Оцінка стану заряду (SOC) літієвої батареї є технічно складною, особливо в програмах, де батарея не повністю заряджена або повністю розряджена. Такими застосуваннями є гібридні електромобілі (HEV). Проблема пов’язана з дуже низькою напругою розряду літієвих батарей. Напруга майже не змінюється від 70% SOC до 20% SOC. Насправді зміна напруги через зміни температури подібна до зміни напруги через розряд, тому, якщо SOC має бути отримано з напруги, температуру елемента необхідно компенсувати.
Інша проблема полягає в тому, що ємність батареї визначається ємністю елемента з найменшою ємністю, тому SOC слід оцінювати не на основі напруги на клемі елемента, а на основі напруги на клемі найслабшого елемента. Все це звучить надто складно. То чому б нам просто не підтримувати загальну кількість струму, що протікає в комірку, і не збалансувати його зі струмом, що витікає? Це відоме як кулонометричний підрахунок і звучить досить просто, але з цим методом пов’язано багато труднощів.
Акумуляторине є ідеальними акумуляторами. Вони ніколи не повертають того, що ви в них поклали. Під час заряджання виникає струм витоку, який змінюється залежно від температури, швидкості заряду, стану заряду та старіння.
Ємність акумулятора також змінюється нелінійно зі швидкістю розряду. Чим швидше розрядка, тим менша ємність. Від розряду 0,5C до розряду 5C зниження може досягати 15%.
Батареї мають значно більший струм витоку при вищих температурах. Внутрішні елементи батареї можуть нагріватися більше, ніж зовнішні елементи, тому витік елементів через батарею буде нерівномірним.
Ємність також є функцією температури. Деякі літієві хімічні речовини піддаються більшому впливу, ніж інші.
Щоб компенсувати цю нерівність, в акумуляторі використовується балансування елементів. Цей додатковий струм витоку неможливо виміряти поза акумулятором.
Ємність батареї постійно зменшується протягом терміну служби елемента та з часом.
Будь-яке невелике зміщення в поточному вимірюванні буде інтегровано і з часом може стати великим числом, що серйозно вплине на точність SOC.
Усе вищезазначене призведе до зміни точності з часом, якщо не проводити регулярне калібрування, але це можливо лише тоді, коли акумулятор майже розряджений або майже повний. У додатках HEV найкраще підтримувати заряд батареї приблизно на 50%, тому одним із можливих способів надійної корекції точності вимірювання є періодичне повне заряджання батареї. Чисто електричні транспортні засоби регулярно заряджаються до повної або майже повної зарядки, тому вимірювання на основі кулонометричних підрахунків може бути дуже точним, особливо якщо компенсувати інші проблеми з акумулятором.
Запорукою високої точності кулонометричного підрахунку є хороше виявлення струму в широкому динамічному діапазоні.
Традиційним методом вимірювання струму для нас є шунт, але ці методи не працюють, коли задіяні вищі струми (250 А+). Через споживання електроенергії шунт повинен мати низький опір. Шунти з низьким опором не підходять для вимірювання малих (50 мА) струмів. Тут відразу виникає найважливіше питання: які мінімальний і максимальний струми необхідно виміряти? Це називається динамічним діапазоном.
Припускаючи, що ємність батареї становить 100 Аг, приблизна оцінка прийнятної помилки інтеграції.
Помилка 4 А спричинить 100% помилок за день, а помилка 0,4 А спричинить 10% помилок за день.
Помилка 4/7A викличе 100% помилок протягом тижня, а помилка 60mA спричинить 10% помилок протягом тижня.
Помилка 4/28 A спричинить 100% похибку за місяць, а помилка 15 мА спричинить похибку 10% за місяць, що, ймовірно, є найкращим вимірюванням, яке можна очікувати без повторного калібрування через зарядку або майже повну розрядку.
Тепер розглянемо шунт, який вимірює струм. Для 250 А шунт на 1 мОм буде на високому рівні та вироблятиме 62,5 Вт. Однак при 15 мА він вироблятиме лише 15 мікровольт, які будуть втрачені у фоновому шумі. Динамічний діапазон 250A/15mA = 17 000:1. Якщо 14-розрядний аналого-цифровий перетворювач дійсно може «бачити» сигнал у шумі, зміщенні та дрейфі, тоді потрібен 14-розрядний аналого-цифровий перетворювач. Важливою причиною зміщення є зміщення напруги та контуру заземлення, яке створюється термопарою.
