Estimarea stării de încărcare (SOC) a unei baterii cu litiu este dificilă din punct de vedere tehnic, mai ales în aplicațiile în care bateria nu este complet încărcată sau complet descărcată. Astfel de aplicații sunt vehiculele electrice hibride (HEV). Provocarea provine din caracteristicile de descărcare a tensiunii foarte plate ale bateriilor cu litiu. Tensiunea se schimbă cu greu de la 70% SOC la 20% SOC. De fapt, variația tensiunii din cauza schimbărilor de temperatură este similară cu variația tensiunii datorată descărcării, așa că dacă SOC urmează să fie derivat din tensiune, temperatura celulei trebuie compensată.
O altă provocare este că capacitatea bateriei este determinată de capacitatea celulei cu cea mai mică capacitate, astfel încât SOC nu ar trebui evaluat pe baza tensiunii la borna a celulei, ci în funcție de tensiunea la borna a celulei celei mai slabe. Toate acestea sună puțin prea dificil. Deci, de ce nu menținem pur și simplu cantitatea totală de curent care curge în celulă și nu o echilibrăm cu curentul care curge afară? Acest lucru este cunoscut sub numele de numărare coulometrică și sună destul de simplu, dar există multe dificultăți cu această metodă.
bateriinu sunt baterii perfecte. Nu returnează niciodată ceea ce ai pus în ele. Există un curent de scurgere în timpul încărcării, care variază în funcție de temperatură, rata de încărcare, starea de încărcare și îmbătrânire.
Capacitatea unei baterii variază, de asemenea, neliniar cu rata de descărcare. Cu cât descărcarea este mai rapidă, cu atât capacitatea este mai mică. De la o descărcare de 0,5C la o descărcare de 5C, reducerea poate fi de până la 15%.
Bateriile au un curent de scurgere semnificativ mai mare la temperaturi mai ridicate. Celulele interne dintr-o baterie pot fi mai fierbinți decât celulele externe, astfel încât scurgerea celulelor prin baterie va fi inegală.
Capacitatea este, de asemenea, o funcție de temperatură. Unele substanțe chimice cu litiu sunt afectate mai mult decât altele.
Pentru a compensa această inegalitate, echilibrarea celulelor este utilizată în cadrul bateriei. Acest curent de scurgere suplimentar nu este măsurabil în afara bateriei.
Capacitatea bateriei scade constant pe durata de viață a celulei și în timp.
Orice offset mic din măsurarea curentă va fi integrat și în timp poate deveni un număr mare, afectând grav precizia SOC.
Toate cele de mai sus vor duce la o deviere a preciziei în timp, cu excepția cazului în care se efectuează calibrarea regulată, dar acest lucru este posibil numai atunci când bateria este aproape descărcată sau aproape plină. În aplicațiile HEV, cel mai bine este să păstrați bateria la aproximativ 50% încărcare, așa că o modalitate posibilă de a corecta în mod fiabil precizia măsurării este încărcarea periodică a bateriei complet. Vehiculele pur electrice sunt în mod regulat încărcate la plin sau aproape de plin, astfel încât măsurarea bazată pe contorizarea coulometrică poate fi foarte precisă, mai ales dacă sunt compensate alte probleme ale bateriei.
Cheia pentru o bună acuratețe în numărarea coulometrică este detectarea bună a curentului într-un interval dinamic larg.
Metoda tradițională de măsurare a curentului este pentru noi un șunt, dar aceste metode cad atunci când sunt implicați curenți mai mari (250A+). Datorită consumului de energie, șuntul trebuie să aibă o rezistență scăzută. Șunturile cu rezistență scăzută nu sunt potrivite pentru măsurarea curenților mici (50mA). Acest lucru ridică imediat cea mai importantă întrebare: care sunt curenții minime și maxime care trebuie măsurate? Aceasta se numește interval dinamic.
Presupunând o capacitate a bateriei de 100 Ah, o estimare aproximativă a erorii de integrare acceptabile.
O eroare de 4 A va produce 100% dintre erori într-o zi sau o eroare de 0,4 A va produce 10% dintre erori într-o zi.
O eroare de 4/7A va produce 100% dintre erori într-o săptămână sau o eroare de 60mA va produce 10% dintre erori într-o săptămână.
O eroare de 4/28A va produce o eroare de 100% într-o lună sau o eroare de 15mA va produce o eroare de 10% într-o lună, care este probabil cea mai bună măsurătoare la care se poate aștepta fără recalibrare din cauza încărcării sau a descărcării aproape complete.
Acum să ne uităm la șuntul care măsoară curentul. Pentru 250 A, un șunt de 1 m ohm va fi pe partea superioară și va produce 62,5 W. Cu toate acestea, la 15mA va produce doar 15 microvolți, care se vor pierde în zgomotul de fond. Intervalul dinamic este 250A/15mA = 17.000:1. Dacă un convertor A/D pe 14 biți poate „vede” cu adevărat semnalul în zgomot, offset și derive, atunci este necesar un convertor A/D pe 14 biți. O cauză importantă a decalajului este decalajul buclei de tensiune și de masă generate de termocuplu.
