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Nichtlinearität der SOC-Anzeige

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Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
17.08.2021 19:31
Nachdem ich die ersten 10 Akkuzyklen verfahren hatte wollte ich meinen Eindruck überprüfen, dass der SOC nicht linear verläuft. Konkret hatte ich den Eindruck, dass der SOC nach unten hin schneller fällt. Das hatte ich zunächst auf die SOC-Psychologie geschoben, aber nun wollte ich es doch genauer wissen.


BACKGROUND

Den SOC kann man nicht messen, er wird regulär aus einer Kombination aus Coulombzählung und Ruhespannung/Spannungsreaktion generiert, unter Einbeziehung der Rahmenparameter wie Zellchemie, Akkualter und Temperatur. D.h. es ist immer ein Schätzwert. Genau messen kann man Spannung und Strom, und damit die geflossene Strommenge (Coulomb, Ah) und die Energiemenge (Energie in Wh = Coulomb x Spannung). Diese Messwerte stufe ich daher als verlässliche Primärdaten ein.

Technisch wird bei Akkus die Coulombzählung als Basis für die Kapazität und den Ladestand verwendet, da diese unabhängig von der Spannung ist. Die Spannung ändert sich über die Ladung/Entladung hinweg, außerdem reagiert die Spannung bei niedrigem Ladestand oder niedriger Temperatur stärker auf Last.

Aus Nutzersicht ist die Coulombzählung jedoch falsch, da wir ja im Schnitt immer die gleiche Leistung abrufen (oder einspeisen) möchten. Leistung = Spannung x Strom, d.h. bei niedrigerer Spannung wird ein höherer Strom für die gleiche Leistung benötigt → dies bewirkt eine zunehmend schnellere Entladung. Im Effekt ist die nutzbare Energiemenge ungleich über den Coulomb-Ladebereich eines Akkus verteilt, und eine Aufgabe des BMS ist es, einen SOC zu berechnen, der das ausgleicht.

Daher war mein Gedanke, dass das BMS möglicherweise die Spannungskurve falsch kompensiert.

Ich habe zur Datenerhebung im OVMS ein dediziertes Telemetrie-Log (XVU-LOG-SocMon) implementiert, das neben den verschiedenen SOC-Quellen auch die Energie- und Coulombzähler mit aufzeichnet. Die Details findet ihr hier im Manual: https://docs.openvehicles.com/en/latest ... toring-log

Damit habe ich in den letzten Wochen aufeinander folgend zwei Lade- und einen Fahrzyklus aufgezeichnet, die je möglichst nah an 100% SOC-Hub heran kamen.


LADEN

Die Spannungskurve über die Ladung unterscheidet sich bei verschiedenen Stromstärken nur im Offset, der Verlauf ist identisch und sieht bspw. so aus:
Chart1-Spannungsverlauf-Ladung.png
Der hier als Bezug verwendete SOC ist der User-SOC aus dem Lademanager ("CMG", Steuergerät BD), dieser entspricht exakt dem Anzeigeinstrument im Fahrzeug.

Auffällig ist die Stufe bei knapp 70%. Die zweite Ladung zeigt bei knapp 70% sogar einen Schlenker an, weil das BMS dort den SOC sogar kurz wieder reduziert (bei weiter hochlaufendem Coulomb- und Energiezähler). Das deutet m.E. an, dass hier eine SOC-Rekalibrierung anhand der Spannung geschieht, und es bedeutet, dass der SOC unterhalb des Korrekturpunkts anders zu bewerten ist als oberhalb. Diese Kalibrierung erfolgt also nicht erst bei 100%, sondern während der Ladung. Ob immer bei knapp über 70% weiß ich noch nicht.

Weiter seltsam fand ich hier, dass der Spannungsverlauf so nah an der üblichen Ah-basierten Spannungskurve von NMC-Zellen ist, mit dem typischen Knick bei ziemlich genau 50%. Beispiel:
batteries-04-00011-g001.png
Bei Kompensation der Spannungsänderung würde ich hier einen genau umgekehrten Verlauf erwarten, also einen Bogen nach oben -- je höher die Spannung wird, desto weiter werden die SOC-Abstände. Bei Berechnung des Energieinhalts bekomme ich entsprechend hier für die unteren 50% SOC rund 45% der Energiemenge, und 55% für die oberen 50%.

Also habe ich als nächstes einen eigenen SOC auf Basis der Energiezählung und der Hochrechnung auf 100% Kapazität berechnet. Das folgende Chart stellt die Abweichung des angezeigten SOC von diesem Energie-SOC während der Ladung dar:
Chart2-SOC-Energieabweichung-Ladung.png
Das Chart zeigt, dass der SOC bei der Ladung unterhalb der Kalibrierungsstufe insgesamt um bis zu 5% zu optimistisch ist, und auf den ersten 25% SOC recht schnell beginnt, von der tatsächlich geladenen Energiemenge abzuweichen. Erst ab 80% passt der SOC.

