Wprowadzenie do mierników baterii

Wprowadzenie do mierników baterii

1.1 Wprowadzenie do funkcji licznika energii elektrycznej

Zarządzanie baterią można uznać za część zarządzania energią. W zarządzaniu akumulatorami licznik energii elektrycznej jest odpowiedzialny za oszacowanie pojemności akumulatora. Jego podstawową funkcją jest monitorowanie napięcia, prądu ładowania/rozładowania i temperatury akumulatora oraz ocena stanu naładowania (SOC) i pełnej pojemności ładowania (FCC) akumulatora. Istnieją dwie typowe metody szacowania stanu naładowania akumulatora: metoda napięcia obwodu otwartego (OCV) i metoda pomiaru kulombowskiego. Inną metodą jest algorytm napięcia dynamicznego opracowany przez firmę RICHTEK.

1.2 Metoda napięcia obwodu otwartego

Sposób realizacji zastosowania metody napięcia obwodu otwartego dla licznika energii elektrycznej jest stosunkowo łatwy i można go uzyskać poprzez sprawdzenie odpowiedniego stanu naładowania napięcia obwodu otwartego. Zakładanym warunkiem napięcia obwodu otwartego jest napięcie na zaciskach akumulatora, gdy akumulator znajduje się w stanie spoczynku przez około 30 minut.

Krzywa napięcia akumulatora zmienia się w zależności od obciążenia, temperatury i starzenia się akumulatora. Dlatego woltomierz o stałym obwodzie otwartym nie może w pełni odzwierciedlać stanu naładowania; Nie da się oszacować stanu naładowania wyłącznie na podstawie tabel. Innymi słowy, jeśli stan naładowania zostanie oszacowany wyłącznie na podstawie tabeli, błąd będzie znaczny.

Poniższy rysunek pokazuje, że przy tym samym napięciu akumulatora występuje znacząca różnica w stanie naładowania uzyskanym metodą napięcia obwodu otwartego.

        Rysunek 5. Napięcie akumulatora w warunkach ładowania i rozładowywania

Jak pokazano na poniższym rysunku, istnieje również znacząca różnica w stanie naładowania pod różnymi obciążeniami podczas rozładowywania. Zasadniczo metoda napięcia obwodu otwartego jest odpowiednia tylko w przypadku systemów o niskich wymaganiach dotyczących dokładności stanu naładowania, takich jak samochody korzystające z akumulatorów kwasowo-ołowiowych lub zasilaczy bezprzerwowych.

            Rysunek 2. Napięcie akumulatora pod różnymi obciążeniami podczas rozładowywania

1.3 Metrologia kulombowska

Zasada działania metrologii kulombowskiej polega na podłączeniu rezystora detekcyjnego na ścieżce ładowania/rozładowania akumulatora. ADC mierzy napięcie na rezystorze detekcyjnym i przetwarza je na aktualną wartość ładowanego lub rozładowywanego akumulatora. Licznik czasu rzeczywistego (RTC) zapewnia integrację aktualnej wartości z czasem w celu określenia liczby przepływających kulombów.

               Rysunek 3. Podstawowy tryb pracy metody pomiaru Coulomba

Metrologia kulombowska pozwala dokładnie obliczyć stan naładowania w czasie rzeczywistym podczas procesu ładowania lub rozładowywania. Korzystając z licznika kulombowskiego ładowania i licznika kulombowskiego rozładowującego, może obliczyć pozostałą pojemność elektryczną (RM) i pełną pojemność ładowania (FCC). Jednocześnie pozostała pojemność ładowania (RM) i pojemność w pełni naładowana (FCC) mogą być również wykorzystane do obliczenia stanu naładowania, tj. (SOC=RM/FCC). Ponadto może również oszacować pozostały czas, taki jak wyczerpanie energii (TTE) i ładowanie energii (TTF).

                    Rysunek 4. Wzór obliczeniowy dla metrologii kulombowskiej

Istnieją dwa główne czynniki powodujące odchylenie dokładności metrologii kulombowskiej. Pierwszym z nich jest kumulacja błędów offsetu w pomiarze prądu i pomiarze ADC. Chociaż błąd pomiaru jest stosunkowo niewielki przy obecnej technologii, bez dobrej metody jego eliminacji, błąd ten z czasem będzie się zwiększał. Poniższy rysunek pokazuje, że w zastosowaniach praktycznych, jeśli nie ma korekty czasu, skumulowany błąd jest nieograniczony.

              Rysunek 5. Skumulowany błąd metody pomiaru kulombowskiego

Aby wyeliminować skumulowane błędy, istnieją trzy możliwe punkty czasowe, które można wykorzystać podczas normalnej pracy akumulatora: koniec ładowania (EOC), koniec rozładowania (EOD) i odpoczynek (relaks). Gdy warunek zakończenia ładowania zostanie spełniony, oznacza to, że akumulator jest w pełni naładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 100%. Stan zakończenia rozładowania wskazuje, że akumulator został całkowicie rozładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 0%; Może to być wartość bezwzględna napięcia lub może zmieniać się w zależności od obciążenia. Po osiągnięciu stanu spoczynku akumulator nie jest ani ładowany, ani rozładowywany i pozostaje w tym stanie przez długi czas. Jeśli użytkownik chce wykorzystać stan spoczynku akumulatora do skorygowania błędu metody kulometrycznej, należy w tym momencie użyć woltomierza z rozwarciem obwodu. Poniższy rysunek pokazuje, że błąd stanu naładowania można skorygować w powyższych stanach.

