Úvod do meračov batérie

Úvod do meračov batérie

1.1 Úvod do funkcií elektromera

Správa batérie môže byť považovaná za súčasť správy napájania. V správe batérie je elektromer zodpovedný za odhad kapacity batérie. Jeho základnou funkciou je sledovanie napätia, nabíjacieho/vybíjacieho prúdu a teploty batérie a odhad stavu nabitia (SOC) a plnej kapacity nabitia (FCC) batérie. Existujú dve typické metódy odhadu stavu nabitia batérie: metóda napätia v otvorenom okruhu (OCV) a metóda merania Coulombic. Ďalšou metódou je dynamický napäťový algoritmus navrhnutý RICHTEKOM.

1.2 Metóda napätia naprázdno

Spôsob implementácie použitia metódy napätia naprázdno pre elektromer je relatívne jednoduchý a možno ho získať kontrolou zodpovedajúceho stavu nabitia napätia naprázdno. Predpokladaná podmienka pre napätie naprázdno je napätie na svorkách batérie, keď je batéria v kľude asi 30 minút.

Krivka napätia batérie sa mení v závislosti od zaťaženia, teploty a starnutia batérie. Preto voltmeter s pevným otvoreným obvodom nemôže plne reprezentovať stav nabitia; Stav nabitia nie je možné odhadnúť len podľa tabuliek. Inými slovami, ak sa stav nabitia odhadne iba pohľadom na tabuľku, chyba bude významná.

Nasledujúci obrázok ukazuje, že pri rovnakom napätí batérie existuje významný rozdiel v stave nabitia získanom metódou napätia naprázdno.

        Obrázok 5. Napätie batérie v podmienkach nabíjania a vybíjania

Ako je znázornené na obrázku nižšie, existuje tiež významný rozdiel v stave nabitia pri rôznych zaťaženiach počas vybíjania. Metóda napätia naprázdno je teda v zásade vhodná len pre systémy s nízkymi požiadavkami na presnosť stavu nabitia, ako sú autá používajúce olovené batérie alebo neprerušiteľné zdroje napájania.

            Obrázok 2. Napätie batérie pri rôznom zaťažení počas vybíjania

1.3 Coulombická metrológia

Princípom činnosti Coulombovej metrológie je pripojenie detekčného odporu na dráhu nabíjania/vybíjania batérie. ADC meria napätie na detekčnom rezistore a prevádza ho na aktuálnu hodnotu nabíjanej alebo vybíjanej batérie. Počítadlo v reálnom čase (RTC) poskytuje integráciu aktuálnej hodnoty s časom na určenie, koľko Coulombov tečie.

               Obrázok 3. Základný pracovný režim Coulombovej metódy merania

Coulombická metrológia dokáže presne vypočítať stav nabitia v reálnom čase počas procesu nabíjania alebo vybíjania. Pomocou počítadla nabíjania Coulomb a počítadla vybíjania Coulomb dokáže vypočítať zostávajúcu elektrickú kapacitu (RM) a plnú kapacitu nabíjania (FCC). Súčasne je možné na výpočet stavu nabitia použiť aj zostávajúcu kapacitu nabitia (RM) a plne nabitú kapacitu (FCC), t.j. (SOC=RM/FCC). Okrem toho dokáže odhadnúť aj zostávajúci čas, ako je vyčerpanie energie (TTE) a dobitie energie (TTF).

                    Obrázok 4. Výpočtový vzorec pre Coulombovu metrológiu

Existujú dva hlavné faktory, ktoré spôsobujú odchýlku presnosti Coulombovej metrológie. Prvým je hromadenie chýb offsetu pri snímaní prúdu a meraní ADC. Aj keď je chyba merania pri súčasnej technológii relatívne malá, bez dobrej metódy na jej odstránenie sa táto chyba časom zvýši. Nasledujúci obrázok ukazuje, že v praktických aplikáciách, ak nedôjde ku korekcii v trvaní času, akumulovaná chyba je neobmedzená.

              Obrázok 5. Akumulovaná chyba Coulombovej metódy merania

Na odstránenie kumulatívnych chýb existujú tri možné časové body, ktoré je možné použiť počas normálnej prevádzky batérie: Koniec nabíjania (EOC), Koniec vybíjania (EOD) a Odpočinok (relax). Keď je splnená podmienka konca nabíjania, znamená to, že batéria je úplne nabitá a stav nabitia (SOC) by mal byť 100 %. Stav konca vybitia indikuje, že batéria je úplne vybitá a stav nabitia (SOC) by mal byť 0 %; Môže to byť absolútna hodnota napätia alebo sa môže meniť v závislosti od zaťaženia. Pri dosiahnutí pokojového stavu nie je batéria ani nabitá, ani vybitá a v tomto stave zostáva dlhú dobu. Ak chce užívateľ použiť pokojový stav batérie na opravu chyby coulometrickej metódy, musí v tomto čase použiť voltmeter s otvoreným obvodom. Nasledujúci obrázok ukazuje, že stav chyby nabitia je možné opraviť vo vyššie uvedených stavoch.

