Oszacowanie stanu naładowania (SOC) akumulatora litowego jest trudne technicznie, szczególnie w zastosowaniach, w których akumulator nie jest w pełni naładowany lub całkowicie rozładowany.Takimi zastosowaniami są hybrydowe pojazdy elektryczne (HEV).Wyzwanie wynika z bardzo płaskiej charakterystyki rozładowania akumulatorów litowych.Napięcie prawie nie zmienia się z 70% SOC na 20% SOC.W rzeczywistości zmiana napięcia spowodowana zmianami temperatury jest podobna do zmiany napięcia spowodowanej wyładowaniem, więc jeśli SOC ma zostać wyprowadzone z napięcia, należy skompensować temperaturę ogniwa.
Kolejnym wyzwaniem jest to, że pojemność akumulatora zależy od pojemności ogniwa o najniższej pojemności, zatem SOC nie należy oceniać na podstawie napięcia na zaciskach ogniwa, ale na podstawie napięcia na zaciskach najsłabszego ogniwa.To wszystko brzmi trochę zbyt trudne.Dlaczego więc po prostu nie zatrzymamy całkowitej ilości prądu wpływającego do ogniwa i zrównoważymy go prądem wypływającym?Nazywa się to liczeniem kulometrycznym i wydaje się dość proste, ale metoda ta wiąże się z wieloma trudnościami.
Baterienie są akumulatorami idealnymi.Nigdy nie zwracają tego, co w nie włożyłeś.Podczas ładowania występuje prąd upływowy, który zmienia się w zależności od temperatury, szybkości ładowania, stanu naładowania i starzenia.
Pojemność akumulatora również zmienia się nieliniowo wraz z szybkością rozładowywania.Im szybsze rozładowywanie, tym mniejsza pojemność.Od wyładowania o temperaturze 0,5°C do wyładowania o temperaturze 5°C redukcja może sięgać nawet 15%.
Baterie charakteryzują się znacznie większym prądem upływowym w wyższych temperaturach.Wewnętrzne ogniwa akumulatora mogą się nagrzewać bardziej niż ogniwa zewnętrzne, dlatego wyciek ogniw przez akumulator będzie nierówny.
Pojemność jest także funkcją temperatury.Niektóre substancje chemiczne zawierające lit są dotknięte bardziej niż inne.
Aby zrekompensować tę nierówność, w akumulatorze stosuje się równoważenie ogniw.Tego dodatkowego prądu upływowego nie da się zmierzyć poza akumulatorem.
Pojemność baterii zmniejsza się równomiernie wraz z upływem czasu i żywotnością ogniwa.
Każde małe przesunięcie w bieżącym pomiarze zostanie zintegrowane i z czasem może stać się dużą liczbą, poważnie wpływając na dokładność SOC.
Wszystkie powyższe spowodują spadek dokładności w miarę upływu czasu, jeśli nie zostanie przeprowadzona regularna kalibracja, ale jest to możliwe tylko wtedy, gdy bateria jest prawie rozładowana lub prawie pełna.W zastosowaniach HEV najlepiej jest utrzymywać akumulator na poziomie około 50%, więc jednym z możliwych sposobów niezawodnej korekty dokładności pomiaru jest okresowe pełne ładowanie akumulatora.Pojazdy zasilane wyłącznie energią elektryczną są regularnie ładowane do pełna lub prawie do pełna, dlatego pomiary oparte na pomiarach kulometrycznych mogą być bardzo dokładne, zwłaszcza jeśli kompensowane są inne problemy z akumulatorem.
Kluczem do dobrej dokładności zliczania kulometrycznego jest dobre wykrywanie prądu w szerokim zakresie dynamicznym.
Tradycyjna metoda pomiaru prądu jest dla nas bocznikiem, jednak metody te zawodzą, gdy w grę wchodzą prądy wyższe (250A+).Ze względu na pobór mocy bocznik musi mieć niską rezystancję.Boczniki o niskiej rezystancji nie nadają się do pomiaru małych prądów (50 mA).To od razu nasuwa najważniejsze pytanie: jakie są minimalne i maksymalne prądy, które należy zmierzyć?Nazywa się to zakresem dynamicznym.
Zakładając, że pojemność akumulatora wynosi 100Ahr, przybliżone oszacowanie dopuszczalnego błędu całkowania.
Błąd 4 A spowoduje 100% błędów w ciągu dnia lub błąd 0,4 A spowoduje 10% błędów w ciągu dnia.
Błąd 4/7 A spowoduje 100% błędów w ciągu tygodnia lub błąd 60 mA spowoduje 10% błędów w ciągu tygodnia.
Błąd 4/28 A będzie generował błąd 100% w miesiącu, a błąd 15 mA będzie generował błąd 10% w miesiącu, co jest prawdopodobnie najlepszym pomiarem, jakiego można się spodziewać bez ponownej kalibracji z powodu ładowania lub prawie całkowitego rozładowania.
Przyjrzyjmy się teraz bocznikowi mierzącemu prąd.W przypadku 250 A bocznik o rezystancji 1 m będzie znajdował się po stronie wysokiego napięcia i wytwarzał 62,5 W.Jednak przy 15 mA wytworzy tylko 15 mikrowoltów, które zostaną utracone w szumie tła.Zakres dynamiczny wynosi 250A/15mA = 17 000:1.Jeśli 14-bitowy przetwornik A/D rzeczywiście „widzi” sygnał w postaci szumu, przesunięcia i dryftu, wówczas wymagany jest 14-bitowy przetwornik A/D.Ważną przyczyną przesunięcia jest przesunięcie napięcia i pętli masy generowane przez termoparę.
