Η εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης (SOC) μιας μπαταρίας λιθίου είναι τεχνικά δύσκολη, ειδικά σε εφαρμογές όπου η μπαταρία δεν είναι πλήρως φορτισμένη ή πλήρως αποφορτισμένη.Τέτοιες εφαρμογές είναι τα υβριδικά ηλεκτρικά οχήματα (HEV).Η πρόκληση πηγάζει από τα πολύ επίπεδα χαρακτηριστικά εκφόρτισης τάσης των μπαταριών λιθίου.Η τάση σχεδόν δεν αλλάζει από 70% SOC σε 20% SOC.Στην πραγματικότητα, η διακύμανση της τάσης λόγω αλλαγών θερμοκρασίας είναι παρόμοια με τη διακύμανση της τάσης λόγω εκφόρτισης, επομένως εάν το SOC προέρχεται από την τάση, η θερμοκρασία του στοιχείου πρέπει να αντισταθμιστεί.
Μια άλλη πρόκληση είναι ότι η χωρητικότητα της μπαταρίας καθορίζεται από τη χωρητικότητα της κυψέλης χαμηλότερης χωρητικότητας, επομένως το SOC δεν πρέπει να κρίνεται με βάση την τάση τερματικού της κυψέλης, αλλά με βάση την τάση τερματικού της πιο αδύναμης κυψέλης.Όλα αυτά ακούγονται λίγο πολύ δύσκολα.Γιατί λοιπόν δεν κρατάμε απλώς τη συνολική ποσότητα ρεύματος που ρέει στο κελί και την εξισορροπούμε με το ρεύμα που ρέει έξω;Αυτό είναι γνωστό ως κουλομετρική μέτρηση και ακούγεται αρκετά απλό, αλλά υπάρχουν πολλές δυσκολίες με αυτή τη μέθοδο.
Μπαταρίεςδεν είναι τέλειες μπαταρίες.Δεν επιστρέφουν ποτέ αυτό που τους βάζετε.Υπάρχει ρεύμα διαρροής κατά τη φόρτιση, το οποίο ποικίλλει ανάλογα με τη θερμοκρασία, τον ρυθμό φόρτισης, την κατάσταση φόρτισης και τη γήρανση.
Η χωρητικότητα μιας μπαταρίας ποικίλλει επίσης μη γραμμικά με το ρυθμό αποφόρτισης.Όσο πιο γρήγορη είναι η εκφόρτιση, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα.Από μια εκφόρτιση 0,5 C έως μια εκκένωση 5 C, η μείωση μπορεί να φτάσει έως και 15%.
Οι μπαταρίες έχουν σημαντικά υψηλότερο ρεύμα διαρροής σε υψηλότερες θερμοκρασίες.Οι εσωτερικές κυψέλες σε μια μπαταρία μπορεί να είναι πιο ζεστές από τις εξωτερικές κυψέλες, επομένως η διαρροή της κυψέλης μέσω της μπαταρίας θα είναι άνιση.
Η χωρητικότητα είναι επίσης συνάρτηση της θερμοκρασίας.Ορισμένες χημικές ουσίες λιθίου επηρεάζονται περισσότερο από άλλες.
Για να αντισταθμιστεί αυτή η ανισότητα, χρησιμοποιείται εξισορρόπηση κυψελών εντός της μπαταρίας.Αυτό το πρόσθετο ρεύμα διαρροής δεν είναι μετρήσιμο εκτός της μπαταρίας.
Η χωρητικότητα της μπαταρίας μειώνεται σταθερά κατά τη διάρκεια ζωής της κυψέλης και με την πάροδο του χρόνου.
Οποιαδήποτε μικρή μετατόπιση στην τρέχουσα μέτρηση θα ενσωματωθεί και με την πάροδο του χρόνου μπορεί να γίνει μεγάλος αριθμός, επηρεάζοντας σοβαρά την ακρίβεια του SOC.