            Obrázok 6. Podmienky na elimináciu nahromadených chýb v coulombickej metrológii

Druhým hlavným faktorom, ktorý spôsobuje odchýlku presnosti Coulombovej metrológie, je chyba kapacity úplného nabitia (FCC), čo je rozdiel medzi navrhnutou kapacitou batérie a skutočnou kapacitou úplného nabitia batérie. Plne nabitá kapacita (FCC) je ovplyvnená faktormi, ako je teplota, starnutie a zaťaženie. Preto sú pre coulombickú metrológiu kľúčové metódy preučenia a kompenzácie pre plne nabitú kapacitu. Nasledujúci obrázok ukazuje trendový jav chyby stavu nabitia, keď je plne nabitá kapacita nadhodnotená a podhodnotená.

             Obrázok 7: Trend chyby, keď je plne nabitá kapacita nadhodnotená a podhodnotená

1.4 Elektromer s dynamickým napäťovým algoritmom

Algoritmus dynamického napätia dokáže vypočítať stav nabitia lítiovej batérie výlučne na základe napätia batérie. Táto metóda odhaduje prírastok alebo úbytok stavu nabitia na základe rozdielu medzi napätím batérie a napätím batérie naprázdno. Informácie o dynamickom napätí dokážu efektívne simulovať správanie lítiových batérií a určiť stav nabitia (SOC) (%), ale táto metóda nedokáže odhadnúť hodnotu kapacity batérie (mAh).

Jeho metóda výpočtu je založená na dynamickom rozdiele medzi napätím batérie a napätím naprázdno a odhaduje stav nabitia pomocou iteračných algoritmov na výpočet každého zvýšenia alebo zníženia stavu nabitia. V porovnaní s riešením elektromerov Coulombovou metódou elektromery dynamického napäťového algoritmu neakumulujú chyby v čase a prúde. Coulombické merače majú často nepresný odhad stavu nabitia v dôsledku chýb snímania prúdu a samovybíjania batérie. Aj keď je aktuálna chyba snímania veľmi malá, počítadlo Coulomb bude naďalej hromadiť chyby, ktoré je možné odstrániť až po úplnom nabití alebo vybití.

Algoritmus dynamického napätia sa používa na odhad stavu nabitia batérie výlučne na základe informácií o napätí; Pretože sa neodhaduje na základe aktuálnych informácií o batérii, nedochádza k hromadeniu chýb. Aby sa zlepšila presnosť stavu nabitia, algoritmus dynamického napätia potrebuje použiť skutočné zariadenie na úpravu parametrov optimalizovaného algoritmu na základe skutočnej krivky napätia batérie pri plne nabitých a úplne vybitých podmienkach.

     Obrázok 8. Výkon algoritmu dynamického napätia pre elektromer a optimalizáciu zisku

Nasleduje výkon dynamického napäťového algoritmu pri rôznych podmienkach rýchlosti vybíjania z hľadiska stavu nabitia. Ako je znázornené na obrázku, presnosť jeho nabitia je dobrá. Bez ohľadu na podmienky vybíjania C/2, C/4, C/7 a C/10 je celková chyba stavu nabitia tejto metódy menšia ako 3 %.

      Obrázok 9. Výkon stavu nabitia algoritmu dynamického napätia pri rôznych podmienkach rýchlosti vybíjania

Nasledujúci obrázok zobrazuje stav nabitia batérie pri podmienkach krátkeho nabitia a krátkeho vybitia. Chyba stavu nabitia je stále veľmi malá a maximálna chyba je len 3 %.

       Obrázok 10. Výkon stavu nabitia algoritmu dynamického napätia v prípade krátkeho nabitia a krátkeho vybitia batérií

V porovnaní s Coulombovou metódou merania, ktorá zvyčajne vedie k nepresnému stavu nabitia v dôsledku chýb snímania prúdu a samovybíjania batérie, dynamický napäťový algoritmus nehromadí chyby v priebehu času a prúdu, čo je veľká výhoda. Kvôli nedostatku informácií o nabíjacích/vybíjacích prúdoch má dynamický napäťový algoritmus zlú krátkodobú presnosť a pomalú dobu odozvy. Navyše nevie odhadnúť plnú kapacitu nabíjania. Z hľadiska dlhodobej presnosti si však vedie dobre, pretože napätie batérie v konečnom dôsledku priamo odráža jej stav nabitia.