Autokalibrace baterií AEG

• Autokalibrace SOC (State of Charge) je klíčový proces řízený systémem správy baterie(BMS), jehož cílem je eliminovat kumulativní chyby při měření stavu nabití baterie a zajistitpřesné řízení nabíjení a vybíjení.
• Tyto kumulativní chyby se postupně hromadí, což ovlivňuje přesnost indikace stavu baterie.BMS využívá autokalibrační logiku k jejich opravě.

1. Důvody provádění autokalibrace

SOC může vykazovat kumulativní chyby z několika klíčových důvodů:

1. Nestabilita fotovoltaického systému při nepříznivých podmínkách, jako je špatné počasí,které způsobuje nedostatek slunečního záření nebo kolísání intenzity světla. To můžezpůsobit nestabilitu v provozu fotovoltaického systému.

V praxi se projevuje tak, že do a z baterie několik dní neproudí žádná energie. Ve skutečnosti však do baterie může téct malé množství elektrické energie, zejména při dosažení spodní hranice **Depth of Discharge (DOD)**. Tyto hodnoty se pohybují v rozmezí 10 W až 40 W, což je využíváno pro vlastní spotřebu baterie, která zajišťuje její dlouhodobé zdraví. Mezi hlavní funkce této spotřeby patří:

1. • • • • Napájení elektroniky baterie
         • Balancování článků

V rámci těchto malých výkonných toků mezi střídačem a baterií nejsou tyto malé proudy baterií monitorovány. Při delším časovém období mohou fungovat jako teoretické dobíjení, které není zaznamenáváno proudovými senzory baterie, ale reálně dochází k nabíjení velmi nízkým proudem.

**Příklad:** Na obrázcích níže je vidět situace, kdy baterie nebyla aktivní po dobu 8 dní. SOC (State of Charge) se pohybovalo mezi 20–30 % bez viditelného nabíjení, což může vést ke skokovému přepočtu SOC.

Dobíjení těmito malými proudy způsobuje růst napětí jednotlivých článků, a tím i celkové napětí baterie. Pokud jsou splněny podmínky autokalibrace, dojde k přepočtu SOC, což může vést ke skokové změně hodnoty SOC, kterou zákazníci často reklamují. Na obrázcích výše je vidět extrémní případ, kdy SOC skok dosáhl hodnoty z 29 % na 100 %. Toto chování vychází charakteristiky LiFePo4 článků, které popisuje závislost stavu nabití (SOC) na napětí jednotlivých článků baterie, ze kterého vychází celkové napětí baterie a podílí se na výpočtu SOC.

1.1. Ukázka závislosti Stavu nabití baterie (SOC) na napětí - pro LiFePO4 články

(Zdroj: Měření a regulace nabití baterie pomocí BMS, Špaček, 2020. Dostupné na:
http://svoc.tul.cz/svoc_2020/Reg/mechatronika/BSP_Spacek_Ludek.pdf.)

Na obrázku výše je zobrazena ukázka závislosti stavu nabití baterie (SOC) na napětí jednotlivých článků baterie.

Baterie složené z LiFePO4 článků mohou v nízkých úrovních SOC vykazovat nestabilní chování, což je patrné při poklesu SOC k hodnotě 0 %. V této oblasti dochází k rychlejšímu poklesu napětí ve srovnání se zbytkem závislosti. Tento jev může vést k nestabilitě systému a rychlejší degradaci jednotlivých článků, což je jedním z důvodů, proč se provádí autokalibrace SOC v nízkých procentech nabití.

Naopak, v rozsahu 20–98 % SOC zůstává napětí téměř konstantní, pohybující se v rozmezí 3,2–3,4 V. Tato charakteristika ukazuje, že napětí v této oblasti není dostatečně citlivým indikátorem skutečného stavu nabití, a proto je nutné provádět pravidelnou kalibraci SOC pro zpřesnění výpočtu stavu nabití baterie.

Třetí specifický stav nastává v rozsahu 98–100 % SOC, kdy napětí prudce roste z přibližně 3,4 V na 3,6 V. Tento jev představuje druhý extrém, kde může docházet k přepětí a přebíjení jednotlivých článků, což vede k jejich rychlejšímu opotřebení a degradaci. To je další důvod, proč je nezbytné provádět kalibraci SOC.

Všechny podmínky, za kterých dochází k autokalibraci SOC, jsou popsány v podkapitole věnované - Podmínky spuštění auto-kalibrace baterie.

