Introduksjon til batterimålere

Introduksjon til batterimålere

1.1 Introduksjon til funksjonene til strømmåleren

Batteristyring kan betraktes som en del av strømstyring. I batteristyring er strømmåleren ansvarlig for å estimere batterikapasiteten. Dens grunnleggende funksjon er å overvåke spenning, lade-/utladningsstrøm og batteritemperatur, og estimere ladetilstanden (SOC) og full ladekapasitet (FCC) til batteriet. Det er to typiske metoder for å estimere ladetilstanden til et batteri: åpen kretsspenningsmetoden (OCV) og Coulombic-målemetoden. En annen metode er den dynamiske spenningsalgoritmen designet av RICHTEK.

1.2 Åpen kretsspenningsmetode

Implementeringsmetoden for å bruke en åpen kretsspenningsmetode for en strømmåler er relativt enkel, og kan oppnås ved å kontrollere den tilsvarende ladetilstanden til åpen kretsspenning. Den antatte tilstanden for åpen kretsspenning er batteripolspenningen når batteriet hviler i ca. 30 minutter.

Spenningskurven til batteriet varierer avhengig av belastning, temperatur og aldring av batteriet. Derfor kan et fast voltmeter med åpen krets ikke representere ladetilstanden fullt ut; Det er ikke mulig å anslå ladetilstanden kun ved å slå opp tabeller. Med andre ord, hvis ladetilstanden estimeres kun ved å slå opp en tabell, vil feilen være betydelig.

Følgende figur viser at under samme batterispenning er det en betydelig forskjell i ladetilstanden oppnådd gjennom åpen kretsspenningsmetoden.

        Figur 5. Batterispenning under lade- og utladingsforhold

Som vist i figuren under er det også en betydelig forskjell i ladetilstanden under ulike belastninger under utladning. Så i utgangspunktet er åpen kretsspenningsmetoden kun egnet for systemer med lave nøyaktighetskrav for ladetilstand, for eksempel biler som bruker bly-syre-batterier eller avbruddsfri strømforsyning.

            Figur 2. Batterispenning under ulik belastning under utlading

1.3 Coulombisk metrologi

Driftsprinsippet for Coulomb-metrologi er å koble en deteksjonsmotstand på lade-/utladingsbanen til batteriet. ADC måler spenningen på deteksjonsmotstanden og konverterer den til strømverdien til batteriet som lades eller utlades. Sanntidsteller (RTC) gir integrasjon av gjeldende verdi med tid for å bestemme hvor mange Coulombs som flyter.

               Figur 3. Grunnleggende arbeidsmodus for Coulomb målemetode

Coulombic metrologi kan nøyaktig beregne sanntidsladingstilstanden under lade- eller utladingsprosessen. Ved å bruke en lade-Coulomb-teller og en utladende Coulomb-teller, kan den beregne gjenværende elektrisk kapasitet (RM) og full ladekapasitet (FCC). Samtidig kan gjenværende ladekapasitet (RM) og fulladet kapasitet (FCC) også brukes til å beregne ladetilstanden, dvs. (SOC=RM/FCC). I tillegg kan den også estimere gjenværende tid, for eksempel strømtømming (TTE) og strømopplading (TTF).

                    Figur 4. Beregningsformel for Coulomb-metrologi

Det er to hovedfaktorer som forårsaker nøyaktighetsavviket til Coulomb-metrologi. Den første er akkumulering av offsetfeil i strømføling og ADC-måling. Selv om målefeilen er relativt liten med dagens teknologi, uten en god metode for å eliminere den, vil denne feilen øke over tid. Følgende figur viser at i praktiske applikasjoner, hvis det ikke er noen korreksjon i varigheten, er den akkumulerte feilen ubegrenset.

              Figur 5. Akkumulert feil av Coulomb målemetode

For å eliminere kumulative feil er det tre mulige tidspunkter som kan brukes under normal batteridrift: End of Charge (EOC), End of Discharge (EOD) og Rest (Relax). Når sluttbetingelsen for lading er oppfylt, indikerer det at batteriet er fulladet og ladetilstanden (SOC) bør være 100 %. Slutttilstanden for utlading indikerer at batteriet er helt utladet og ladetilstanden (SOC) bør være 0 %; Det kan være en absolutt spenningsverdi eller den kan variere med belastningen. Når det når en hviletilstand, blir batteriet verken ladet eller utladet, og det forblir i denne tilstanden i lang tid. Hvis brukeren ønsker å bruke batterihviletilstanden for å korrigere feilen ved kulometrisk metode, må et voltmeter med åpen krets brukes på dette tidspunktet. Følgende figur viser at ladetilstandsfeilen kan korrigeres i tilstandene ovenfor.

