Izum punjive baterije sredinom 19. stoljeća u najmanju je ruku promijenio pravila igre. Ono što je proizašlo iz ovog otkrića bio je novi sustav skladištenja energije i novi načini njegove upotrebe, što je omogućilo veliki tehnološki napredak na mnogim područjima. Međutim, gotovo 100 godina baterija je bila crna kutija, sustav koji je korisniku bilo nemoguće vidjeti unutra. To je značilo da, za razliku od goriva kao što su benzin ili kerozin ili čak drvena građa, gledanjem niste mogli reći koliko je energije preostalo za korištenje.

Koliko je pametna baterija?

Kada se baterija razmatra kao izvor energije, s električnom energijom kao gorivom, lako ju je usporediti s benzinskim sustavom.

Razmislimo o kosilici kao primjeru. Za benzinsku kosilicu, benzin dolijevamo u spremnik za gorivo dok se ne napuni. Možete reći da je pun samo gledajući u spremnik. Ako znate veličinu spremnika i izmjerite koliko goriva stavljate u njega, možete odmah odrediti koliko je goriva dodano, a koliko je prethodno sadržavalo. Tada možemo koristiti kosilicu dok ne vidimo da je razina goriva pala na određenu razinu, a zatim dodati još.

S druge strane, kada bi se ista kosilica napajala iz baterije, radila bi sve dok se baterija ne isprazni, ali ne možemo točno vidjeti kada će to biti. To je neproziran sustav. 

S baterijom nikada nećemo imati savršen odgovor za:

• Koliko je energije preostalo u bateriji
• Ako ima dovoljno snage za određenu upotrebu, ili
• Zdravlje i stanje baterije.

Možemo li bateriju učiniti pametnijom?

Rješenje za ove nepoznanice je pametna baterija koja integrira komunikaciju između baterije, elektroničkog uređaja koji se napaja baterijom i korisnika korištenjem sustava za upravljanje baterijom (BMS). BMS dobiva podatke iz baterije, ekstrapolira i izračunava informacije o njezinom stanju te komunicira s korisnikom. Iako BMS ne može izravno vidjeti u bateriju, može nam dati više informacija o njezinom stanju nego što smo imali prije.

Određivanje stanja napunjenosti

Jedna od glavnih stvari koje trebamo znati o baterijama je njihova napunjenost. Stanje napunjenosti (SoC) je koliko je energije dostupno za korištenje u bateriji, slično mjerenju volumena spremnika plina.

Ako je stanje napunjenosti 50%, tada je dostupna polovica maksimalne električne energije baterije. Baterija od 100 kWh koja je na 60% SoC znači da je 60 kWh energije dostupno za korištenje. No, dok mjerač plinskog goriva mjeri tekućinu koja ulazi i izlazi iz spremnika s poznatom veličinom i minimalnim gubicima, s baterijom to nije tako jednostavno. Tehnički još uvijek možete mjeriti električnu energiju koja ulazi i izlazi, ali postoje gubici usput, a veličina same baterije može se promijeniti kako se smanjuje.

Procjena SoC-a primarna je funkcija sustava upravljanja baterijom i obično se postiže brojanjem kulona, ​​kojim se mjeri protok energije u i iz baterije. Točnost ove metode uvelike ovisi o početnim mjerenjima i dobrom razumijevanju koliko se energije gubi duž strujnog kruga. Kulonovo brojanje također ovisi o kemiji baterije. U olovnim baterijama, na primjer, ova metoda je prilično netočna jer se ne uzimaju u obzir dvije velike stvari: curenje struje i udio napunjenosti baterije koji se gubi kao gubitak topline tijekom upotrebe.

Jedna velika prednost Li-ion baterije je nedostatak ova dva faktora. Međutim, čak i s litij-ionskom baterijom, mjerač goriva može vidjeti samo “napon otvorenog kruga”, što je potencijalna energija baterije na koju nije priključen nikakav uređaj. Napon otvorenog kruga razlikuje se od radnog napona zatvorenog kruga baterije (na primjer, kada je u upotrebi) jer dodavanje uređaja unosi otpor, što je gubitak energije uslijed trenja. Da stvari budu još teže, ukupni kapacitet baterije se mijenja s vremenom.