Όλα τα παραπάνω θα οδηγήσουν σε μετατόπιση της ακρίβειας με την πάροδο του χρόνου, εκτός εάν πραγματοποιηθεί τακτική βαθμονόμηση, αλλά αυτό είναι δυνατό μόνο όταν η μπαταρία είναι σχεδόν αποφορτισμένη ή σχεδόν γεμάτη.Σε εφαρμογές HEV είναι καλύτερο να διατηρείτε τη μπαταρία σε φόρτιση περίπου 50%, επομένως ένας πιθανός τρόπος για να διορθώσετε αξιόπιστα την ακρίβεια μέτρησης είναι να φορτίζετε περιοδικά πλήρως την μπαταρία.Τα αμιγώς ηλεκτρικά οχήματα φορτίζονται τακτικά πλήρως ή σχεδόν πλήρη, επομένως η μέτρηση με βάση τις κουλομετρικές μετρήσεις μπορεί να είναι πολύ ακριβής, ειδικά εάν αντισταθμιστούν άλλα προβλήματα μπαταρίας.
Το κλειδί για την καλή ακρίβεια στην κουλομετρική μέτρηση είναι η καλή ανίχνευση ρεύματος σε ένα ευρύ δυναμικό εύρος.
Η παραδοσιακή μέθοδος μέτρησης ρεύματος είναι για εμάς μια διακλάδωση, αλλά αυτές οι μέθοδοι πέφτουν όταν εμπλέκονται υψηλότερα (250A+) ρεύματα.Λόγω της κατανάλωσης ρεύματος, η διακλάδωση πρέπει να είναι χαμηλής αντίστασης.Οι διακλαδώσεις χαμηλής αντίστασης δεν είναι κατάλληλες για τη μέτρηση ρευμάτων χαμηλών (50 mA).Αυτό εγείρει αμέσως το πιο σημαντικό ερώτημα: ποια είναι τα ελάχιστα και τα μέγιστα ρεύματα που πρέπει να μετρηθούν;Αυτό ονομάζεται δυναμικό εύρος.
Υποθέτοντας χωρητικότητα μπαταρίας 100 Ahr, μια χονδρική εκτίμηση του αποδεκτού σφάλματος ενσωμάτωσης.
Ένα σφάλμα 4 Amp θα παράγει το 100% των σφαλμάτων σε μια ημέρα ή ένα σφάλμα 0,4 A θα παράγει το 10% των σφαλμάτων σε μια ημέρα.
Ένα σφάλμα 4/7 Α θα παράγει το 100% των σφαλμάτων μέσα σε μια εβδομάδα ή ένα σφάλμα 60 mA θα παράγει το 10% των σφαλμάτων μέσα σε μια εβδομάδα.
Ένα σφάλμα 4/28A θα παράγει σφάλμα 100% σε ένα μήνα ή ένα σφάλμα 15 mA θα παράγει σφάλμα 10% σε ένα μήνα, που είναι ίσως η καλύτερη μέτρηση που μπορεί να αναμένεται χωρίς επαναβαθμονόμηση λόγω φόρτισης ή σχεδόν πλήρους εκφόρτισης.
Τώρα ας δούμε τη διακλάδωση που μετρά το ρεύμα.Για 250A, μια διακλάδωση 1m ohm θα βρίσκεται στην ψηλή πλευρά και θα παράγει 62,5W.Ωστόσο, στα 15 mA θα παράγει μόνο 15 μικροβολτ, τα οποία θα χαθούν στον θόρυβο του περιβάλλοντος.Το δυναμικό εύρος είναι 250A/15mA = 17.000:1.Εάν ένας μετατροπέας A/D 14 bit μπορεί πραγματικά να «δώσει» το σήμα σε θόρυβο, μετατόπιση και μετατόπιση, τότε απαιτείται ένας μετατροπέας A/D 14 bit.Μια σημαντική αιτία μετατόπισης είναι η μετατόπιση τάσης και βρόχου γείωσης που δημιουργείται από το θερμοστοιχείο.
