOC iniziale e utilizzare il conteggio dei coulomb di precisione come riferimento.
- Se l'obiettivo principale è la prestazione durante la guida dinamica: applicare continuamente una forma d'onda fissa del ciclo di guida fino a target DOD definiti, registrando la corrente effettiva, le tensioni delle celle, la tensione del pacco, la temperatura e l'uscita dello stimatore.
- Se l'obiettivo principale è la convalida del modello e della polarizzazione: includere il breve riposo, la carica di depolarizzazione, il periodo di rilassamento prolungato e la registrazione del rilassamento della tensione.
- Se l'obiettivo principale è ottenere un riferimento di capacità adeguatamente fondato: concludere con una scarica a corrente costante fino al limite minimo della tensione di cella e con una scarica residua a bassa corrente inferiore a 1/30 C.
- Se l'obiettivo principale è la sicurezza e la diagnosi del pacco in serie: applicare i limiti di tensione a livello di cella e analizzare la cella limitante, non solo la tensione complessiva del pacco.
Uno stato iniziale controllato, un SOC di riferimento accurato, un'eccitazione dinamica realistica e una misurazione completa del recupero costituiscono la base per una convalida affidabile del SOC di un pacco in serie.
Tabella riepilogativa:
| Fase | Azione | Dati chiave da registrare |
|---|---|---|
| 1. Definizione del test | Specificare i limiti del pacco, il profilo di guida e la configurazione di misurazione | Limiti di tensione delle celle/del pacco, limiti di corrente, temperatura, versione del profilo |
| 2. Stabilizzazione e carica | Stabilizzare termicamente e caricare completamente il pacco (CC-CV) | Temperatura, corrente/tensione di carica, corrente di interruzione |
| 3. Regolazione della capacità | Rimuovere circa il 5% del SOC a 1/3 C per evitare la sovratensione | Carica integrata rimossa, riferimento del SOC iniziale |
| 4. Ciclo di guida dinamico | Eseguire il profilo FUDS o un profilo simile fino al DOD target | Corrente effettiva, tensioni delle celle/del pacco, temperatura, uscita dell'algoritmo |
| 5. Riposo breve | Pausa di 10 minuti per simulare l'arresto del veicolo | Curva di rilassamento della tensione |
| 6. Carica di depolarizzazione | Applicare una carica definita per favorire il recupero | Corrente di carica, durata, risposta della tensione |
| 7. Riposo prolungato | Riposo di 2 ore per registrare il rilassamento | Curva di rilassamento della tensione |
| 8. Scarica per la capacità | Scaricare a 1/3 C fino all'interruzione, quindi eseguire la scarica residua a <1/30 C | Capacità misurata, cella limitante, variazioni di temperatura |
| 9. Valutazione | Confrontare il SOC stimato con quello di riferimento e analizzare gli errori | Andamento temporale dell'errore SOC, concordanza del modello di tensione |
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