Odhad stavu nabití (SOC) lithiové baterie je technicky obtížný, zejména v aplikacích, kde baterie není plně nabitá nebo zcela vybitá.Takovými aplikacemi jsou hybridní elektrická vozidla (HEV).Výzva pramení z velmi plochých charakteristik vybíjení lithiových baterií.Napětí se téměř nemění ze 70 % SOC na 20 % SOC.Ve skutečnosti je kolísání napětí v důsledku změn teploty podobné kolísání napětí v důsledku vybíjení, takže pokud má být SOC odvozena z napětí, musí být kompenzována teplota článku.
Další výzvou je, že kapacita baterie je určena kapacitou článku s nejnižší kapacitou, takže SOC by nemělo být posuzováno na základě svorkového napětí článku, ale na základě svorkového napětí nejslabšího článku.To vše zní trochu příliš složitě.Proč tedy jednoduše neudržíme celkové množství proudu tekoucího do buňky a nevyrovnáme jej s proudem, který teče ven?Toto je známé jako coulometrické počítání a zní to jednoduše, ale s touto metodou je mnoho problémů.
Baterienejsou dokonalé baterie.Nikdy nevrátí to, co do nich vložíte.Během nabíjení dochází k úniku proudu, který se mění v závislosti na teplotě, rychlosti nabíjení, stavu nabití a stárnutí.
Kapacita baterie se také mění nelineárně s rychlostí vybíjení.Čím rychlejší vybíjení, tím nižší kapacita.Od výboje 0,5C do výboje 5C může snížení dosahovat až 15 %.
Baterie mají výrazně vyšší svodový proud při vyšších teplotách.Vnitřní články v baterii se mohou zahřívat více než vnější články, takže únik článků baterií bude nerovnoměrný.
Kapacita je také funkcí teploty.Některé lithiové chemikálie jsou ovlivněny více než jiné.
Pro kompenzaci této nerovnosti se v baterii používá vyvažování článků.Tento dodatečný svodový proud není mimo baterii měřitelný.
Kapacita baterie se během životnosti článku a v průběhu času neustále snižuje.
Jakákoli malá odchylka v aktuálním měření bude integrována a časem se může stát velkým číslem, což vážně ovlivní přesnost SOC.
Všechny výše uvedené skutečnosti budou mít za následek posun v přesnosti v průběhu času, pokud nebude provedena pravidelná kalibrace, ale to je možné pouze tehdy, když je baterie téměř vybitá nebo téměř plná.V aplikacích HEV je nejlepší udržovat baterii nabitou přibližně na 50 %, takže jedním z možných způsobů, jak spolehlivě opravit přesnost měření, je pravidelně baterii plně nabíjet.Čistě elektrická vozidla jsou pravidelně nabíjena na plnou nebo téměř plnou kapacitu, takže měření založené na coulometrických počtech může být velmi přesné, zvláště pokud jsou kompenzovány jiné problémy s baterií.
Klíčem k dobré přesnosti coulometrického počítání je dobrá detekce proudu v širokém dynamickém rozsahu.
Tradiční metoda měření proudu je pro nás zkrat, ale tyto metody padají, když jsou zapojeny vyšší (250A+) proudy.Kvůli spotřebě energie musí mít bočník nízký odpor.Nízkoodporové bočníky nejsou vhodné pro měření nízkých (50mA) proudů.To okamžitě vyvolává nejdůležitější otázku: jaké jsou minimální a maximální proudy, které se mají měřit?Tomu se říká dynamický rozsah.
Za předpokladu kapacity baterie 100 Ah je hrubý odhad přijatelné chyby integrace.
Chyba 4 A způsobí 100 % chyb za den nebo chyba 0,4 A způsobí 10 % chyb za den.
Chyba 4/7A způsobí 100 % chyb do týdne nebo chyba 60 mA způsobí 10 % chyb do týdne.
Chyba 4/28A způsobí 100% chybu za měsíc nebo chyba 15mA způsobí 10% chybu za měsíc, což je pravděpodobně nejlepší měření, které lze očekávat bez rekalibrace kvůli nabíjení nebo téměř úplnému vybití.
Nyní se podíváme na bočník, který měří proud.Pro 250A bude 1m ohm bočník na vysoké straně a bude vyrábět 62,5W.Při 15mA však bude produkovat pouze 15 mikrovoltů, které se ztratí v šumu na pozadí.Dynamický rozsah je 250A/15mA = 17 000:1.Pokud 14bitový A/D převodník skutečně „vidí“ signál v šumu, offsetu a driftu, pak je nutný 14bitový A/D převodník.Důležitou příčinou offsetu je offset napětí a zemní smyčky generovaný termočlánkem.
