Ocena stanja napolnjenosti (SOC) litijeve baterije je tehnično težavna, zlasti v aplikacijah, kjer baterija ni popolnoma napolnjena ali popolnoma izpraznjena. Takšne aplikacije so hibridna električna vozila (HEV). Izziv izvira iz zelo nizke napetosti pri praznjenju litijevih baterij. Napetost se skoraj ne spremeni od 70% SOC do 20% SOC. Pravzaprav je nihanje napetosti zaradi temperaturnih sprememb podobno nihanju napetosti zaradi praznjenja, tako da je treba temperaturo celice kompenzirati, če naj se SOC izpelje iz napetosti.
Drug izziv je, da je zmogljivost baterije določena z zmogljivostjo celice z najmanjšo zmogljivostjo, zato SOC ne bi smeli presojati na podlagi napetosti priključka celice, ampak na podlagi napetosti priključka najšibkejše celice. Vse to zveni malo pretežko. Zakaj torej preprosto ne ohranimo skupne količine toka, ki teče v celico, in ga uravnotežimo s tokom, ki teče ven? To je znano kot kulometrično štetje in zveni dovolj preprosto, vendar je s to metodo veliko težav.
Baterijeniso popolne baterije. Nikoli ne vrnejo tistega, kar ste dali vanje. Med polnjenjem pride do uhajanja toka, ki se spreminja glede na temperaturo, hitrost polnjenja, stanje napolnjenosti in staranje.
Kapaciteta baterije se prav tako nelinearno spreminja s hitrostjo praznjenja. Hitrejše kot je praznjenje, manjša je zmogljivost. Od praznjenja 0,5C do praznjenja 5C je lahko zmanjšanje do 15 %.
Akumulatorji imajo pri višjih temperaturah bistveno večji tok uhajanja. Notranje celice v bateriji se lahko segrejejo bolj kot zunanje celice, zato bo puščanje celic skozi baterijo neenakomerno.
Zmogljivost je tudi funkcija temperature. Nekatere litijeve kemikalije so prizadete bolj kot druge.
Za kompenzacijo te neenakosti se znotraj baterije uporablja uravnoteženje celic. Tega dodatnega toka uhajanja ni mogoče izmeriti zunaj baterije.
Zmogljivost baterije se med življenjsko dobo celice in s časom enakomerno zmanjšuje.
Vsak majhen odmik v trenutni meritvi bo integriran in sčasoma lahko postane veliko število, kar resno vpliva na natančnost SOC.
Vse zgoraj navedeno bo povzročilo premik v natančnosti sčasoma, razen če se izvaja redna kalibracija, vendar je to mogoče le, ko je baterija skoraj izpraznjena ali skoraj polna. Pri aplikacijah HEV je najbolje, da je baterija približno 50-odstotno napolnjena, zato je eden od možnih načinov zanesljivega popravljanja natančnosti merjenja občasno polno polnjenje baterije. Povsem električna vozila se redno ali skoraj polno polnijo, zato je lahko merjenje na podlagi kulometričnih štetij zelo natančno, zlasti če se kompenzirajo druge težave z baterijo.
Ključ do dobre natančnosti pri kulometričnem štetju je dobro zaznavanje toka v širokem dinamičnem območju.
Tradicionalna metoda merjenja toka je za nas shunt, vendar te metode odpadejo, ko so vključeni višji (250A+) tokovi. Zaradi porabe energije mora biti shunt nizkega upora. Nizkouporni šanti niso primerni za merjenje nizkih (50 mA) tokov. To takoj sproži najpomembnejše vprašanje: kateri so najmanjši in največji tokovi, ki jih je treba izmeriti? To se imenuje dinamični razpon.
Ob predpostavki, da je baterija kapacitete 100 Ahr, groba ocena sprejemljive napake integracije.
Napaka 4 A bo povzročila 100 % napak v enem dnevu ali napaka 0,4 A bo povzročila 10 % napak v enem dnevu.
Napaka 4/7 A povzroči 100 % napak v enem tednu ali napaka 60 mA povzroči 10 % napak v enem tednu.
Napaka 4/28 A bo povzročila 100-odstotno napako v enem mesecu ali napaka 15 mA bo povzročila 10-odstotno napako v enem mesecu, kar je verjetno najboljša meritev, ki jo lahko pričakujete brez ponovnega umerjanja zaradi polnjenja ali skoraj popolne izpraznitve.
Zdaj pa poglejmo shunt, ki meri tok. Za 250 A bo 1 m ohm shunt na visoki strani in proizvedel 62,5 W. Vendar bo pri 15 mA proizvedel samo 15 mikrovoltov, ki se bodo izgubili v hrupu v ozadju. Dinamično območje je 250A/15mA = 17.000:1. Če lahko 14-bitni A/D pretvornik res "vidi" signal v šumu, odmiku in odmiku, potem je potreben 14-bitni A/D pretvornik. Pomemben vzrok odmika je odmik napetosti in ozemljitvene zanke, ki ga ustvari termočlen.
