Odhad stavu nabitia (SOC) lítiovej batérie je technicky náročný, najmä v aplikáciách, kde batéria nie je úplne nabitá alebo úplne vybitá. Takýmito aplikáciami sú hybridné elektrické vozidlá (HEV). Výzva pramení z veľmi plochých charakteristík vybíjania lítiových batérií. Napätie sa takmer nezmení zo 70 % SOC na 20 % SOC. V skutočnosti je kolísanie napätia v dôsledku zmien teploty podobné kolísaniu napätia v dôsledku vybíjania, takže ak sa má SOC odvodiť z napätia, musí sa kompenzovať teplota článku.
Ďalšou výzvou je, že kapacita batérie je určená kapacitou článku s najnižšou kapacitou, takže SOC by sa nemalo posudzovať na základe svorkového napätia článku, ale na základe svorkového napätia najslabšieho článku. To všetko znie trochu príliš ťažko. Prečo teda jednoducho neudržíme celkové množstvo prúdu tečúceho do bunky a nevyvážime ho prúdom, ktorý prúdi von? Toto je známe ako coulometrické počítanie a znie to dosť jednoducho, ale s touto metódou je veľa problémov.
Batérienie sú dokonalé batérie. Nikdy nevrátia to, čo do nich vložíte. Počas nabíjania dochádza k úniku prúdu, ktorý sa mení v závislosti od teploty, rýchlosti nabíjania, stavu nabitia a starnutia.
Kapacita batérie sa tiež mení nelineárne s rýchlosťou vybíjania. Čím rýchlejšie je vybíjanie, tým nižšia je kapacita. Od 0,5C výboja po 5C môže zníženie dosiahnuť až 15%.
Batérie majú výrazne vyšší zvodový prúd pri vyšších teplotách. Vnútorné články v batérii môžu byť teplejšie ako vonkajšie články, takže únik článkov cez batériu bude nerovnomerný.
Kapacita je tiež funkciou teploty. Niektoré lítiové chemikálie sú ovplyvnené viac ako iné.
Na kompenzáciu tejto nerovnosti sa v batérii používa vyrovnávanie článkov. Tento dodatočný únikový prúd nie je merateľný mimo batérie.
Kapacita batérie sa počas životnosti článku a v priebehu času neustále znižuje.
Akýkoľvek malý posun v aktuálnom meraní bude integrovaný a časom sa môže stať veľkým číslom, čo vážne ovplyvní presnosť SOC.
Všetky vyššie uvedené skutočnosti budú mať za následok posun v presnosti v priebehu času, pokiaľ sa nevykonáva pravidelná kalibrácia, ale to je možné len vtedy, keď je batéria takmer vybitá alebo takmer plná. V aplikáciách HEV je najlepšie udržiavať batériu nabitú na približne 50 %, takže jedným z možných spôsobov spoľahlivej korekcie presnosti merania je pravidelné úplné nabíjanie batérie. Čisto elektrické vozidlá sa pravidelne nabíjajú úplne alebo takmer úplne, takže meranie založené na coulometrických počtoch môže byť veľmi presné, najmä ak sú kompenzované iné problémy s batériou.
Kľúčom k dobrej presnosti v coulometrickom počítaní je dobrá detekcia prúdu v širokom dynamickom rozsahu.
Tradičná metóda merania prúdu je pre nás skrat, ale tieto metódy klesajú pri vyšších (250A+) prúdoch. Kvôli spotrebe energie musí mať bočník nízky odpor. Bočníky s nízkym odporom nie sú vhodné na meranie nízkych prúdov (50 mA). To okamžite vyvoláva najdôležitejšiu otázku: aké sú minimálne a maximálne merané prúdy? Toto sa nazýva dynamický rozsah.
Za predpokladu, že kapacita batérie je 100 Ah, hrubý odhad prijateľnej chyby integrácie.
Chyba 4 A spôsobí 100 % chýb za deň alebo chyba 0,4 A spôsobí 10 % chýb za deň.
Chyba 4/7A spôsobí 100 % chýb do týždňa alebo chyba 60 mA spôsobí 10 % chýb do týždňa.
Chyba 4/28A spôsobí 100 % chybu za mesiac alebo chyba 15 mA spôsobí chybu 10 % za mesiac, čo je pravdepodobne najlepšie meranie, ktoré možno očakávať bez rekalibrácie v dôsledku nabíjania alebo takmer úplného vybitia.
Teraz sa pozrime na bočník, ktorý meria prúd. Pre 250 A bude 1m ohmový bočník na vysokej strane a bude produkovať 62,5 W. Pri 15 mA však vyrobí iba 15 mikrovoltov, ktoré sa stratia v pozadí. Dynamický rozsah je 250A/15mA = 17 000:1. Ak 14-bitový A/D prevodník skutočne „vidí“ signál v šume, offsete a drifte, potom je potrebný 14-bitový A/D prevodník. Dôležitou príčinou odchýlky je odchýlka napätia a uzemňovacej slučky generovaná termočlánkom.
