Uvod v merilnike baterije

Uvod v merilnike baterije

1.1 Uvod v funkcije števca električne energije

Upravljanje baterije je mogoče obravnavati kot del upravljanja z energijo. Pri upravljanju akumulatorja je za oceno kapacitete akumulatorja odgovoren števec električne energije. Njegova osnovna funkcija je spremljanje napetosti, polnilnega/praznilnega toka in temperature baterije ter ocena stanja napolnjenosti (SOC) in polne napolnjenosti (FCC) baterije. Obstajata dve tipični metodi za ocenjevanje stanja napolnjenosti akumulatorja: metoda napetosti odprtega tokokroga (OCV) in Coulombikova merilna metoda. Druga metoda je dinamični napetostni algoritem, ki ga je zasnoval RICHTEK.

1.2 Metoda napetosti odprtega tokokroga

Metoda izvedbe uporabe metode napetosti odprtega tokokroga za števec električne energije je razmeroma enostavna in jo je mogoče doseči s preverjanjem ustreznega stanja napolnjenosti napetosti odprtega tokokroga. Predpostavljeni pogoj za napetost odprtega tokokroga je napetost na sponkah baterije, ko baterija miruje približno 30 minut.

Napetostna krivulja baterije se spreminja glede na obremenitev, temperaturo in staranje baterije. Zato voltmeter s fiksnim odprtim krogom ne more v celoti predstavljati stanja napolnjenosti; Ni mogoče oceniti stanja napolnjenosti samo z iskanjem po tabelah. Z drugimi besedami, če je stanje napolnjenosti ocenjeno samo z iskanjem po tabeli, bo napaka precejšnja.

Naslednja slika prikazuje, da pri enaki napetosti akumulatorja obstaja pomembna razlika v stanju napolnjenosti, pridobljenem z metodo napetosti odprtega tokokroga.

        Slika 5. Napetost akumulatorja pri pogojih polnjenja in praznjenja

Kot je prikazano na spodnji sliki, obstaja tudi pomembna razlika v stanju napolnjenosti pri različnih obremenitvah med praznjenjem. Tako je v bistvu metoda napetosti odprtega tokokroga primerna samo za sisteme z nizkimi zahtevami glede natančnosti glede napolnjenosti, kot so avtomobili, ki uporabljajo svinčeve akumulatorje ali neprekinjene napajalnike.

            Slika 2. Napetost baterije pri različnih obremenitvah med praznjenjem

1.3 Kulonovo meroslovje

Načelo delovanja Coulombovega meroslovja je priključitev detekcijskega upora na polnilno/praznjevno pot baterije. ADC meri napetost na zaznavnem uporu in jo pretvori v trenutno vrednost baterije, ki se polni ali prazni. Števec v realnem času (RTC) zagotavlja integracijo trenutne vrednosti s časom, da se določi, koliko kulonov teče.

               Slika 3. Osnovni način delovanja Coulombove merilne metode

Kulonsko meroslovje lahko natančno izračuna stanje napolnjenosti v realnem času med postopkom polnjenja ali praznjenja. Z uporabo Coulombovega števca za polnjenje in Coulombovega števca za praznjenje lahko izračuna preostalo električno zmogljivost (RM) in polno zmogljivost polnjenja (FCC). Hkrati se lahko za izračun stanja napolnjenosti uporabi tudi preostala napolnjena zmogljivost (RM) in popolnoma napolnjena zmogljivost (FCC), tj. (SOC=RM/FCC). Poleg tega lahko oceni tudi preostali čas, kot sta izpraznitev (TTE) in ponovno polnjenje (TTF).

                    Slika 4. Izračunska formula za Coulombovo meroslovje

Obstajata dva glavna dejavnika, ki povzročata odstopanje natančnosti Coulombovega meroslovja. Prvi je kopičenje napak zamika pri zaznavanju toka in merjenju ADC. Čeprav je merilna napaka pri trenutni tehnologiji razmeroma majhna, se bo brez dobre metode za njeno odpravo sčasoma povečala. Naslednja slika prikazuje, da je v praktičnih aplikacijah, če ni popravka v trajanju časa, akumulirana napaka neomejena.

              Slika 5. Akumulirana napaka Coulombove merilne metode

Za odpravo kumulativnih napak obstajajo tri možne časovne točke, ki jih je mogoče uporabiti med običajnim delovanjem baterije: Konec polnjenja (EOC), Konec praznjenja (EOD) in Počitek (Sprostitev). Ko je izpolnjen pogoj za konec polnjenja, to pomeni, da je baterija popolnoma napolnjena in da mora biti stanje napolnjenosti (SOC) 100 %. Stanje konca praznjenja pomeni, da je baterija popolnoma izpraznjena in da mora biti stanje napolnjenosti (SOC) 0 %; Lahko je absolutna vrednost napetosti ali pa se spreminja glede na obremenitev. Ko doseže stanje mirovanja, se baterija ne polni in ne izprazni in ostane v tem stanju dolgo časa. Če želi uporabnik uporabiti stanje mirovanja baterije, da popravi napako kulometrične metode, mora v tem trenutku uporabiti voltmeter z odprtim krogom. Naslednja slika prikazuje, da je napako stanja napolnjenosti mogoče popraviti v zgornjih stanjih.