По суті, не існує датчика, який міг би вимірювати струм у цьому динамічному діапазоні. Датчики сильного струму потрібні для вимірювання вищих струмів від прикладів тяги та заряджання, тоді як датчики низького струму потрібні для вимірювання струмів, наприклад, від аксесуарів та будь-якого стану нульового струму. Оскільки датчик низького струму також «бачить» високий струм, він не може бути пошкоджений або пошкоджений ними, за винятком насичення. Це негайно обчислює струм шунта.
Рішення
Дуже підходящим сімейством датчиків є датчики струму Холла з відкритим контуром. Ці пристрої не будуть пошкоджені сильними струмами, і Raztec розробила ряд датчиків, які можуть фактично вимірювати струми в міліамперному діапазоні через один провідник. функція передачі 100 мВ/AT є практичною, тому струм 15 мА вироблятиме корисні 1,5 мВ. використовуючи найкращий доступний матеріал сердечника, також можна досягти дуже низької залишкової намагніченості в одному міліамперному діапазоні. При 100 мВ/AT насичення відбудеться понад 25 А. Нижче програмне посилення, звичайно, дозволяє використовувати більші струми.
Великі струми вимірюються за допомогою звичайних датчиків сильного струму. Перехід від одного датчика до іншого вимагає простої логіки.
Нова лінійка безсерцевих датчиків Raztec є чудовим вибором для датчиків сильного струму. Ці пристрої пропонують відмінну лінійність, стабільність і нульовий гістерезис. Вони легко адаптуються до широкого діапазону механічних конфігурацій і діапазонів струму. Ці пристрої стали практичними завдяки використанню датчиків магнітного поля нового покоління з чудовими характеристиками.
Обидва типи датчиків залишаються корисними для керування співвідношенням сигнал/шум із дуже високим динамічним діапазоном необхідних струмів.
Однак надзвичайна точність була б зайвою, оскільки сама батарея не є точним лічильником кулонів. Похибка в 5% між зарядом і розрядом є типовою для акумуляторів, де існують інші невідповідності. Маючи це на увазі, можна використовувати відносно просту техніку з використанням базової моделі акумулятора. Модель може включати залежність напруги холостого ходу від ємності, напруги заряду від ємності, опору розряду та заряду, які можна змінювати за допомогою ємності та циклів заряду/розряду. Необхідно встановити відповідні виміряні постійні часу напруги, щоб врахувати постійні часу напруги виснаження та відновлення.
Значною перевагою якісних літієвих батарей є те, що вони втрачають дуже мало ємності при високій швидкості розряду. Цей факт спрощує розрахунки. Вони також мають дуже низький струм витоку. Витік системи може бути вищим.
Ця техніка дозволяє оцінити стан заряду в межах кількох процентних пунктів від фактичної залишкової ємності після встановлення відповідних параметрів без необхідності кулонівського підрахунку. Акумулятор стає лічильником кулонів.
Джерела помилок у поточному датчику
Як згадувалося вище, похибка зсуву є критичною для кулонометричного підрахунку, тому в моніторі SOC слід передбачити можливість калібрування зміщення датчика до нуля за умов нульового струму. Зазвичай це можливо лише під час заводської установки. Однак можуть існувати системи, які визначають нульовий струм і, отже, дозволяють автоматичне повторне калібрування зміщення. Це ідеальна ситуація, оскільки можна пристосуватися до дрейфу.
На жаль, усі сенсорні технології створюють дрейф теплового зміщення, і поточні датчики не є винятком. Тепер ми бачимо, що це критична якість. Використовуючи якісні компоненти та ретельний дизайн у Raztec, ми розробили низку термічно стабільних датчиків струму з діапазоном дрейфу <0,25 мА/К. Для зміни температури на 20 К максимальна похибка може становити 5 мА.
Іншим поширеним джерелом помилок у датчиках струму, які містять магнітне коло, є помилка гістерезису, викликана залишковим магнетизмом. Часто це до 400 мА, що робить такі датчики непридатними для моніторингу батареї. Вибравши найкращий магнітний матеріал, Raztec зменшив цю якість до 20 мА, і ця помилка фактично зменшилася з часом. Якщо потрібна менша похибка, розмагнічування можливе, але це значно ускладнює процес.
Меншою похибкою є дрейф калібрування функції передачі з температурою, але для датчиків маси цей ефект набагато менший, ніж дрейф продуктивності комірки з температурою.
Найкращим підходом до оцінки SOC є використання комбінації таких методів, як стабільна напруга холостого ходу, напруга елемента, компенсована за допомогою IXR, кулонометричний підрахунок і температурна компенсація параметрів. Наприклад, довготривалі помилки інтеграції можна проігнорувати, оцінивши SOC для напруги акумулятора без навантаження або низького навантаження.
Час публікації: 09 серпня 2022 р