Βασικά, δεν υπάρχει αισθητήρας που να μπορεί να μετρήσει το ρεύμα σε αυτό το δυναμικό εύρος.Απαιτούνται αισθητήρες υψηλού ρεύματος για τη μέτρηση των υψηλότερων ρευμάτων από παραδείγματα έλξης και φόρτισης, ενώ αισθητήρες χαμηλού ρεύματος χρειάζονται για τη μέτρηση των ρευμάτων, για παράδειγμα, από αξεσουάρ και από οποιαδήποτε κατάσταση μηδενικού ρεύματος.Δεδομένου ότι ο αισθητήρας χαμηλού ρεύματος "βλέπει" επίσης το υψηλό ρεύμα, δεν μπορεί να καταστραφεί ή να καταστραφεί από αυτά, εκτός από τον κορεσμό.Αυτό υπολογίζει αμέσως το ρεύμα διακλάδωσης.
Μια λύση
Μια πολύ κατάλληλη οικογένεια αισθητήρων είναι οι αισθητήρες ρεύματος ανοιχτού βρόχου εφέ Hall.Αυτές οι συσκευές δεν θα καταστραφούν από υψηλά ρεύματα και η Raztec έχει αναπτύξει μια σειρά αισθητήρων που μπορεί πραγματικά να μετρήσει ρεύματα στην περιοχή milliamp μέσω ενός μόνο αγωγού.Μια συνάρτηση μεταφοράς 100 mV/AT είναι πρακτική, επομένως ένα ρεύμα 15 mA θα παράγει ένα χρησιμοποιήσιμο 1,5 mV.Χρησιμοποιώντας το καλύτερο διαθέσιμο υλικό πυρήνα, μπορεί επίσης να επιτευχθεί πολύ χαμηλή παραμονή στο εύρος ενός milliamp.Στα 100mV/AT, ο κορεσμός θα συμβεί πάνω από 25 Amps.Το χαμηλότερο κέρδος προγραμματισμού φυσικά επιτρέπει υψηλότερα ρεύματα.
Τα υψηλά ρεύματα μετρώνται χρησιμοποιώντας συμβατικούς αισθητήρες υψηλού ρεύματος.Η εναλλαγή από τον έναν αισθητήρα στον άλλο απαιτεί απλή λογική.
Η νέα σειρά αισθητήρων χωρίς πυρήνα της Raztec είναι μια εξαιρετική επιλογή για αισθητήρες υψηλού ρεύματος.Αυτές οι συσκευές προσφέρουν εξαιρετική γραμμικότητα, σταθερότητα και μηδενική υστέρηση.Προσαρμόζονται εύκολα σε ένα ευρύ φάσμα μηχανικών διαμορφώσεων και σειρές ρεύματος.Αυτές οι συσκευές γίνονται πρακτικές με τη χρήση μιας νέας γενιάς αισθητήρων μαγνητικού πεδίου με εξαιρετική απόδοση.
Και οι δύο τύποι αισθητήρων παραμένουν ωφέλιμοι για τη διαχείριση των αναλογιών σήματος προς θόρυβο με το πολύ υψηλό δυναμικό εύρος ρευμάτων που απαιτείται.
Ωστόσο, η εξαιρετική ακρίβεια θα ήταν περιττή, καθώς η ίδια η μπαταρία δεν είναι ακριβής μετρητής κουλόμπ.Ένα σφάλμα 5% μεταξύ φόρτισης και εκφόρτισης είναι χαρακτηριστικό για μπαταρίες όπου υπάρχουν περαιτέρω ασυνέπειες.Έχοντας αυτό υπόψη, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια σχετικά απλή τεχνική που χρησιμοποιεί ένα βασικό μοντέλο μπαταρίας.Το μοντέλο μπορεί να περιλαμβάνει την τάση ακροδεκτών χωρίς φορτίο έναντι της χωρητικότητας, την τάση φόρτισης έναντι της χωρητικότητας, τις αντιστάσεις εκφόρτισης και φόρτισης που μπορούν να τροποποιηθούν με τη χωρητικότητα και τους κύκλους φόρτισης/εκφόρτισης.Πρέπει να καθοριστούν οι κατάλληλες μετρούμενες χρονικές σταθερές τάσης για την προσαρμογή των σταθερών χρόνου εξάντλησης και τάσης ανάκτησης.