Das bedeutet dass hier der SOC auf den ersten 70-80% SOC eine um bis zu 5% höhere Ladung suggeriert als tatsächlich an Energie verfügbar ist.

Meine folgende Annahme, dass der SOC dann wohl coulombbasiert arbeitet, bestätigte sich aber auch nicht:
Chart3-SOC-Coulombabweichung-Ladung.png
Die Abweichung ist hier zwar geringer, aber die Fehlercharakteristik ist identisch.

Von einer DC-Ladung habe ich noch keine Aufzeichnung über einen gleich großen SOC-Bereich, von dem was ich bisher habe geht die Tendenz dort aber in die gleiche Richtung.


FAHREN

Auslöser für die Untersuchung war die wahrgenommene Nichtlinearität beim Fahren. Das nächste Chart zeigt die gleiche Auswertung für den Fahrbetrieb, also angezeigter SOC vs. berechneter SOC der verfügbaren Energiemenge:
Chart4-SOC-Energieabweichung-Entladung.png
Das Chart zeigt, dass hier im Prinzip der gleiche Fehler besteht, jedoch mit dem Zusatztwist, dass der Fehler im Bereich 100%-50% zunächst sogar noch zunimmt, ab 50% abwärts dann zunächst langsam, und ab 30% SOC abwärts dann immer schneller kompensiert wird.

Das ist also genau der beobachtete Effekt, die psychologische Ursache können wir damit als widerlegt betrachten.

Interessanterweise gibt es einen alternativen SOC in SG 01 ("Motorelektronik"), der bei Bezug auf seine Coulomb-Hochrechnung nahezu linear verläuft. Nur hat dieser SOC leider nichts mit der Anzeige im Fahrzeug zu tun, und außerdem wäre ein reiner Coulomb-SOC ja ebenfalls kein brauchbarer SOC aus Nutzersicht (siehe Erläuterung oben).


UND NUN?

Wir können natürlich im OVMS einen eigenen energiebasierten SOC berechnen und bereitstellen, darüber denke ich mal noch etwas nach. Leider können wir die Anzeige im Fahrzeug nicht übersteuern, aber wir könnten den auf einem Custom-Dashboard anzeigen.

Für die allgemeine Praxis und für Nicht-OVMS-User ist hier zunächst einmal mitnehmbar, dass der SOC keine lineare Messgröße beim UpMiiGo ist, weder während der Ladung, noch beim Fahren.

Bei der Ladung kann man etwa aus einer SOC-Differenz nicht einfach auf die Energiedifferenz schließen, ohne diese Nichtlinearität zu berücksichtigen. Außerdem ist die SOC-Änderung beim Laden speziell im unteren SOC-Bereich mit Vorsicht zu genießen: die tatsächlich geladene Energie ist geringer.

Beim Fahren muss man im Hinterkopf behalten, dass der angezeigte Ladestand fast immer zu optimistisch ist, und im Bereich unter 30% dann deutlich schneller sinkt als vom vorherigen Verlauf erwartbar.

Im Anhang findet ihr meine Datenbasis und Auswertungen als OpenDocument-Spreadsheet (ich empfehle LibreOffice oder OpenOffice zur Bearbeitung). Würde mich freuen wenn jemand meine Ergebnisse überprüfen könnte, oder evtl. noch weitergehende Ideen dazu hat.

Ach ja: mein Mii ist ein 2020er, kann sein dass sich bei älteren Akkus und Modellen hier ein anderes Bild ergibt. Wer Daten beisteuern möchte: im OVMS-Manual steht wie man das Log aktiviert. Beim CSV-Download von meinem Server bekommt ihr automatisch die korrekte Kopfzeile dazu.
Michael

Twike 3 (2001) … Emco Novum (2009) … Twizy 80 (2012) … Mii electric+ (2020)

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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
17.08.2021 22:52
Eine Option für alle wäre evtl. eine angepasste Skala für das SOC-Instrument.

Sowas wie Tedo Nash hier dokumentiert hat: https://www.youtube.com/watch?v=vref6lnvgYk

…nur halt mit einer Skala, die die Nichtlinearität ausgleicht. Das kann zwar den Lade-Schlenker bei 70% nicht bereinigen, aber wenn der Verlauf bei der Entladung tendenziell immer so aussieht wie bei mir, dann könnte man sich daran recht gut orientieren. Für die Ladung wäre das bis zur Kalibrierung dann auch ungefähr passend, und darüber vermutlich noch akzeptabel.

