Калибровка SOC: почему проценты заряда врут и как их выправить
Проценты заряда LiFePO4-батареи — не показание прибора, а результат расчёта: BMS складывает ампер-часы, вошедшие в батарею, и вычитает вышедшие. Каждый день в этот счёт попадает небольшая ошибка, и исправляется она только в двух опорных точках — при полном заряде и на нижней отсечке. Если батарея неделями не доходит до 100 %, цифра уплывает на десятки процентов. Лечение одно: полный заряд с выдержкой до завершения балансировки раз в одну-две недели. Ниже — почему нельзя определить заряд по вольтметру, как оценить дрейф и что делать, когда модули в параллели показывают разное.
Почему нельзя просто измерить напряжение
У свинцового аккумулятора напряжение покоя падает почти линейно вместе с зарядом, и вольтметр даёт приличную оценку. У LiFePO4 кривая другая: крутой подъём у самого верха, крутой спад у самого низа и почти горизонтальная полка между ними. Ориентировочные значения для батареи из 16 ячеек после нескольких часов покоя без тока:
| Заряд | Напряжение ячейки, В | Батарея 16 ячеек, В |
|---|---|---|
| 100 % | 3,40 и выше | 54,4 и выше |
| 90 % | 3,35 | 53,6 |
| 70 % | 3,30 | 52,8 |
| 50 % | 3,26 | 52,2 |
| 30 % | 3,22 | 51,5 |
| 20 % | 3,20 | 51,2 |
| 10 % | 3,00 | 48,0 |
| 0 % | 2,50 | 40,0 |
Цифры зависят от производителя ячеек и температуры, но картина общая. Между 30 % и 70 % разница составляет 52,8 − 51,5 = 1,3 В на всю батарею, то есть 0,08 В на ячейку — на сорок процентов заряда. Под нагрузкой это тонет в просадке: ток 50 А на внутреннем сопротивлении батареи и кабелей легко даёт те же полвольта. Поэтому BMS не может посмотреть на вольтметр и сказать «сейчас 55 %». По напряжению уверенно определяются только края.
Как BMS считает проценты и где ошибается
Метод называется подсчётом кулонов. BMS знает номинальную ёмкость (например, 100 А·ч), измеряет ток через шунт или датчик и интегрирует его по времени. Вошло 10 А·ч — плюс 10 %, вышло 25 А·ч — минус 25 %. Источников ошибки четыре.
- Погрешность датчика тока. Допустим, она составляет 0,5 % (реальное значение зависит от BMS). Батарея 100 А·ч за сутки отдала 70 А·ч и приняла столько же — через датчик прошло 140 А·ч. Ошибка до 140 × 0,005 = 0,7 А·ч в сутки, то есть 0,7 % заряда. За месяц без опорной точки набегает до 20 %.
- Малые токи. Ниже некоторого порога датчик тока не различает от нуля. Если порог, к примеру, 0,3 А, то ночное потребление инвертора в 15 Вт (15 ÷ 51,2 ≈ 0,3 А) BMS не видит вовсе. За десять часов ночи из батареи уйдёт 3 А·ч — три процента, не попавших в счёт. За десять ночей — тридцать.
- Потери при заряде. Не каждый вошедший ампер-час можно забрать обратно; BMS учитывает это коэффициентом, который не идеален.
- Реальная ёмкость меньше номинальной. Батарея постарела до 92 А·ч, а в счётчике записано 100. Тогда при полном разряде счётчик покажет 8 %, когда батарея уже пуста.
Ошибка накапливается в одну сторону, и исправить её BMS может только там, где напряжение говорит однозначно. Наверху — когда ячейки дошли до 3,45–3,5 В и ток заряда упал: это точно 100 %. Внизу — когда ячейка упала к отсечке: это точно ноль. Между этими точками BMS живёт на счётчике.
Симптомы ошибки
| Что видит владелец | Что происходит на самом деле | Что делать |
|---|---|---|
| Заряд резко падает с 20 % до 5 % или до нуля | Счётчик завышал. Слабая ячейка дошла до нижнего порога, BMS подтянула цифру к реальности | Полный заряд с выдержкой, затем наблюдать |
| Показывает 100 %, но ёмкости заметно меньше обычной | Одна ячейка ушла вверх раньше остальных, BMS засчитала полный заряд, остальные недозаряжены | Выдержка наверху для балансировки, возможно несколько суток подряд |
| Неделями стоит 97–99 %, до 100 % не доходит | Заряд прекращается раньше, чем BMS фиксирует опорную точку: напряжение заряда занижено или мало времени | Проверить напряжение заряда и время выдержки |
| Зимой проценты «живут своей жизнью» | Солнца не хватает, батарея не бывает полной, опорной точки нет неделями | Плановый дозаряд от сети по расписанию |
| Модули в параллели показывают разный SOC | Разные токи через модули и разная накопленная ошибка | См. раздел ниже |
Второй симптом стоит проверить арифметикой. Пусть пятнадцать ячеек находятся на 3,39 В, а одна ушла на 3,65 В. Напряжение батареи: 15 × 3,39 + 3,65 = 50,85 + 3,65 = 54,5 В. Инвертор видит вполне рядовые 54,5 В, а BMS уже прекратила заряд по перенапряжению одной ячейки и выставила 100 %. Остальные пятнадцать при этом заряжены примерно на девять десятых.
Процедура: полный заряд с выдержкой
- Обеспечить источник. Летом хватает солнечного дня. Зимой — заряд от сети. В декабре киловатт панелей в Минске даёт 19,1 кВт·ч за месяц; станция 5 кВт — 5 × 19,1 ÷ 31 ≈ 3,1 кВт·ч в сутки. Дом тратит больше, и батарея от солнца до 100 % не дойдёт.