Ένα σημαντικό πλεονέκτημα των μπαταριών λιθίου καλής ποιότητας είναι ότι χάνουν πολύ μικρή χωρητικότητα σε υψηλούς ρυθμούς εκφόρτισης.Αυτό το γεγονός απλοποιεί τους υπολογισμούς.Έχουν επίσης πολύ χαμηλό ρεύμα διαρροής.Η διαρροή συστήματος μπορεί να είναι μεγαλύτερη.
Αυτή η τεχνική επιτρέπει την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης εντός λίγων ποσοστιαίων μονάδων από την πραγματική υπολειπόμενη χωρητικότητα μετά τον καθορισμό των κατάλληλων παραμέτρων, χωρίς να απαιτείται μέτρηση coulomb.Η μπαταρία γίνεται μετρητής κουλόμπ.
Πηγές σφάλματος στον τρέχοντα αισθητήρα
Όπως αναφέρθηκε παραπάνω, το σφάλμα μετατόπισης είναι κρίσιμο για την κουλομετρική μέτρηση και θα πρέπει να υπάρχει πρόβλεψη στην οθόνη SOC για τη βαθμονόμηση της μετατόπισης του αισθητήρα στο μηδέν υπό συνθήκες μηδενικού ρεύματος.Αυτό συνήθως είναι εφικτό μόνο κατά την εργοστασιακή εγκατάσταση.Ωστόσο, μπορεί να υπάρχουν συστήματα που καθορίζουν μηδενικό ρεύμα και επομένως επιτρέπουν αυτόματη επαναβαθμονόμηση της μετατόπισης.Αυτή είναι μια ιδανική κατάσταση καθώς μπορεί να φιλοξενηθεί drift.
Δυστυχώς, όλες οι τεχνολογίες αισθητήρων παράγουν θερμική μετατόπιση και οι αισθητήρες ρεύματος δεν αποτελούν εξαίρεση.Μπορούμε τώρα να δούμε ότι αυτή είναι μια κρίσιμη ποιότητα.Χρησιμοποιώντας ποιοτικά εξαρτήματα και προσεκτικό σχεδιασμό στη Raztec, έχουμε αναπτύξει μια σειρά θερμικά σταθερών αισθητήρων ρεύματος με εύρος μετατόπισης <0,25 mA/K.Για αλλαγή θερμοκρασίας 20 K, αυτό μπορεί να παράγει μέγιστο σφάλμα 5 mA.
Μια άλλη κοινή πηγή σφάλματος στους αισθητήρες ρεύματος που ενσωματώνουν ένα μαγνητικό κύκλωμα είναι το σφάλμα υστέρησης που προκαλείται από τον παραμένοντα μαγνητισμό.Συχνά είναι μέχρι 400 mA, γεγονός που καθιστά τέτοιους αισθητήρες ακατάλληλους για παρακολούθηση μπαταρίας.Επιλέγοντας το καλύτερο μαγνητικό υλικό, η Raztec μείωσε αυτή την ποιότητα στα 20 mA και αυτό το σφάλμα έχει πράγματι μειωθεί με την πάροδο του χρόνου.Εάν απαιτείται μικρότερο σφάλμα, ο απομαγνητισμός είναι δυνατός, αλλά προσθέτει σημαντική πολυπλοκότητα.
Ένα μικρότερο σφάλμα είναι η μετατόπιση της βαθμονόμησης της συνάρτησης μεταφοράς με τη θερμοκρασία, αλλά για τους αισθητήρες μάζας αυτό το φαινόμενο είναι πολύ μικρότερο από τη μετατόπιση της απόδοσης της κυψέλης με τη θερμοκρασία.
Η καλύτερη προσέγγιση για την εκτίμηση SOC είναι η χρήση ενός συνδυασμού τεχνικών όπως σταθερές τάσεις χωρίς φορτίο, τάσεις κυψέλης που αντισταθμίζονται με IXR, κουλομετρικές μετρήσεις και αντιστάθμιση θερμοκρασίας παραμέτρων.Για παράδειγμα, τα μακροπρόθεσμα σφάλματα ολοκλήρωσης μπορούν να αγνοηθούν με την εκτίμηση του SOC για τάσεις μπαταρίας χωρίς φορτίο ή χαμηλού φορτίου.
Ώρα δημοσίευσης: Aug-09-2022