Die Originalskala scheint über 200° zu gehen, d.h. linear entspricht 1% SOC 2° auf der Skala. Kommt das hin?
Michael

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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

Eautofahrer
19.08.2021 07:42
Kurze Frage... bei SOC 0% ist aber der Akku schon leer oder?
E-UP 03/2017 leider verkauft
Citigoe iV 01/2020
ID3 Pro best. 22.10.21 // Übergabe 21.10.22

Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

LouRaX
19.08.2021 08:08
Der Akku ist nicht leer wenn 0/0 angezeigt wird... /// Der Akku ist leer wenn die digitale Anzeige auf 0km fällt
Skoda CITIGOe IV von 03.2020 - 04.2023 (54.500 km)

SAIC MG4 aktuell 30.000 km seit 13.04.2023

Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
19.08.2021 08:11
Kurze Antwort: Nein.

Aber Du stellst die falsche Frage, die richtige wäre, ob bzw. wie weit Du bei einer Anzeige von 0% noch fahren kannst.

Zum "nein": der Akku hat eine höhere Brutto-Kapazität als für den Nutzer freigegeben wird. Das Nutzer-SOC-Fenster wird so gewählt, dass der Akku bei "100%" nicht ganz voll und bei "0%" nicht ganz leer ist. Das hat vor allem den Sinn, den Akku zu schonen, außerdem bleibt der Akku so in einem besser modellierbaren Spannungsbereich.

Zur Frage, wie ernst der Wagen die "0%" nimmt, habe ich selbst noch keine Daten aufgezeichnet. Nutzer haben hier berichtet, dass man noch ein paar Kilometer fahren kann, und ggf. nochmal ein paar hundert Meter nach 1x Aus- und wieder Einschalten.
Michael

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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
19.08.2021 08:19
Ein erster Anhaltspunkt könnte die Hochrechnung bei der Entladung (im Spreadsheet Spalten BM/BN in Blatt "fahren-0804") sein: der Lademanager-SOC rechnet sich hier zu einer nutzbaren Gesamtenergie von 31,6 kWh hoch.

Die Realität sollte bei 32,3 kWh liegen, da der Wagen so gut wie neu ist. Es könnte also sein, dass in "0%" noch eine Restenergie von ca. 0,7 kWh steckt. Rechnerisch wären das ca. 5-6 km.

Aber das war jetzt nur eine Messaufzeichnung, um hier die Streuungen auszugleichen sollten es ein paar mehr werden.

Nachtrag, um Missverständnisse zu vermeiden: auch diese 0,7 kWh machen den Akku dann nicht wirklich leer, sondern das ist dann die harte untere Entladungsgrenze des Nutzer-SOC-Fensters.
Michael

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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

burgerman
19.08.2021 10:01
Ein sehr interessantes Thema wie ich finde. Und nicht nur relevant für Theoretiker, sondern auch für das tägliche Fahren.

Was ich überhaupt nicht nachvollziehen kann, ist die offensichtliche Strategie von Volkswagen, im unteren SOC-Bereich eine zu optimistische Anzeige zu machen.
Zitat: „Beim Fahren muss man im Hinterkopf behalten, dass der angezeigte Ladestand fast immer zu optimistisch ist, und im Bereich unter 30% dann deutlich schneller sinkt als vom vorherigen Verlauf erwartbar.“

Es ist doch absurd, dass der Benutzer hierdurch in falscher Sicherheit gewogen wird: Wenn ich eine lange gleichmäßige Strecke mit 100% vollem Akku losfahre und nach 100km genau bei 50% SOC (angezeigter Wert) stehe, dann gehe ich doch davon aus, dass ich weitere 100km schaffe. Da zu diesem Zeitpunkt aber nur noch 45% (tatsächlicher Wert) zur Verfügung stehen, ich also bereits 55% verfahren habe, reicht die Restladung nur noch für gut 80km
Ich recherchiere & schreibe über E-Autos, insbesondere VW e-up!

Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

pcandre
19.08.2021 10:32
Morgen...!
Ich finde deine Ausführungen sehr interessant, da auch in einem anderen Threat über den Gesamtzusammenhang Verbrauchsanzeige der App, nachgeladener Energie und SOC eine Diskrepanz besteht.