- Задать окно заряда до 100 %. У гибридных Deye это делается в таблице Time of Use: окно с целевым зарядом 100 % и разрешением заряда от сети. Как устроена таблица — в уроке про расписание заряда и разряда.
- Дать время наверху. Дойти до 100 % мало: балансировка идёт только у верхней границы и идёт медленно. Окно должно быть таким, чтобы после достижения полного заряда батарея простояла под напряжением заряда ещё несколько часов.
- Проконтролировать по ячейкам. В приложении батареи или через порт BMS смотрят разницу между самой высокой и самой низкой ячейкой в конце заряда. Если она от цикла к циклу уменьшается — процедура работает. Допустимый разброс указан в документации батареи.
- Повторять раз в одну-две недели. Летом это происходит само. С октября по февраль — по расписанию.
Почему выдержка нужна долгая. Пассивный балансир сбрасывает лишний заряд с верхних ячеек через резистор током в десятки или сотни миллиампер (значение — в паспорте BMS). Пусть ячейки разошлись на 3 А·ч, а ток балансировки 0,1 А. Нужно 3 ÷ 0,1 = 30 часов работы балансира. Если батарея проводит наверху по два часа в день, выравнивание займёт 15 дней. Отсюда и практическое правило: после долгого простоя, зимы или добавления нового модуля батарею несколько суток подряд держат заряженной полностью. Чем отличаются активные и пассивные схемы — в статье про балансиры.
Во что обходится плановый дозаряд от сети. Батарея 5,12 кВт·ч, подняли с 30 % до 100 %: 5,12 × 0,7 ≈ 3,6 кВт·ч. По тарифу 0,3037 руб. это 3,6 × 0,3037 ≈ 1,09 руб. Причём энергия не пропадает — дом израсходует её вечером; чистая цена процедуры — потери преобразования, несколько процентов от этой суммы.
Нужно ли разряжать до нуля
Специально — нет. Нижняя опорная точка тоже исправляет счётчик, а некоторые BMS после полного прохода сверху вниз заново определяют реальную ёмкость. Но глубокий разряд — это и нагрузка на ячейки, и риск остаться без резерва. Достаточно, чтобы батарея в обычной работе иногда доходила до своего рабочего нижнего порога, заданного в инверторе. Оставлять её после этого разряженной нельзя — почему, объяснено в уроке про хранение LiFePO4.
Модули в параллели показывают разный SOC
Два модуля на одних шинах всегда имеют одинаковое напряжение, но не обязаны иметь одинаковый заряд. В середине диапазона разнице в 15 % соответствуют сотые доли вольта на ячейку — уравнительного тока между модулями почти нет, и расхождение может держаться неделями. Сходятся модули только у краёв, где кривая крутая.
Причины расхождения:
- Несимметричное подключение. Модуль, стоящий ближе к инвертору по длине кабеля, берёт на себя больший ток. Силовые провода к инвертору подключают по диагонали сборки — плюс от первого модуля, минус от последнего — или через общие шины с одинаковыми отводами.
- Разный возраст и ёмкость. Новый модуль рядом со старым работает иначе; об этом — статья о параллельном соединении батарей разных партий.
- Разная накопленная ошибка счётчиков. У каждого модуля своя BMS и свой датчик.
- Ослабший контакт на клемме одного из модулей.
Порядок действий: проверить затяжку и симметрию подключения, затем провести полный заряд с выдержкой два-три дня подряд. Если после этого наверху все модули показывают 100 %, а расходятся только в середине, — это счётчики, и это нормально. Если один модуль систематически первым уходит в защиту или его ячейки имеют большой разброс, — модуль проверяют отдельно.
Типичные ошибки
- Ограничить заряд 80–90 % «для ресурса» и никогда не давать батарее дойти до верха. Балансировка не работает, счётчик уплывает; ресурс от этого не выигрывает.
- Занизить напряжение заряда настолько, что BMS не фиксирует полный заряд. Для 16 ячеек рабочий диапазон 55,2–56,0 В, точное значение — в паспорте.
- Сверять проценты по вольтметру под нагрузкой.
- Судить о «потере ёмкости» по одному вечеру, не проведя полный заряд с выдержкой.
- Считать проценты на экране инвертора независимым измерением. При связи по CAN или RS485 инвертор показывает то, что сообщила BMS; без связи — собственную оценку по напряжению, ещё менее точную. Об этом режиме — урок про батарею без связи с инвертором.
Частые вопросы
Как часто нужен полный заряд?
Раз в одну-две недели достаточно для бытовой батареи; точнее — в руководстве производителя. Летом станция делает это сама почти каждый день.
Вредит ли батарее полный заряд?
Вредит долгое хранение на 100 % в тепле, а не регулярное достижение верха в работе. Батарея, которая днём заряжается полностью, а вечером отдаёт энергию, работает в штатном режиме.
После калибровки ёмкость оказалась меньше паспортной. Это брак?
Сначала убедитесь, что измерение корректно: полный заряд с выдержкой, затем разряд известной нагрузкой до рабочего порога и подсчёт киловатт-часов по счётчику инвертора. Учтите, что рабочий порог оставляет в батарее резерв, а КПД инвертора съедает несколько процентов. Если после этого недостача существенная — обращайтесь по гарантии с этими цифрами.
Что надёжнее — проценты или напряжение?
В середине диапазона — проценты, если батарея недавно была в опорной точке. У краёв — напряжение: 3,45 В на ячейку под зарядом с малым током — это полная батарея, 3,0 В под нагрузкой — почти пустая, что бы ни показывал счётчик.
Урок модуля «Аккумуляторы и накопители». Дальше — что меняется, когда инвертор вообще не получает данных от BMS: урок про работу батареи по напряжению.