            Rysunek 6. Warunki eliminacji nagromadzonych błędów w metrologii kulombowskiej

Drugim głównym czynnikiem powodującym odchylenie dokładności metrologii kulombowskiej jest błąd pełnej pojemności ładowania (FCC), który jest różnicą pomiędzy projektowaną pojemnością akumulatora a rzeczywistą pojemnością pełnego naładowania akumulatora. Na w pełni naładowaną pojemność (FCC) wpływają takie czynniki, jak temperatura, starzenie się i obciążenie. Dlatego metody ponownego uczenia się i kompensacji dla w pełni naładowanej pojemności mają kluczowe znaczenie dla metrologii kulombowskiej. Poniższy rysunek przedstawia zjawisko trendu błędu stanu naładowania, gdy w pełni naładowana pojemność jest przeszacowana i niedoszacowana.

             Rysunek 7: Trend błędu w przypadku przeszacowania i niedoszacowania w pełni naładowanej pojemności

1.4 Licznik energii elektrycznej z algorytmem napięcia dynamicznego

Algorytm napięcia dynamicznego może obliczyć stan naładowania akumulatora litowego wyłącznie na podstawie napięcia akumulatora. Metoda ta pozwala na oszacowanie przyrostu lub ubytku stanu naładowania na podstawie różnicy pomiędzy napięciem akumulatora a napięciem obwodu otwartego akumulatora. Dynamiczne informacje o napięciu mogą skutecznie symulować zachowanie baterii litowych i określać stan naładowania (SOC) (%), ale ta metoda nie pozwala oszacować wartości pojemności baterii (mAh).

Jego metoda obliczeniowa opiera się na dynamicznej różnicy między napięciem akumulatora a napięciem obwodu otwartego i szacuje stan naładowania za pomocą algorytmów iteracyjnych w celu obliczenia każdego wzrostu lub spadku stanu naładowania. W porównaniu do rozwiązania liczników energii metodą Coulomba, liczniki energii elektrycznej z algorytmem dynamicznego napięcia nie kumulują błędów w czasie i prądzie. Mierniki kulombowskie często niedokładnie oceniają stan naładowania z powodu błędów pomiaru prądu i samorozładowania akumulatora. Nawet jeśli błąd pomiaru prądu jest bardzo mały, licznik Coulomba będzie nadal gromadził błędy, które można wyeliminować dopiero po całkowitym naładowaniu lub rozładowaniu.

Algorytm dynamicznego napięcia służy do oszacowania stanu naładowania akumulatora wyłącznie na podstawie informacji o napięciu; Ponieważ nie jest on szacowany na podstawie aktualnych informacji o akumulatorze, nie dochodzi do kumulacji błędów. Aby poprawić dokładność stanu naładowania, algorytm napięcia dynamicznego musi wykorzystywać rzeczywiste urządzenie do dostosowywania parametrów zoptymalizowanego algorytmu w oparciu o rzeczywistą krzywą napięcia akumulatora w warunkach pełnego naładowania i całkowitego rozładowania.

     Rysunek 8. Działanie algorytmu napięcia dynamicznego dla licznika energii elektrycznej i optymalizacji wzmocnienia

Poniżej przedstawiono działanie algorytmu napięcia dynamicznego w różnych warunkach szybkości rozładowania pod względem stanu naładowania. Jak pokazano na rysunku, dokładność stanu naładowania jest dobra. Niezależnie od warunków rozładowania C/2, C/4, C/7 i C/10, ogólny błąd stanu naładowania tej metody jest mniejszy niż 3%.

      Rysunek 9. Działanie stanu naładowania algorytmu napięcia dynamicznego w różnych warunkach szybkości rozładowania

Poniższy rysunek przedstawia stan naładowania akumulatora w warunkach krótkiego ładowania i krótkiego rozładowywania. Błąd stanu naładowania jest nadal bardzo mały, a maksymalny błąd wynosi tylko 3%.

       Rysunek 10. Działanie algorytmu stanu naładowania dynamicznego napięcia w przypadku krótkiego ładowania i krótkiego rozładowania akumulatorów

W porównaniu z metodą pomiaru kulombowskiego, która zwykle skutkuje niedokładnym stanem naładowania z powodu błędów wykrywania prądu i samorozładowania akumulatora, algorytm dynamicznego napięcia nie kumuluje błędów w czasie i prądzie, co jest główną zaletą. Ze względu na brak informacji o prądach ładowania/rozładowania algorytm napięcia dynamicznego ma słabą dokładność krótkoterminową i długi czas reakcji. Ponadto nie jest w stanie oszacować pełnej pojemności ładowania. Jednak sprawdza się dobrze pod względem długoterminowej dokładności, ponieważ napięcie akumulatora ostatecznie bezpośrednio odzwierciedla jego stan naładowania.