Tema: 4 Starea de încărcare și de sănătate a bateriei HV 

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să explicați diferența dintre starea de încărcare (State of Charge – SoC) și starea de sănătate (State of Health – SoH) a bateriei de înaltă tensiune;

-          să interpretați valorile parametrilor specifici utilizați pentru evaluarea SoC și SoH în sistemele de propulsie electrice și hibride;

-          să aplicați metode de diagnosticare pentru determinarea stării de funcționare a bateriei HV și să identificați factorii care influențează degradarea acesteia.

4.4.1 Diferența dintre starea de încărcare (State of Charge – SoC) și starea de sănătate (State of Health – SoH) a bateriei de înaltă tensiune

În contextul vehiculelor electrice (EV) și hibride (HEV/PHEV), monitorizarea și evaluarea performanței bateriei de înaltă tensiune (High Voltage – HV) constituie o componentă esențială pentru asigurarea funcționării optime, a siguranței și a durabilității întregului sistem de propulsie. Două dintre cei mai importanți parametri utilizați în acest scop sunt starea de încărcare (State of Charge – SoC) și starea de sănătate (State of Health – SoH).

Starea de încărcare (SoC)

Starea de încărcare reprezintă estimarea procentuală a cantității de energie electrică disponibilă într-o baterie, în raport cu capacitatea sa totală utilă. Aceasta este analogă cu un „indicator de combustibil” pentru baterii și exprimă nivelul actual de încărcare într-un interval cuprins între 0% (descărcare completă) și 100% (încărcare completă Figura 4.19).

SoC este un parametru dinamic, care variază în funcție de:

-      consumul de energie al vehiculului;

-      regimul de conducere (accelerare, frânare regenerativă, mers constant);

-      temperatura ambiantă și a celulelor;

-      eficiența încărcării și descărcării.

Starea de sănătate (SoH)

Starea de sănătate reflectă gradul de degradare a bateriei în raport cu starea sa inițială de funcționare. Aceasta se exprimă tot procentual și indică în ce măsură bateria își mai păstrează capacitatea nominală și performanțele de livrare a energiei față de specificațiile din fabrică. Un SoH de 100% înseamnă că bateria funcționează ca în starea nouă, în timp ce un SoH de 80% sau mai puțin este, de regulă, un indicator că bateria a suferit o degradare semnificativă și ar putea necesita înlocuire sau recondiționare (Figura 4.20).

Factorii principali care influențează degradarea bateriei și, implicit, scăderea SoH includ:

-  numărul ciclurilor de încărcare-descărcare;

-  nivelul de curent și temperatură în timpul exploatării;

-  menținerea frecventă a bateriei la niveluri extreme de SoC (0% sau 100%);

-  procesele de dezechilibrare a celulelor;

-  calendarul de îmbătrânire chimică (efectul timpului asupra materialelor interne).

4.3.2 Interpretarea valorilor parametrilor specifici utilizați pentru evaluarea SoC și SoH în sistemele de propulsie electrice și hibride

Evaluarea corectă a stării de încărcare (State of Charge – SoC) și a stării de sănătate (State of Health – SoH) a bateriei de înaltă tensiune este esențială pentru funcționarea eficientă, sigură și predictivă a sistemelor de propulsie ale vehiculelor electrice și hibride. Aceste evaluări sunt realizate de Sistemul de Management al Bateriei (BMS), care colectează și analizează un ansamblu de parametri electrici, termici și chimici, interpretați în timp real sau în cadrul proceselor de diagnosticare.

Metode de determinare a stării de încărcare (State of Charge – SoC) a bateriei de înaltă tensiune

Estimarea SoC este un proces complex, întrucât bateriile nu dispun de un „senzor de combustibil” direct. Din acest motiv, se utilizează algoritmi specifici în cadrul Sistemului de Management al Bateriei (BMS), care se bazează pe mai multe metode indirecte de evaluare. Cele mai utilizate metode sunt:

Măsurarea curentului

Determinarea stării de încărcare (SoC) a unei baterii de înaltă tensiune (HV) prin măsurarea curentului electric este una dintre cele mai utilizate și fundamentale metode aplicate în sistemele de management al bateriei (Battery Management System – BMS).