Ich versuche selbst das Thema ein bissl zu verstehen, um die Gesamtzusammenhänge davon ableiten zu können.
dexter hat geschrieben: Zum "nein": der Akku hat eine höhere Brutto-Kapazität als für den Nutzer freigegeben wird. Das Nutzer-SOC-Fenster wird so gewählt, dass der Akku bei "100%" nicht ganz voll und bei "0%" nicht ganz leer ist. Das hat vor allem den Sinn, den Akku zu schonen, außerdem bleibt der Akku so in einem besser modellierbaren Spannungsbereich.
Deine oben getätigte Aussage hätte ich ohne deine Messdaten auch so unterschrieben. Jedoch sagen deine Messdaten in Zusammenhang mit den Spezifikationen der Batterie etwas anderes. Laut deinen Tabellenblättern "laden-xxx" liegt die max. Spannung bei SOC 100% bei 4,190 - 4,202 V. Laut Batteriespezifikation liegt diese bei 4,166 V (25°C)...also identisch. Daraus schließe ich, dass die Batterie im oberen Bereich bis 100% genutzt wird.
Im Gegensatz dazu liegen deine min. Spannung bei SOC 0% bei 3,467 - 3,500 V. Dies entspricht laut Batteriespezifikation einem SOC zwischen 15 und 20%. Wirklich leer wäre die Batterie bei 3,17 V. Bedeutet für mich, der Unterschied von Brutto 36,8 kWh zu Netto 32,3 kWh Kapazität befindet sich nur im unteren Spannungsbereich der Batterie.

Kommen wir zum interessanten Teil...wie viel Kapazität hat denn der Akku?! Dies ist von zwei Faktoren abhängig:

1. Bei welcher Temperatur wird der Akku geladen.
2. Bei welcher Temperatur wird der Akku entladen

Zu 1. habe ich nur eine Info bzgl. bei 25°C geladen in der Spezifikation gefunden bzw. bin so unintelligent andere heraus zu lesen!;)
Zu 2. gibt es in der Spezifikation folgende Angaben:

-20°C -> 60.2%
-10°C -> 84.2%
0°C -> 90.4%
25°C ->100%
45°C ->102%

Das bedeutet aus meiner Sicht, dass der Akku bei -20°C eine Kapazität von < 22 kWh (36,8 x 60.2% - ?untere Sicherheitsreserve?) besitzt. Ist die untere Spannungsgrenze fix auch bei Kälte? Wie sind die Zusammenhänge einer kalten Batterie? Muss man die 4,3 kWh Differenz von Brutto- zur Nettokapazität noch von den 22 kWh abziehen, würden rund 18 kWh nutzbare Batteriekapazität übrig bleiben!

Bedeutet für das Video von Nash, dass seine wirklich interessante Anzeige nur für eine geringe Anzahl von Fällen Gültigkeit besitzt....laden und entladen bei 25°C (+/-2°C). Für alle anderen Fälle würden die Werte nicht stimmen.

Ich bin echt gespannt wie man all diese variablen Zustände in eine lineare Abbildung bringen möchte...!;)

MfG André

[1] https://goingelectric.de/forum/download ... p?id=76730
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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
19.08.2021 10:38
@burgerman Das muss keine Absicht sein, wahrscheinlicher ist es einfach ein Bug. Die SOC-Berechnung ist nicht trivial.

Und nochmal: mehr Daten wären gut, es kann auch sein das betrifft nur meinen, oder ist ein Effekt, der nur bei einem relativ neuen Akku auftritt.
Michael

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Re: Nichtlinearität der SOC-Anzeige

dexter
19.08.2021 11:14
@pcandre Ja, nach oben ist die Pufferzone kleiner, das ist leider normal, da dort mit jedem mV relativ viel Kapazität verloren geht. Du musst dabei aber die Ruhespannung ablesen, nicht die direkt beim Ladeschluss. D.h. such eine Zeile, bei der kein Strom mehr floss (Spalte "current"), etwa von der anschließenden Fahrt. Damit erhältst Du den Ladeschluss bei etwa 4,18 V, d.h. nach oben sind noch 20 mV Luft. Der angenommene absolute SOC (Brutto-SOC) aus dem BMS (Spalte "soc_abs_bms") liegt dort bei 96%.

Andere Fahrzeuge sind da deutlich konservativer ausgelegt (mit Maximum eher bei 4,14 - 4,15 V bei ähnlicher Zellchemie), weshalb man beim UpMiiGo wirklich im Alltag möglichst selten bis 100% laden sollte, bzw. möglichst nur wenn man danach direkt wieder fährt.

Ach ja, in der Fahrtaufzeichnung ist dann noch interessant, wie lange der SOC bei 100% bleibt: bis zu einem Ruhespannungsschnitt von ca. 4,145 V.

Die Batterietemperatur steht in der Spalte "temp", d.h. während dieser Messungen lag die im Bereich 20-25°C. Wie sich das im Winter verhält ist definitiv auch nochmal interessant. Oder vielleicht liest hier ja jemand aus kälteren Gefilden mit, der Daten bereitstellen könnte…?
Michael

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