V zásadě neexistuje žádný senzor, který by dokázal měřit proud v tomto dynamickém rozsahu.Senzory vysokého proudu jsou potřebné pro měření vyšších proudů z příkladů trakce a nabíjení, zatímco senzory nízkého proudu jsou potřebné pro měření proudů například z příslušenství a jakéhokoli stavu nulového proudu.Vzhledem k tomu, že snímač nízkého proudu také "vidí" vysoký proud, nemůže být jimi poškozen nebo poškozen, s výjimkou saturace.Tím se okamžitě vypočítá bočníkový proud.
Řešení
Velmi vhodnou rodinou senzorů jsou proudové senzory s Hallovým jevem s otevřenou smyčkou.Tato zařízení nebudou poškozena vysokými proudy a Raztec vyvinul řadu senzorů, které skutečně mohou měřit proudy v rozsahu miliampérů přes jediný vodič.přenosová funkce 100 mV/AT je praktická, takže proud 15 mA vytvoří použitelných 1,5 mV.použitím nejlepšího dostupného materiálu jádra lze také dosáhnout velmi nízké remanence v rozsahu jednoho miliampéru.Při 100 mV/AT dojde k saturaci nad 25 A.Nižší programovací zisk samozřejmě umožňuje vyšší proudy.
Vysoké proudy se měří pomocí konvenčních vysokoproudových senzorů.Přepínání z jednoho senzoru na druhý vyžaduje jednoduchou logiku.
Nová řada bezjádrových senzorů Raztec je vynikající volbou pro vysokoproudové senzory.Tato zařízení nabízejí vynikající linearitu, stabilitu a nulovou hysterezi.Jsou snadno přizpůsobitelné široké škále mechanických konfigurací a proudových rozsahů.Tato zařízení jsou praktická díky použití nové generace snímačů magnetického pole s vynikajícím výkonem.
Oba typy snímačů zůstávají výhodné pro řízení odstupu signálu od šumu s požadovaným velmi vysokým dynamickým rozsahem proudů.
Extrémní přesnost by však byla nadbytečná, protože samotná baterie není přesným coulombovým čítačem.Chyba 5 % mezi nabitím a vybitím je typická pro baterie, kde existují další nesrovnalosti.S ohledem na to lze použít relativně jednoduchou techniku využívající základní model baterie.Model může zahrnovat napětí na svorkách naprázdno versus kapacita, nabíjecí napětí versus kapacita, vybíjecí a nabíjecí odpory, které lze upravit podle kapacity a cyklů nabíjení/vybíjení.Je třeba stanovit vhodné časové konstanty měřeného napětí, aby se přizpůsobily časovým konstantám vyčerpávajícího a obnovovacího napětí.
Významnou výhodou kvalitních lithiových baterií je, že při vysokých rychlostech vybíjení ztrácejí velmi malou kapacitu.Tato skutečnost zjednodušuje výpočty.Mají také velmi nízký svodový proud.Únik systému může být vyšší.
Tato technika umožňuje odhad stavu nabití v rámci několika procentních bodů skutečné zbývající kapacity po stanovení příslušných parametrů, bez nutnosti počítání coulombů.Baterie se stává coulombovým čítačem.
Zdroje chyb v aktuálním senzoru
Jak bylo uvedeno výše, chyba offsetu je kritická pro coulometrický počet a v monitoru SOC by mělo být provedeno opatření pro kalibraci offsetu snímače na nulu za podmínek nulového proudu.To je obvykle možné pouze při tovární instalaci.Mohou však existovat systémy, které určují nulový proud, a proto umožňují automatickou rekalibraci offsetu.To je ideální situace, protože se lze přizpůsobit driftu.
Bohužel všechny senzorové technologie produkují teplotní posun a proudové senzory nejsou výjimkou.Nyní vidíme, že se jedná o kritickou kvalitu.Použitím kvalitních komponent a pečlivým designem ve společnosti Raztec jsme vyvinuli řadu tepelně stabilních proudových senzorů s rozsahem driftu <0,25 mA/K.Při změně teploty o 20 K to může způsobit maximální chybu 5 mA.
Dalším běžným zdrojem chyb v proudových snímačích obsahujících magnetický obvod je chyba hystereze způsobená remanentním magnetismem.To je často až 400 mA, což činí takové senzory nevhodnými pro monitorování baterie.Výběrem nejlepšího magnetického materiálu Raztec snížil tuto kvalitu na 20 mA a tato chyba se časem skutečně snížila.Pokud je požadováno méně chyb, demagnetizace je možná, ale zvyšuje značnou složitost.
Menší chybou je drift kalibrace přenosové funkce s teplotou, ale u hmotnostních senzorů je tento efekt mnohem menší než drift výkonu článku s teplotou.
Nejlepším přístupem k odhadu SOC je použití kombinace technik, jako jsou stabilní napětí naprázdno, napětí článků kompenzované IXR, coulometrické počty a teplotní kompenzace parametrů.Například dlouhodobé chyby integrace lze ignorovat odhadem SOC pro napětí baterie naprázdno nebo při nízkém zatížení.
Čas odeslání: srpen-09-2022