Zasadniczo nie ma czujnika, który mógłby mierzyć prąd w tym zakresie dynamicznym.Czujniki wysokoprądowe są potrzebne do pomiaru wyższych prądów z przykładów trakcji i ładowania, natomiast czujniki niskoprądowe są potrzebne do pomiaru prądów, na przykład z akcesoriów i dowolnego stanu zerowego prądu.Ponieważ czujnik niskiego prądu „widzi” również wysoki prąd, nie może on zostać przez nie uszkodzony ani uszkodzony, z wyjątkiem nasycenia.To natychmiast oblicza prąd bocznikowy.
Rozwiązanie
Bardzo odpowiednią rodziną czujników są czujniki prądu z efektem Halla z otwartą pętlą.Urządzenia te nie zostaną uszkodzone przez wysokie prądy, dlatego Raztec opracował gamę czujników, które w rzeczywistości mogą mierzyć prądy w zakresie miliamperów w pojedynczym przewodniku.funkcja przenoszenia 100 mV/AT jest praktyczna, więc prąd 15 mA da użyteczne napięcie 1,5 mV.stosując najlepszy dostępny materiał rdzenia, można również osiągnąć bardzo niską remanencję w zakresie pojedynczych miliamperów.Przy 100 mV/AT nasycenie wystąpi powyżej 25 A.Niższe wzmocnienie programowania pozwala oczywiście na wyższe prądy.
Wysokie prądy są mierzone za pomocą konwencjonalnych czujników wysokoprądowych.Przełączanie z jednego czujnika na drugi wymaga prostej logiki.
Nowa gama czujników bezrdzeniowych Raztec to doskonały wybór dla czujników wysokoprądowych.Urządzenia te oferują doskonałą liniowość, stabilność i zerową histerezę.Można je łatwo dostosować do szerokiego zakresu konfiguracji mechanicznych i zakresów prądowych.Urządzenia te są praktyczne dzięki zastosowaniu nowej generacji czujników pola magnetycznego o doskonałej wydajności.
Obydwa typy czujników nadal są korzystne w zarządzaniu stosunkiem sygnału do szumu przy wymaganym bardzo wysokim zakresie dynamiki prądów.
Jednakże ekstremalna dokładność byłaby zbędna, ponieważ sama bateria nie jest dokładnym licznikiem kulombów.W przypadku akumulatorów, w których występują dalsze niespójności, typowy jest błąd 5% między ładowaniem a rozładowaniem.Mając to na uwadze, można zastosować stosunkowo prostą technikę wykorzystującą podstawowy model akumulatora.Model może uwzględniać napięcie na zaciskach bez obciążenia w funkcji pojemności, napięcie ładowania w funkcji pojemności, rezystancję rozładowania i ładowania, które można modyfikować w zależności od pojemności i cykli ładowania/rozładowania.Należy ustalić odpowiednie stałe czasowe zmierzonego napięcia, aby uwzględnić stałe czasowe napięcia wyczerpania i powrotu.
Istotną zaletą dobrej jakości akumulatorów litowych jest to, że przy dużych prędkościach rozładowywania tracą one bardzo małą pojemność.Fakt ten upraszcza obliczenia.Charakteryzują się również bardzo niskim prądem upływowym.Wyciek systemu może być większy.
Technika ta umożliwia oszacowanie stanu ładunku w granicach kilku punktów procentowych rzeczywistej pozostałej pojemności po ustaleniu odpowiednich parametrów, bez konieczności zliczania kulombów.Bateria staje się licznikiem kulombów.
Źródła błędów w czujniku prądu
Jak wspomniano powyżej, błąd przesunięcia ma kluczowe znaczenie dla zliczania kulometrycznego i w monitorze SOC należy uwzględnić możliwość kalibracji przesunięcia czujnika do zera w warunkach zerowego prądu.Zwykle jest to możliwe tylko podczas instalacji fabrycznej.Mogą jednak istnieć systemy, które określają prąd zerowy i dlatego umożliwiają automatyczną ponowną kalibrację przesunięcia.Jest to idealna sytuacja, ponieważ można uwzględnić dryf.
Niestety, wszystkie technologie czujników powodują dryf przesunięcia termicznego, a czujniki prądowe nie są wyjątkiem.Teraz widzimy, że jest to cecha krytyczna.Dzięki zastosowaniu wysokiej jakości komponentów i starannemu projektowi w firmie Raztec opracowaliśmy szereg termicznie stabilnych czujników prądowych o zakresie dryftu <0,25 mA/K.W przypadku zmiany temperatury o 20 K może to spowodować maksymalny błąd 5 mA.
Innym częstym źródłem błędów w czujnikach prądu zawierających obwód magnetyczny jest błąd histerezy spowodowany magnetyzmem szczątkowym.Często wynosi ono do 400 mA, co sprawia, że takie czujniki nie nadają się do monitorowania akumulatora.Wybierając najlepszy materiał magnetyczny, Raztec obniżył tę jakość do 20 mA, a błąd ten faktycznie zmniejszył się z biegiem czasu.Jeśli wymagany jest mniejszy błąd, możliwe jest rozmagnesowanie, ale znacznie zwiększa to złożoność.
Mniejszym błędem jest dryft kalibracji funkcji przenoszenia od temperatury, jednak w przypadku czujników masowych efekt ten jest znacznie mniejszy niż dryft wydajności ogniwa od temperatury.
Najlepszym podejściem do szacowania SOC jest zastosowanie kombinacji technik, takich jak stabilne napięcia bez obciążenia, napięcia ogniw kompensowane przez IXR, zliczenia kulometryczne i kompensacja temperaturowa parametrów.Na przykład długoterminowe błędy całkowania można zignorować, szacując SOC dla napięć akumulatora bez obciążenia lub przy niskim obciążeniu.
Czas publikacji: 09 sierpnia 2022 r