Energia electrică stocată în bateria HV este consumată de motorul electric în faza de propulsie a vehiculului. În timpul frânării regenerative sau al decelerării, motorul electric funcționează ca generator, transformând energia cinetică în energie electrică ce este reintrodusă în baterie.

Pentru a cuantifica cantitatea de energie consumată sau recuperată, este necesară măsurarea curentului care circulă între baterie și sistemul de propulsie. Acest lucru se realizează cu ajutorul unui senzor de curent de tip Hall, care permite o detecție precisă și fără contact direct, oferind date bidirecționale (încărcare/descărcare Figura 4.21).

Energia electrică (W) consumată sau stocată într-o perioadă de timp se determină prin relația fundamentală:

W = P ⋅ t  [kWh]

unde:

t - timpul de funcționare, exprimat în secunde (s).

P - puterea electrică instantanee, exprimată în wați (W);

Puterea electrică este, la rândul ei, determinată prin produsul dintre tensiune și curent:

P = V ⋅ I [W]

unde:

V - tensiunea la bornele bateriei (în volți, V);

I = curentul măsurat în amperi (A), pozitiv pentru descărcare, negativ pentru încărcare.

Prin integrarea valorilor de curent în timp (înregistrate la intervale scurte, de ordinul milisecundelor), se poate estima variația cantității de sarcină electrică (în Ah) și, implicit, nivelul de încărcare.

În Figura 4.22 este ilustrat graficul ciclului de încărcare și descărcare al unui sistem de stocare a energiei, în funcție de curent (A) și energie (kJ).

-  În prima parte a graficului (curent pozitiv), sistemul se descarcă, eliberând energie: 60 kJ în faza de rampă, 300 kJ în faza constantă și din nou 60 kJ în faza de coborâre.

-  În a doua parte (curent negativ), sistemul se încarcă, absorbând energie: 30 kJ la început, apoi 150 kJ în faza de curent constant și 30 kJ la final.

-  Timpul de tranziție între fiecare fază este de 2 s/d (secunde pe diviziune).

Graficul evidențiază clar alternanța între fazele de descărcare și încărcare, împreună cu valorile energetice implicate și estimarea curentului consumat.

Starea de încărcare a bateriei scade atunci când energia este consumată și crește când energia este recuperată.

Variația netă de energie:

ΔE=Erecuperat−Econsum = 210 kJ − 420 kJ= − 210 kJ

Aceasta înseamnă că, în urma ciclului de funcționare ilustrat, bateria a pierdut 210 kJ de energie netă.

Conversie în kWh și influența asupra SoC

1 kWh = 3600 kJ, deci:

ΔE = 210/3600 = 0,0583 kWh

Dacă, de exemplu, bateria are o capacitate nominală de 10 kWh, atunci scăderea SoC se estimează astfel:

ΔSoC = 0,0583/10 ⋅100 = 0,58 %

Determinarea SOC folosind metoda graficului

Tensiunea modulelor sau celulelor bateriei HV este măsurată în timp real de către Sistemul de Management al Bateriei (Battery Management System – BMS). Acesta folosește valorile de tensiune și temperatură pentru a determina SOC cu un grad ridicat de precizie. Tensiunea variază în funcție de nivelul de încărcare și de temperatura la care funcționează bateria, astfel încât determinarea SOC implică corelarea acestor două variabile.

Graficul prezentat în imaginea (Figura 4.23) indică variația tensiunii unui modul în funcție de SOC, pentru mai multe temperaturi. Exemplul oferit este pentru o temperatură de 25°C, unde o tensiune de aproximativ 3,63 V corespunde unui SOC de 72%.

Aceste date sunt folosite de BMS pentru a estima nivelul general de încărcare al întregului pachet de baterii. Diferențele minore între module pot apărea în funcție de echilibrarea internă și starea de uzură.

Pentru a evalua energia rămasă într-o baterie HV, se aplică relația directă:

Energie ra˘masa˘ (kWh) = (SOC/100) × Capacitatea totala˘ a bateriei (kWh)

Având în vedere că: Capacitatea totală a bateriei este de 50 kWh SOC-ul curent este 69%.

Figura 4.23 Modul de determinarea a stării de încărcare folosind metoda graficului

Calculul energiei rămase este:

Energie ra˘masa˘=69/100×50=34,5 kWh

Astfel, la un SOC de 69 %, bateria mai are disponibilă 34,5 kWh de energie.