În principiu, nu există niciun senzor care să poată măsura curentul în acest interval dinamic. Senzorii de curent ridicat sunt necesari pentru a măsura curenții mai mari din exemplele de tracțiune și încărcare, în timp ce senzorii de curent scăzut sunt necesari pentru a măsura curenții, de exemplu, de la accesorii și orice stare de curent zero. Deoarece senzorul de curent scăzut „vede” și curentul ridicat, acesta nu poate fi deteriorat sau corupt de acestea, cu excepția saturației. Aceasta calculează imediat curentul de șunt.
O solutie
O familie foarte potrivită de senzori sunt senzorii de curent cu efect Hall în buclă deschisă. Aceste dispozitive nu vor fi deteriorate de curenți mari, iar Raztec a dezvoltat o gamă de senzori care poate măsura curenți în intervalul de miliamperi printr-un singur conductor. o funcție de transfer de 100mV/AT este practică, astfel încât un curent de 15mA va produce un 1,5mV utilizabil. prin utilizarea celui mai bun material de bază disponibil, se poate obține și o remanență foarte scăzută în intervalul de un singur miliamperi. La 100mV/AT, saturația va apărea peste 25 de amperi. Câștigul mai mic de programare permite, desigur, curenți mai mari.
Curenții mari sunt măsurați cu ajutorul senzorilor convenționali de curent ridicat. Trecerea de la un senzor la altul necesită o logică simplă.
Noua gamă de senzori fără miez de la Raztec este o alegere excelentă pentru senzorii de curent ridicat. Aceste dispozitive oferă o liniaritate excelentă, stabilitate și histerezis zero. Sunt ușor de adaptat la o gamă largă de configurații mecanice și intervale de curent. Aceste dispozitive sunt făcute practice prin utilizarea unei noi generații de senzori de câmp magnetic cu performanțe excelente.
Ambele tipuri de senzori rămân benefice pentru gestionarea raporturilor semnal-zgomot cu un interval dinamic foarte mare de curenți necesar.
Cu toate acestea, precizia extremă ar fi redundantă, deoarece bateria în sine nu este un numărător precis de coulomb. O eroare de 5% între încărcare și descărcare este tipică pentru bateriile în care există alte inconsecvențe. Având în vedere acest lucru, poate fi utilizată o tehnică relativ simplă, folosind un model de bază de baterie. Modelul poate include tensiunea terminalului fără sarcină față de capacitate, tensiunea de încărcare față de capacitate, rezistențele de descărcare și încărcare care pot fi modificate cu capacitatea și ciclurile de încărcare/descărcare. Trebuie stabilite constante de timp ale tensiunii măsurate adecvate pentru a se adapta constantelor de timp ale tensiunii de epuizare și recuperare.
Un avantaj semnificativ al bateriilor cu litiu de bună calitate este că își pierd foarte puțină capacitate la rate mari de descărcare. Acest fapt simplifică calculele. De asemenea, au un curent de scurgere foarte scăzut. Scurgerile din sistem pot fi mai mari.
Această tehnică permite estimarea stării de încărcare în câteva puncte procentuale din capacitatea efectivă rămasă după stabilirea parametrilor corespunzători, fără a fi nevoie de numărarea coulombilor. Bateria devine un contor de coulomb.
Surse de eroare din senzorul de curent
După cum s-a menționat mai sus, eroarea de compensare este critică pentru contorizarea coulometrică și trebuie făcute dispoziții în cadrul monitorului SOC pentru a calibra decalajul senzorului la zero în condiții de curent zero. În mod normal, acest lucru este fezabil numai în timpul instalării din fabrică. Cu toate acestea, pot exista sisteme care determină curentul zero și, prin urmare, permit recalibrarea automată a offset-ului. Aceasta este o situație ideală, deoarece deriva poate fi acomodată.
Din păcate, toate tehnologiile senzorilor produc o deplasare termică, iar senzorii de curent nu fac excepție. Acum putem vedea că aceasta este o calitate critică. Folosind componente de calitate și proiectare atentă la Raztec, am dezvoltat o gamă de senzori de curent stabili termic, cu o gamă de deriva de <0,25 mA/K. Pentru o schimbare de temperatură de 20K, aceasta poate produce o eroare maximă de 5mA.
O altă sursă comună de eroare la senzorii de curent care încorporează un circuit magnetic este eroarea de histerezis cauzată de magnetismul remanent. Aceasta este adesea de până la 400 mA, ceea ce face ca astfel de senzori să nu fie potriviți pentru monitorizarea bateriei. Prin selectarea celui mai bun material magnetic, Raztec a redus această calitate la 20mA și această eroare s-a redus efectiv în timp. Dacă sunt necesare mai puține erori, demagnetizarea este posibilă, dar adaugă o complexitate considerabilă.
O eroare mai mică este deviația calibrării funcției de transfer cu temperatura, dar pentru senzorii de masă acest efect este mult mai mic decât deviația performanței celulei cu temperatura.
Cea mai bună abordare a estimării SOC este utilizarea unei combinații de tehnici, cum ar fi tensiuni stabile fără sarcină, tensiuni ale celulei compensate prin IXR, numărări coulometrice și compensarea parametrilor de temperatură. De exemplu, erorile de integrare pe termen lung pot fi ignorate prin estimarea SOC pentru tensiunile bateriei fără sarcină sau cu sarcină mică.
Ora postării: Aug-09-2022