V zásade neexistuje snímač, ktorý by dokázal merať prúd v tomto dynamickom rozsahu. Senzory vysokého prúdu sú potrebné na meranie vyšších prúdov z príkladov trakcie a nabíjania, zatiaľ čo senzory nízkeho prúdu sú potrebné na meranie prúdov napríklad z príslušenstva a akéhokoľvek stavu nulového prúdu. Keďže snímač nízkeho prúdu "vidí" aj vysoký prúd, nemôže byť týmito vplyvmi poškodený alebo poškodený, okrem saturácie. Tým sa okamžite vypočíta bočný prúd.
Riešenie
Veľmi vhodnou rodinou snímačov sú prúdové snímače s Hallovým javom s otvorenou slučkou. Tieto zariadenia nepoškodia vysoké prúdy a Raztec vyvinul rad snímačov, ktoré skutočne dokážu merať prúdy v rozsahu miliampérov cez jediný vodič. prenosová funkcia 100 mV/AT je praktická, takže prúd 15 mA vytvorí použiteľných 1,5 mV. použitím najlepšieho dostupného materiálu jadra je možné dosiahnuť aj veľmi nízku remanenciu v rozsahu jedného miliampéra. Pri 100 mV/AT nastane saturácia nad 25 A. Nižší programovací zisk samozrejme umožňuje vyššie prúdy.
Vysoké prúdy sa merajú pomocou konvenčných snímačov vysokého prúdu. Prepínanie z jedného snímača na druhý vyžaduje jednoduchú logiku.
Nový rad bezjadrových snímačov Raztec je vynikajúcou voľbou pre vysokoprúdové snímače. Tieto zariadenia ponúkajú vynikajúcu linearitu, stabilitu a nulovú hysterézu. Sú ľahko prispôsobiteľné širokému spektru mechanických konfigurácií a prúdových rozsahov. Tieto zariadenia sú praktické vďaka použitiu novej generácie snímačov magnetického poľa s vynikajúcim výkonom.
Oba typy snímačov sú naďalej prospešné pre riadenie pomerov signál/šum s veľmi vysokým dynamickým rozsahom požadovaných prúdov.
Extrémna presnosť by však bola zbytočná, pretože samotná batéria nie je presným coulombovým počítadlom. Chyba 5 % medzi nabitím a vybitím je typická pre batérie, kde existujú ďalšie nezrovnalosti. S ohľadom na to možno použiť relatívne jednoduchú techniku využívajúcu základný model batérie. Model môže zahŕňať napätie na svorkách naprázdno verzus kapacita, nabíjacie napätie verzus kapacita, odpory vybíjania a nabíjania, ktoré možno modifikovať pomocou kapacity a cyklov nabíjania/vybíjania. Je potrebné stanoviť vhodné časové konštanty nameraného napätia, aby sa prispôsobili časovým konštantám vyčerpania a obnovy napätia.
Významnou výhodou kvalitných lítiových batérií je, že pri vysokých rýchlostiach vybíjania strácajú veľmi malú kapacitu. Táto skutočnosť zjednodušuje výpočty. Majú tiež veľmi nízky zvodový prúd. Únik systému môže byť vyšší.
Táto technika umožňuje odhad stavu nabitia v rámci niekoľkých percentuálnych bodov skutočnej zostávajúcej kapacity po stanovení vhodných parametrov bez potreby počítania coulombov. Batéria sa stáva coulombovým počítadlom.
Zdroje chýb v rámci aktuálneho snímača
Ako je uvedené vyššie, chyba offsetu je kritická pre coulometrický počet a v rámci monitora SOC by sa malo vykonať opatrenie na kalibráciu offsetu snímača na nulu pri podmienkach nulového prúdu. To je zvyčajne možné len počas inštalácie vo výrobe. Môžu však existovať systémy, ktoré určujú nulový prúd, a preto umožňujú automatickú rekalibráciu ofsetu. Toto je ideálna situácia, pretože sa dá prispôsobiť driftu.
Bohužiaľ, všetky senzorové technológie vytvárajú teplotný posun a prúdové senzory nie sú výnimkou. Teraz vidíme, že ide o kritickú kvalitu. Použitím kvalitných komponentov a starostlivého dizajnu v spoločnosti Raztec sme vyvinuli rad tepelne stabilných prúdových snímačov s rozsahom driftu <0,25 mA/K. Pri zmene teploty o 20 K to môže spôsobiť chybu maximálne 5 mA.
Ďalším bežným zdrojom chýb v prúdových snímačoch obsahujúcich magnetický obvod je chyba hysterézy spôsobená remanentným magnetizmom. Často je to až 400 mA, čo robí takéto senzory nevhodnými na monitorovanie batérie. Výberom najlepšieho magnetického materiálu Raztec znížil túto kvalitu na 20 mA a táto chyba sa časom skutočne znížila. Ak sa vyžaduje menej chýb, demagnetizácia je možná, ale pridáva značnú zložitosť.
Menšou chybou je drift kalibrácie prenosovej funkcie s teplotou, ale pre hmotnostné snímače je tento efekt oveľa menší ako drift výkonu článku s teplotou.
Najlepším prístupom k odhadu SOC je použitie kombinácie techník, ako sú stabilné napätia naprázdno, napätia článkov kompenzované pomocou IXR, coulometrické počty a teplotná kompenzácia parametrov. Napríklad dlhodobé chyby integrácie možno ignorovať odhadom SOC pre napätie batérie bez zaťaženia alebo pri nízkom zaťažení.
Čas odoslania: august-09-2022