            Slika 6. Pogoji za odpravo nakopičenih napak v kulonovskem meroslovju

Drugi glavni dejavnik, ki povzroča odstopanje natančnosti Coulombovega meroslovja, je napaka polne zmogljivosti polnjenja (FCC), ki je razlika med načrtovano zmogljivostjo baterije in dejansko polno zmogljivostjo baterije. Na polno napolnjeno zmogljivost (FCC) vplivajo dejavniki, kot so temperatura, staranje in obremenitev. Zato so metode ponovnega učenja in kompenzacije za popolnoma napolnjeno kapaciteto ključnega pomena za Coulombic meroslovje. Naslednja slika prikazuje pojav trenda napake stanja napolnjenosti, ko je popolnoma napolnjena zmogljivost precenjena in podcenjena.

             Slika 7: Trend napake, ko je popolnoma napolnjena zmogljivost precenjena in podcenjena

1.4 Merilnik električne energije z algoritmom dinamične napetosti

Algoritem dinamične napetosti lahko izračuna stanje napolnjenosti litijeve baterije izključno na podlagi napetosti baterije. Ta metoda oceni povečanje ali zmanjšanje napolnjenosti na podlagi razlike med napetostjo baterije in napetostjo odprtega tokokroga baterije. Informacije o dinamični napetosti lahko učinkovito simulirajo obnašanje litijevih baterij in določijo stanje napolnjenosti (SOC) (%), vendar ta metoda ne more oceniti vrednosti kapacitete baterije (mAh).

Njegova metoda izračuna temelji na dinamični razliki med napetostjo baterije in napetostjo odprtega tokokroga ter oceni stanje napolnjenosti z uporabo iterativnih algoritmov za izračun vsakega povečanja ali zmanjšanja stanja napolnjenosti. V primerjavi z rešitvijo števcev električne energije Coulombove metode števci električne energije z algoritmom dinamične napetosti ne kopičijo napak skozi čas in tok. Kulonski merilniki imajo pogosto netočno oceno stanja napolnjenosti zaradi napak pri zaznavanju toka in samopraznjenja baterije. Tudi če je trenutna napaka zaznavanja zelo majhna, bo Coulombov števec še naprej kopičil napake, ki jih je mogoče odpraviti šele po popolnem polnjenju ali praznjenju.

Algoritem dinamične napetosti se uporablja za oceno stanja napolnjenosti akumulatorja izključno na podlagi informacij o napetosti; Ker ni ocenjen na podlagi trenutnih podatkov o bateriji, ni kopičenja napak. Za izboljšanje natančnosti stanja napolnjenosti mora dinamični napetostni algoritem uporabiti dejansko napravo za prilagoditev parametrov optimiziranega algoritma na podlagi dejanske krivulje napetosti akumulatorja v pogojih popolnoma napolnjenega in popolnoma izpraznjenega.

     Slika 8. Delovanje algoritma dinamične napetosti za števec električne energije in optimizacija ojačenja

Sledi delovanje algoritma dinamične napetosti pri različnih pogojih hitrosti praznjenja glede na stanje napolnjenosti. Kot je prikazano na sliki, je natančnost stanja napolnjenosti dobra. Ne glede na pogoje praznjenja C/2, C/4, C/7 in C/10 je skupna napaka stanja napolnjenosti te metode manjša od 3 %.

      Slika 9. Delovanje stanja napolnjenosti algoritma dinamične napetosti pri različnih pogojih hitrosti praznjenja

Naslednja slika prikazuje stanje napolnjenosti baterije v pogojih kratkega polnjenja in kratkega praznjenja. Napaka stanja napolnjenosti je še vedno zelo majhna, največja napaka pa je le 3%.

       Slika 10. Delovanje stanja napolnjenosti algoritma dinamične napetosti v primeru kratkega polnjenja in kratkega praznjenja baterij

V primerjavi s Coulombovo metodo merjenja, ki običajno povzroči netočno stanje napolnjenosti zaradi napak pri zaznavanju toka in samopraznjenja baterije, algoritem dinamične napetosti ne kopiči napak skozi čas in tok, kar je velika prednost. Zaradi pomanjkanja informacij o tokovih polnjenja/praznjenja ima algoritem dinamične napetosti slabo kratkoročno natančnost in počasen odzivni čas. Poleg tega ne more oceniti polne zmogljivosti polnjenja. Vendar pa se dobro obnese v smislu dolgoročne natančnosti, saj napetost baterije na koncu neposredno odraža njeno napolnjenost.