Оценката на състоянието на заряд (SOC) на литиева батерия е технически трудна, особено в приложения, където батерията не е напълно заредена или напълно разредена.Такива приложения са хибридните електрически превозни средства (HEV).Предизвикателството произтича от много плоските характеристики на разряд на напрежението на литиевите батерии.Напрежението почти не се променя от 70% SOC до 20% SOC.Всъщност промяната на напрежението, дължаща се на температурни промени, е подобна на промяната на напрежението, дължаща се на разреждане, така че ако SOC трябва да се извлече от напрежението, температурата на клетката трябва да бъде компенсирана.
Друго предизвикателство е, че капацитетът на батерията се определя от капацитета на клетката с най-нисък капацитет, така че SOC не трябва да се оценява въз основа на напрежението на клемата на клетката, а на базата на напрежението на клемата на най-слабата клетка.Всичко това звучи малко прекалено трудно.Така че защо просто не запазим общото количество ток, протичащ в клетката, и не го балансираме с тока, изтичащ навън?Това е известно като кулонометрично броене и звучи достатъчно просто, но има много трудности с този метод.
Батериине са идеални батерии.Те никога не връщат това, което си сложил в тях.По време на зареждане има ток на утечка, който варира в зависимост от температурата, скоростта на зареждане, състоянието на зареждане и стареенето.
Капацитетът на батерията също варира нелинейно със скоростта на разреждане.Колкото по-бързо е разреждането, толкова по-малък е капацитетът.От 0,5C разряд до 5C разряд, намалението може да достигне до 15%.
Батериите имат значително по-висок ток на утечка при по-високи температури.Вътрешните клетки в батерията може да работят по-горещи от външните клетки, така че изтичането на клетки през батерията ще бъде неравномерно.
Капацитетът също е функция на температурата.Някои литиеви химикали са засегнати повече от други.
За да се компенсира това неравенство, в батерията се използва балансиране на клетките.Този допълнителен ток на утечка не може да се измери извън батерията.
Капацитетът на батерията намалява стабилно през живота на клетката и с течение на времето.
Всяко малко отклонение в текущото измерване ще бъде интегрирано и с течение на времето може да се превърне в голямо число, което сериозно да повлияе на точността на SOC.
Всичко по-горе ще доведе до отклонение в точността с течение на времето, освен ако не се извършва редовно калибриране, но това е възможно само когато батерията е почти изтощена или почти пълна.При HEV приложения е най-добре батерията да се поддържа приблизително 50% заредена, така че един от възможните начини за надеждно коригиране на точността на измерване е периодичното пълно зареждане на батерията.Чисто електрическите превозни средства редовно се зареждат до пълно или почти пълно зареждане, така че измерването на базата на кулонометрични преброявания може да бъде много точно, особено ако се компенсират други проблеми с батерията.
Ключът към добрата точност при кулонометричното броене е доброто откриване на ток в широк динамичен диапазон.
Традиционният метод за измерване на ток за нас е шунт, но тези методи падат, когато са включени по-високи (250A+) токове.Поради консумацията на енергия, шунтът трябва да бъде с ниско съпротивление.Шунтовете с ниско съпротивление не са подходящи за измерване на ниски (50mA) токове.Това веднага повдига най-важния въпрос: какви са минималните и максималните токове, които трябва да бъдат измерени?Това се нарича динамичен диапазон.
Приемайки капацитет на батерията от 100 Ahr, груба оценка на приемливата грешка при интегриране.
Грешка от 4 ампера ще доведе до 100% от грешките за един ден или грешка от 0,4 A ще доведе до 10% от грешките за един ден.
Грешка от 4/7A ще доведе до 100% от грешките в рамките на една седмица или грешка от 60mA ще доведе до 10% от грешките в рамките на една седмица.
Грешка от 4/28 A ще доведе до 100% грешка за един месец или грешка от 15 mA ще доведе до 10% грешка за един месец, което вероятно е най-доброто измерване, което може да се очаква без повторно калибриране поради зареждане или почти пълно разреждане.
Сега нека разгледаме шунта, който измерва тока.За 250A, шунт от 1m ом ще бъде от високата страна и ще произвежда 62,5W.Въпреки това, при 15 mA той ще произведе само 15 микроволта, които ще бъдат загубени във фоновия шум.Динамичният диапазон е 250A/15mA = 17 000:1.Ако 14-битов A/D преобразувател наистина може да "види" сигнала в шум, отместване и дрейф, тогава е необходим 14-битов A/D преобразувател.Важна причина за отместването е отместването на напрежението и земната верига, генерирано от термодвойката.