Metode de determinare a stării de sănătate (State of Health – SoH) a bateriei de înaltă tensiune

În contextul evaluării stării de sănătate (State of Health – SoH) a bateriilor Li-ion utilizate în vehiculele electrice și hibride, este esențială monitorizarea unui set de parametri care reflectă gradul de uzură și performanța în timp a bateriei. SoH exprimă procentual capacitatea efectivă rămasă a bateriei în comparație cu capacitatea sa nominală din fabrică și este influențată de numeroși factori de exploatare.

1. Numărul total de cicluri de viață:

Unul dintre cei mai importanți indicatori ai SoH este numărul total de cicluri de încărcare-descărcare parcurse de baterie (Figura 4.24). Bateriile Li-ion sunt concepute pentru un număr limitat de cicluri de viață completă – de obicei între 1000 și 2000 de cicluri, în funcție de tehnologia chimică specifică și de condițiile de utilizare.

Un ciclu complet reprezintă o descărcare urmată de o reîncărcare până la capacitate maximă. Pe măsură ce bateria se apropie de numărul maxim de cicluri proiectate, capacitatea sa de a stoca și livra energie scade progresiv, ceea ce determină o diminuare a SoH.

Prin urmare, monitorizarea atentă a acestui parametru permite identificarea momentului optim pentru intervenții de întreținere, recalibrare sau înlocuire a modulelor afectate, contribuind la menținerea eficienței energetice și a siguranței în exploatare a sistemului de propulsie electrică.

1.   Rezistența internă totală (Ω)

În cadrul procesului de diagnosticare a bateriilor de înaltă tensiune (HV), un indicator tehnic esențial utilizat pentru evaluarea stării de sănătate (State of Health – SoH) este rezistența internă totală a celulelor sau modulelor, exprimată în ohmi (Ω). Această rezistență reflectă opoziția internă la trecerea curentului electric și influențează direct performanțele electrochimice ale bateriei.

Pe măsură ce bateria îmbătrânește, structura internă a celulelor se degradează, conducând la o creștere progresivă a rezistenței interne. Acest fenomen afectează negativ capacitatea de livrare și de absorbție a energiei electrice, în special în condiții de sarcină ridicată sau la temperaturi scăzute. Prin urmare, o rezistență internă mai mare este corelată cu o scădere a valorii SoH, ceea ce semnalează necesitatea unor măsuri corective sau chiar a înlocuirii modulelor defecte.

Valoarea rezistenței interne poate fi monitorizată prin sisteme de diagnosticare avansată, disponibile pe unele modele de autovehicule hibride și electrice. Diagnosticarea computerizată a sistemului BMS (Battery Management System) permite obținerea acestei valori în mod automat, oferind tehnicienilor date precise pentru evaluarea gradului de uzură și pentru planificarea mentenanței preventive.

Astfel, analiza rezistenței interne reprezintă un parametru fundamental în evaluarea fiabilității și duratei de viață rămase a bateriei HV, fiind indispensabil în cadrul activităților de întreținere tehnică și în cadrul instruirii profesionale a viitorilor specialiști în electromobilitate.

În practică, SoC și SoH trebuie interpretate împreună. De exemplu, o baterie poate indica un SoC de 100%, dar dacă SoH este 70%, capacitatea reală de livrare a energiei este mult mai mică decât în starea inițială. În scenariile critice (temperaturi extreme, curenți mari), această corelație devine vitală pentru a preveni oprirea neprevăzută a vehiculului sau degradarea accelerată a acumulatorului.

4.4.3 Determinarea stării de funcționare a bateriei de înaltă tensiune (HV) și identificarea factorilor care influențează degradarea acesteia

Pentru menținerea performanței și siguranței bateriilor de înaltă tensiune utilizate în vehiculele electrice și hibride, este esențială aplicarea unor metode de diagnosticare care să permită evaluarea precisă a stării de funcționare (State of Health – SoH). Acest proces implică măsurători, analize și interpretări ale unor parametri specifici, care reflectă nivelul de uzură și eficiența energetică a bateriei.

1. Metode de diagnosticare utilizate:

-  Monitorizarea tensiunii și a curentului de sarcină: se utilizează echipamente de testare sau datele înregistrate de sistemul BMS (Battery Management System) pentru a analiza comportamentul tensiunii în funcție de sarcină și de regimurile de funcționare (încărcare/descărcare).