            Figur 6. Betingelser for å eliminere akkumulerte feil i Coulombic Metrology

Den andre hovedfaktoren som forårsaker nøyaktighetsavviket til Coulomb-metrologi er feilen Full Charge Capacity (FCC), som er forskjellen mellom den utformede kapasiteten til batteriet og den sanne fulladekapasiteten til batteriet. Den fulladede kapasiteten (FCC) påvirkes av faktorer som temperatur, aldring og belastning. Derfor er relærings- og kompensasjonsmetodene for fulladet kapasitet avgjørende for Coulombic metrologi. Følgende figur viser trendfenomenet ladetilstandsfeil når den fulladede kapasiteten er overvurdert og undervurdert.

             Figur 7: Feiltendens når fulladet kapasitet er over- og underestimert

1.4 Dynamisk spenningsalgoritme strømmåler

Den dynamiske spenningsalgoritmen kan beregne ladetilstanden til et litiumbatteri basert utelukkende på batterispenningen. Denne metoden estimerer økningen eller reduksjonen av ladetilstanden basert på forskjellen mellom batterispenningen og den åpne kretsspenningen til batteriet. Den dynamiske spenningsinformasjonen kan effektivt simulere oppførselen til litiumbatterier og bestemme ladetilstanden (SOC) (%), men denne metoden kan ikke estimere batterikapasitetsverdien (mAh).

Beregningsmetoden er basert på den dynamiske forskjellen mellom batterispenning og åpen kretsspenning, og estimerer ladetilstanden ved å bruke iterative algoritmer for å beregne hver økning eller reduksjon i ladetilstanden. Sammenlignet med løsningen av Coulomb-metoden strømmålere, akkumulerer ikke strømmålere med dynamisk spenningsalgoritme feil over tid og strøm. Coulombiske målemålere har ofte unøyaktig estimering av ladetilstanden på grunn av strømfølingsfeil og selvutlading av batteriet. Selv om gjeldende registreringsfeil er svært liten, vil Coulomb-telleren fortsette å akkumulere feil, som bare kan elimineres etter fullstendig lading eller utlading.

Den dynamiske spenningsalgoritmen brukes til å estimere ladetilstanden til et batteri basert utelukkende på spenningsinformasjon; Fordi det ikke er estimert basert på gjeldende informasjon om batteriet, er det ingen akkumulering av feil. For å forbedre nøyaktigheten til ladetilstanden, må den dynamiske spenningsalgoritmen bruke en faktisk enhet for å justere parametrene til en optimalisert algoritme basert på den faktiske batterispenningskurven under fullt ladet og fullt utladet forhold.

     Figur 8. Ytelse av dynamisk spenningsalgoritme for elektrisitetsmåler og forsterkningsoptimalisering

Følgende er ytelsen til den dynamiske spenningsalgoritmen under forskjellige utladningshastighetsforhold når det gjelder ladetilstand. Som vist på figuren er ladetilstanden god. Uavhengig av utladningsbetingelsene til C/2, C/4, C/7 og C/10, er den totale ladefeilen for denne metoden mindre enn 3%.

      Figur 9. Ytelse av ladetilstanden til den dynamiske spenningsalgoritmen under forskjellige utladningshastighetsforhold

Følgende figur viser ladetilstanden til batteriet under kortlading og kortlading. Feilen i ladetilstanden er fortsatt veldig liten, og den maksimale feilen er bare 3%.

       Figur 10. Ytelse av ladetilstanden til den dynamiske spenningsalgoritmen i tilfelle kortlading og kortutlading av batterier

Sammenlignet med Coulomb-målemetoden, som vanligvis resulterer i unøyaktig ladetilstand på grunn av strømfølingsfeil og batteriets selvutlading, akkumulerer ikke den dynamiske spenningsalgoritmen feil over tid og strøm, noe som er en stor fordel. På grunn av mangel på informasjon om lade-/utladningsstrømmer har den dynamiske spenningsalgoritmen dårlig kortsiktig nøyaktighet og langsom responstid. Videre kan den ikke anslå full ladekapasitet. Den yter imidlertid godt når det gjelder langsiktig nøyaktighet, ettersom batterispenningen til slutt direkte gjenspeiler ladetilstanden.