По принцип няма сензор, който да измерва тока в този динамичен диапазон.Сензори за голям ток са необходими за измерване на по-високи токове от примери за сцепление и зареждане, докато сензори за нисък ток са необходими за измерване на токове от, например, аксесоари и всяко състояние на нулев ток.Тъй като сензорът за нисък ток също "вижда" високия ток, той не може да бъде повреден или повреден от тях, освен при насищане.Това веднага изчислява тока на шунт.
Решение
Много подходящо семейство сензори са сензорите за ток с ефект на Хол с отворена верига.Тези устройства няма да бъдат повредени от силни токове и Raztec разработи гама от сензори, които действително могат да измерват токове в диапазона милиампер през един проводник.трансферна функция от 100mV/AT е практична, така че ток от 15mA ще произведе използваеми 1,5mV.чрез използване на най-добрия наличен материал на сърцевината може да се постигне и много ниска остатъчна устойчивост в диапазона от един милиампер.При 100mV/AT, насищането ще настъпи над 25 ампера.По-ниското програмно усилване, разбира се, позволява по-високи токове.
Силните токове се измерват с помощта на конвенционални високотокови сензори.Превключването от един сензор към друг изисква проста логика.
Новата гама сензори без ядро на Raztec е отличен избор за сензори за силен ток.Тези устройства предлагат отлична линейност, стабилност и нулев хистерезис.Те са лесно приспособими към широка гама от механични конфигурации и диапазони на тока.Тези устройства са направени практични чрез използването на ново поколение сензори за магнитно поле с отлична производителност.
И двата типа сензори остават полезни за управление на съотношенията сигнал/шум с изисквания много висок динамичен диапазон на токове.
Изключителната точност обаче би била излишна, тъй като самата батерия не е точен кулонов брояч.Грешка от 5% между зареждане и разреждане е типична за батерии, където има допълнителни несъответствия.Като се има предвид това, може да се използва сравнително проста техника, използваща основен модел батерия.Моделът може да включва напрежение на клемите без товар спрямо капацитет, напрежение на заряд спрямо капацитет, съпротивления на разряд и заряд, които могат да бъдат модифицирани с капацитет и цикли на зареждане/разреждане.Необходимо е да се установят подходящи измерени времеви константи на напрежението, за да се приспособят времевите константи на напрежението на изчерпване и възстановяване.
Значително предимство на литиеви батерии с добро качество е, че те губят много малко капацитет при високи скорости на разреждане.Този факт опростява изчисленията.Освен това имат много нисък ток на утечка.Изтичането на системата може да е по-високо.
Тази техника позволява оценка на състоянието на заряда в рамките на няколко процентни пункта от действителния оставащ капацитет след установяване на подходящите параметри, без необходимост от броене на кулон.Батерията става кулонов брояч.
Източници на грешки в текущия сензор
Както бе споменато по-горе, грешката на отместването е от решаващо значение за кулонометричното броене и трябва да се предвиди в SOC монитора за калибриране на отместването на сензора до нула при условия на нулев ток.Това обикновено е осъществимо само по време на фабричната инсталация.Възможно е обаче да съществуват системи, които определят нулев ток и следователно позволяват автоматично повторно калибриране на отместването.Това е идеална ситуация, тъй като може да се приеме дрейф.
За съжаление, всички сензорни технологии произвеждат дрейф на термично отместване и настоящите сензори не са изключение.Сега можем да видим, че това е критично качество.Използвайки качествени компоненти и внимателен дизайн в Raztec, ние разработихме гама от термично стабилни сензори за ток с обхват на отклонение от <0,25mA/K.За промяна на температурата от 20 K това може да доведе до максимална грешка от 5 mA.
Друг често срещан източник на грешка в сензорите за ток, включващи магнитна верига, е грешката на хистерезиса, причинена от остатъчния магнетизъм.Това често е до 400 mA, което прави такива сензори неподходящи за наблюдение на батерията.Избирайки най-добрия магнитен материал, Raztec намали това качество до 20 mA и тази грешка всъщност намаля с времето.Ако се изисква по-малко грешка, размагнитването е възможно, но добавя значителна сложност.
По-малка грешка е дрейфът на калибрирането на трансферната функция с температурата, но за сензорите за маса този ефект е много по-малък от дрейфа на производителността на клетката с температурата.
Най-добрият подход към оценката на SOC е да се използва комбинация от техники като стабилни напрежения на празен ход, напрежения на клетката, компенсирани от IXR, кулонометрични преброявания и температурна компенсация на параметрите.Например, дългосрочни грешки при интегриране могат да бъдат игнорирани чрез оценяване на SOC за напрежения на батерията без натоварване или ниско натоварване.
Време на публикуване: 09 август 2022 г