Najveći problem kod brojanja kulona je taj da za mjerenje ulazne i izlazne energije morate znati početni SoC. 

Evo primjera. Recimo da imate kantu koja sadrži nepoznatu količinu vode. Ako izmjerite 3 galona koji ulaze i 3 galona izlaze, znate da je kanta prazna i da ima kapacitet od 3 galona.

Međutim, recimo da već ima malo vode na dnu kante ili kamenja. Možete izmjeriti koliko vode možete dodati, ali ako ne znate koliko je već bilo unutra, nećete moći znati ukupni kapacitet kante. Recimo da voda koja je već u kanti zauzima 20% volumena, ali vi procjenjujete da zauzima 30%. Tada će vaš izračun ukupnog volumena kante biti manji za 10%. Sljedeći put kad izračunate volumen, počet ćete s greškom.

Evo kako to izgleda:

• Imate veliku kantu s 20 galona vode u njoj. Međutim, netočno pretpostavljate da već ima 30 galona jer ne možete vidjeti
• Dodate vodu i izmjerite još 80 galona
• Budući da ste pretpostavili da već ima 30 galona u sebi, izračunat ćete da će ukupni volumen kante biti 110 galona (30 + 80). Ali stvarno je bilo samo 20 galona, ​​tako da je vaša procjena manja za 10 galona. Kanta je zapravo 100 galona
• Zatim izmjerite 60 galona
• Budući da ste pretpostavili da je ukupni kapacitet 110 galona, ​​kada vidite da 60 izlazi, pretpostavljate da u kanti ima još 50 galona (110 – 60 = 50). Ali zapravo ih je samo 40
• Dodate još 50 galona da ga “napunite”, ali zapravo, kanta sadrži samo 90 galona, ​​ili 90% kapaciteta. Mislite da je pun, ali zapravo ima još 10 galona.

Problem složenih pogrešaka u SoC mjerenjima naziva se “drift”. Pogoršava ga starenje i degradacija baterije, što ukupni kapacitet baterije čini pokretnom metom. Ako je vaša početna procjena bila manja za 10%, nakon godina, stvarni kapacitet baterije mogao bi se smanjiti, što bi dovelo do toga da bude manji za još više.

Važno je da mjerač SoC-a koji prikazuje 100% podrazumijeva potpuno napunjenu bateriju, ali nije pokazatelj ukupnog iskoristivog kapaciteta. Baterija može imati 100 kWh, ali samo 90 kWh tog kapaciteta može biti iskoristivo. 100% SoC značilo bi da je dostupno samo 90 kWh. SoC mjerač ne može “vidjeti” bruto kapacitet, samo ono što je dostupno korisniku, što dovodi do daljnjih pogrešaka u procjeni.

Zašto je bitna točna procjena?

U slučaju EV-a, trebalo bi biti očito zašto je poželjno precizno mjerenje SoC-a. Kao što smo već ranije pisali, zabrinutost oko dometa na dugim putovanjima nastavit će postojati sve dok infrastruktura za punjenje ne bude na točki koja odgovara benzinskim postajama, a BMS izračun dometa glavni je alat za borbu protiv toga. Procjena SoC-a koja je manja za 10% mogla bi značiti pogrešnu procjenu dometa od 30 km za vozilo s dometom od 300 km. Još gore, ako premašujete procijenjeno stanje napunjenosti, možda ćete imati manje baterije nego što očekujete. Srećom, moderna tehnologija daleko je odmakla u pogledu točnih procjena stanja napunjenosti.

Također je vrijedno napomenuti da točna procjena SoC-a može pomoći BMS-u s njegovim vlastitim internim zadacima koji pomažu da baterija ostane zdrava. Balansiranje ćelija ili održavanje baterijskih ćelija na približno istoj razini napunjenosti važan je zadatak održavanja za koji je odgovoran BMS, a dobro mjerenje SoC-a pomaže u tome. BMS također pomaže u izbjegavanju prekomjernog punjenja ili prekomjernog pražnjenja ćelija, što bi s vremenom moglo dovesti do oštećenja baterije. Ovo također zahtijeva znanje o trenutnom stanju napunjenosti.