V bistvu ni senzorja, ki bi lahko meril tok v tem dinamičnem območju. Visokotokovni senzorji so potrebni za merjenje višjih tokov iz primerov vleke in polnjenja, medtem ko so nizkotokovni senzorji potrebni za merjenje tokov iz na primer dodatkov in katerega koli stanja ničelnega toka. Ker senzor nizkega toka "vidi" tudi visoki tok, ga ti ne morejo poškodovati ali pokvariti, razen zaradi nasičenja. To takoj izračuna šuntni tok.
rešitev
Zelo primerna družina senzorjev so tokovni senzorji z odprto zanko Hallovega efekta. Te naprave ne bodo poškodovane zaradi visokih tokov in Raztec je razvil obseg senzorjev, ki lahko dejansko merijo tokove v območju miliamperov skozi en sam vodnik. prenosna funkcija 100 mV/AT je praktična, tako da bo tok 15 mA proizvedel uporabnih 1,5 mV. z uporabo najboljšega razpoložljivega materiala jedra je mogoče doseči tudi zelo nizko remanenco v območju enega miliampera. Pri 100 mV/AT se nasičenost pojavi nad 25 A. Nižji programski dobiček seveda omogoča višje tokove.
Visoki tokovi se merijo z običajnimi visokotokovnimi senzorji. Preklapljanje z enega senzorja na drugega zahteva preprosto logiko.
Raztecova nova serija brezjedrnih senzorjev je odlična izbira za visokotokovne senzorje. Te naprave ponujajo odlično linearnost, stabilnost in ničelno histerezo. Z lahkoto jih je mogoče prilagoditi širokemu razponu mehanskih konfiguracij in tokovnih razponov. Te naprave so praktične z uporabo nove generacije senzorjev magnetnega polja z odlično zmogljivostjo.
Oba tipa tipala ostajata uporabna za upravljanje razmerja med signalom in šumom z zahtevanim zelo visokim dinamičnim razponom tokov.
Vendar bi bila izjemna natančnost odveč, saj baterija sama po sebi ni natančen kulonov števec. Napaka 5 % med polnjenjem in praznjenjem je značilna za baterije, kjer obstajajo dodatne nedoslednosti. S tem v mislih je mogoče uporabiti razmeroma preprosto tehniko z uporabo osnovnega modela baterije. Model lahko vključuje napetost priključka brez obremenitve glede na kapaciteto, napetost polnjenja glede na kapaciteto, upornost praznjenja in polnjenja, ki jih je mogoče spreminjati s cikli zmogljivosti in polnjenja/praznjenja. Določiti je treba ustrezne izmerjene časovne konstante napetosti, da se prilagodijo časovnim konstantam napetosti izčrpavanja in obnovitve.
Pomembna prednost kakovostnih litijevih baterij je, da pri visokih stopnjah praznjenja izgubijo zelo malo kapacitete. To dejstvo poenostavlja izračune. Imajo tudi zelo nizek tok uhajanja. Puščanje sistema je lahko večje.
Ta tehnika omogoča oceno stanja napolnjenosti v nekaj odstotnih točkah dejanske preostale zmogljivosti po določitvi ustreznih parametrov, brez potrebe po kulonskem štetju. Baterija postane kulonov števec.
Viri napak v trenutnem senzorju
Kot je navedeno zgoraj, je napaka odmika ključnega pomena za kulometrično štetje, zato je treba v monitorju SOC zagotoviti umerjanje odmika senzorja na nič v pogojih ničelnega toka. To je običajno izvedljivo samo med tovarniško namestitvijo. Vendar lahko obstajajo sistemi, ki določajo ničelni tok in zato omogočajo samodejno ponovno kalibracijo odmika. To je idealna situacija, saj se je mogoče prilagoditi zanašanju.
Na žalost vse senzorske tehnologije povzročajo toplotni zamik in trenutni senzorji niso izjema. Zdaj lahko vidimo, da je to kritična kakovost. Z uporabo kakovostnih komponent in skrbnim načrtovanjem pri Raztecu smo razvili vrsto toplotno stabilnih tokovnih senzorjev z razponom odmika <0,25 mA/K. Pri spremembi temperature za 20 K lahko to povzroči največjo napako 5 mA.
Drug pogost vir napak pri tokovnih senzorjih, ki vključujejo magnetno vezje, je histerezna napaka, ki jo povzroči preostali magnetizem. Ta je pogosto do 400 mA, zaradi česar so takšni senzorji neprimerni za nadzor baterije. Z izbiro najboljšega magnetnega materiala je Raztec to kakovost zmanjšal na 20 mA in ta napaka se je sčasoma dejansko zmanjšala. Če je potrebna manjša napaka, je razmagnetenje možno, vendar je to precej zapleteno.
Manjša napaka je odmik kalibracije prenosne funkcije s temperaturo, vendar je pri masnih senzorjih ta učinek veliko manjši od odmika zmogljivosti celice od temperature.
Najboljši pristop k oceni SOC je uporaba kombinacije tehnik, kot so stabilne napetosti brez obremenitve, napetosti celic, kompenzirane z IXR, kulometrična štetja in temperaturna kompenzacija parametrov. Na primer, dolgoročne napake pri integraciji je mogoče prezreti z ocenjevanjem SOC za napetosti baterije brez obremenitve ali nizke obremenitve.
Čas objave: 9. avgusta 2022