2. Dlouhodobé nabíjení vysokým proudem**, které ovlivňuje přesnost měření.

3. Krátkodobé opakované cykly nabíjení a vybíjení**, které mohou způsobit nesprávnou
interpretaci SOC.

4. Dlouhodobé cyklování baterie bez dosažení horní nebo spodní hranice SOC.

2. Podmínky spuštění autokalibrace baterie

1. Při dosažení 90% SOC (a vyšší)

• V případě, že je dosaženo 90% SOC, a je detekována kumulativní chyba, je zahájeno
  automatické dobíjení, malým proudem (zahájeno BMS) a to za účelem stabilizace a
  přesného výpočtu SOC.

2. Baterie se nachází v režimu nabíjení, kdy je při dobíjení spuštěn alarm úrovně 2 (alarm level 2) přepětí u některého ze článků baterie, automaticky je SOC zkalibrováno na 100 % SOC (V tomto případě bude nabíjecí proud omezen na 1 A, pokud je SOC větší, nebo rovno 98 % SOC). 

3. Průměrné napětí jednotlivých článku v baterii je nižší než 3,26 V a baterie je v pohotovostním režimu (bez nabíjení nebo vybíjení po dobu 30 minut, SOC se začne kalibrovat v rozmezí 30 %–10 %, přičemž rychlost kalibrace se mění podle křivky LiFePo4 baterií (Podle závislosti napětí na úrovní nabití baterie)

4. Průměrné napětí jednotlivých článku je nižší než 3,26 V a dojde k resetu BMS nebo restartu baterie - SOC se začne kalibrovat v rozmezí 30 %–10 %, přičemž rychlost kalibrace se mění podle křivky LiFePo4 baterií (Podle závislosti napětí na úrovní nabití baterie) 

5. Průměrné napětí jednotlivých článku je nižší než úroveň 1 alarmu podnapětí (undervolatege alarm 1) článku a baterie je v pohotovostním režimu (bez nabíjení nebo vybíjení) po dobu 30 minut - V tomto případě, pokud je SOC > 30 %, SOC se rychle kalibruje na hodnotu 30 % SOC.

Rychlost kalibrace probíhá řádově v desítkách sekund, ale data jsou na server jak v případě střídače, tak v případě baterie odesílána každých 5 minut. Z tohoto důvodu se ve většíně případů jedná o ”prudké” skoky, které se zákazníkům nezdají.

3. Průběh kalibrace

V následujících bodech je bodově shrnuto, jak kalibrace SOC probíhá, jedná se o orientační postup, přesné detaily není možné od výrobce sdělit ani poskytnout.

1. BMS baterie průběžně sleduje klíčové parametry jednotlivých modulů a jejich článků (SOC, celkové napětí, napětí jednotlivých článků, proudy) a čeká, dokud není splněna některá podmínka, která potvrdí a zároveň vyvolá proces automatické kalibrace.

2. Po splnění podmínky viz podkapitola 1.2, dojde příslušnou řídící jednotkou k vyvolání automatické kalibrace, při které BMS zahájí přepočet SOC na základě definovaných parametrů a opraví odchylky, které jsou způsobené kumulativními chybami. Kalibrace SOC vychází ze závislosti napětí jednotlivých článků na SOC. 

4. Příčiny kumulativních chyb

• Nestabilní nabíjecí/vybíjecí cykly, které jsou způsobené nevyrovnaným výkonem (např. z PV systému nebo invertoru). Jedná se o nepravidelné cykly, kde baterie několik dní nedosáhne buď minimálního nastaveného SOC, nebo pokud není dobita do 100% SOC, kdy dochází k balancování článků a autokalibraci baterie.
• Proudové výkyvy při nabíjení nebo vybíjení.
• Nevyvážené chování článků při opakovaných krátkých cyklech nabíjení a vybíjení.

5. Přínosy autokalibrace

Proces autokalibrace je často vnímán jako chyba baterie, nicméně opak je pravdou, právě auto-kalibrace baterie pomáhá s dlouhodobého hlediska chránit baterii, respektive její moduly a jednotlivé články, před rychlejším opotřebením a situacemi, kdy by mohlo docházet k rychlejší degradaci a ztrátě kapacity baterie.

• Zajištění přesného výpočtu SOC.
• Minimalizace rizika podbití nebo přebití baterie.
• Efektivní využití kapacity baterie a prodloužení její životnosti.