-  Determinarea rezistenței interne (impedanței): o creștere a rezistenței interne indică degradarea componentelor electrochimice interne, ceea ce conduce la pierderi de energie sub formă de căldură și la scăderea eficienței bateriei. Această valoare poate fi obținută prin metode de diagnosticare computerizată, în cadrul reprezentanțelor sau atelierelor autorizate.

-  Analiza capacității disponibile față de cea nominală: capacitatea bateriei este măsurată în Ah (amperi-oră) și exprimă cantitatea totală de energie stocată. Compararea capacității actuale cu cea inițială permite estimarea procentuală a SoH.

-  Monitorizarea temperaturii celulelor: temperaturile neuniforme sau excesive pot indica o uzură accelerată sau defecțiuni în sistemul de răcire.

-  Numărul de cicluri de încărcare/descărcare: fiecare baterie are un număr estimat de cicluri de viață (de exemplu, între 1000 și 2000), iar apropierea de această limită contribuie semnificativ la scăderea SoH.

2. Factori care influențează degradarea bateriei:

-  Regimul de temperatură: temperaturile ridicate accelerează reacțiile chimice nedorite în interiorul celulelor, reducând durata de viață a bateriei. În schimb, temperaturile scăzute limitează capacitatea de stocare a energiei și pot cauza creșterea rezistenței interne.

-  Curentul de sarcină (încărcare și descărcare): curenții mari pot conduce la încălzire excesivă și degradarea electrodului sau a separatorului, mai ales dacă sunt frecvent aplicați.

-  Nivelul de adâncime al descărcării (DoD – Depth of Discharge): descărcările profunde frecvente afectează negativ longevitatea bateriei. Păstrarea nivelului de încărcare într-o zonă moderată (de exemplu, 20–80%) contribuie la extinderea duratei de viață.

-  Timpul de funcționare: chiar și în absența utilizării, bateriile Li-ion sau Ni-MH îmbătrânesc chimic, ceea ce conduce la pierderea capacității și creșterea rezistenței interne în timp.

Prin aplicarea acestor metode de diagnosticare și prin monitorizarea constantă a parametrilor relevanți, se poate menține bateria HV într-o stare funcțională optimă, contribuind astfel la siguranța, eficiența și durabilitatea întregului sistem de propulsie.

Întrebări de autoevaluare:

1.   Ce reprezintă starea de încărcare (State of Charge – SoC) a unei baterii de înaltă tensiune și ce parametri influențează variația acesteia în timpul funcționării vehiculului?

2.   Ce reprezintă starea de sănătate (State of Health – SoH)a unei baterii de înaltă tensiune și ce parametri influențează variația acesteia în timpul funcționării vehiculului?

3.   Care este rolul Sistemului de Management al Bateriei (Battery Management System – BMS) în evaluarea SoC și SoH în sistemele de propulsie electrice și hibride, și ce tipuri de parametri sunt analizați în acest proces?

4.   Descrieți metoda de determinare a stării de încărcare (SoC) prin integrarea curentului electric în timp și explicați cum se utilizează senzorii de tip Hall în acest context.

5.   Explicați cum este utilizată variația tensiunii modulelor în corelație cu temperatura pentru a determina SoC prin metoda graficului, oferind un exemplu de conversie în kWh.

6.   Ce semnificație are parametrul „numărul total de cicluri de viață” în evaluarea SoH și cum influențează acesta capacitatea bateriei de a furniza energie în timp?

7.   Care este importanța rezistenței interne totale a celulelor în diagnosticarea stării de sănătate (SoH) a bateriei HV și ce semnale transmite o creștere a acesteia în contextul întreținerii preventive?

8.   De ce este necesar ca parametrii SoC și SoH să fie interpretați împreună în evaluarea performanței bateriei HV, mai ales în condiții de exploatare solicitante (temperaturi extreme, sarcini ridicate)?

9.   Care sunt metodele utilizate pentru diagnosticarea stării de funcționare a bateriei de înaltă tensiune (HV) și ce parametri sunt esențiali pentru estimarea precisă a stării de sănătate (SoH)?

10.   Identificați principalii factori care contribuie la degradarea unei baterii HV și explicați cum influențează aceștia performanța și durata de viață a acesteia.

BIBLIOGRAFIE

1.   Electude LMS 2024.4.0.