Procjena stanja napunjenosti (SOC) litijske baterije je tehnički teška, posebno u primjenama gdje baterija nije potpuno napunjena ili potpuno ispražnjena.Takve primjene su hibridna električna vozila (HEV).Izazov proizlazi iz vrlo ravnih karakteristika pražnjenja napona litijevih baterija.Napon se jedva mijenja od 70% SOC do 20% SOC.Zapravo, varijacija napona zbog promjena temperature slična je varijaciji napona zbog pražnjenja, pa ako se SOC treba izvesti iz napona, mora se kompenzirati temperatura ćelije.
Još jedan izazov je to što je kapacitet baterije određen kapacitetom ćelije najmanjeg kapaciteta, tako da se SOC ne bi trebao procjenjivati na temelju napona terminala ćelije, već na temelju napona terminala najslabije ćelije.Sve ovo zvuči malo preteško.Pa zašto jednostavno ne zadržimo ukupnu količinu struje koja teče u ćeliju i uravnotežimo je sa strujom koja istječe?Ovo je poznato kao kulometrijsko brojanje i zvuči dovoljno jednostavno, ali postoje mnoge poteškoće s ovom metodom.
Baterijenisu savršene baterije.Nikada ne vrate ono što ste stavili u njih.Tijekom punjenja postoji struja curenja, koja varira ovisno o temperaturi, brzini punjenja, stanju napunjenosti i starenju.
Kapacitet baterije također varira nelinearno s brzinom pražnjenja.Što je brže pražnjenje, manji je kapacitet.Od pražnjenja od 0,5C do 5C, smanjenje može biti čak 15%.
Baterije imaju znatno veću struju curenja pri višim temperaturama.Unutarnje ćelije u bateriji mogu biti toplije od vanjskih ćelija, tako da će curenje ćelija kroz bateriju biti nejednako.
Kapacitet je također funkcija temperature.Na neke litijeve kemikalije utječe više od drugih.
Kako bi se kompenzirala ova nejednakost, unutar baterije se koristi balansiranje ćelija.Ova dodatna struja curenja nije mjerljiva izvan baterije.
Kapacitet baterije stalno opada tijekom životnog vijeka ćelije i tijekom vremena.
Svaki mali pomak u trenutnom mjerenju bit će integriran i s vremenom može postati veliki broj, ozbiljno utječući na točnost SOC-a.
Sve gore navedeno rezultirat će pomakom u točnosti tijekom vremena osim ako se ne provodi redovita kalibracija, ali to je moguće samo kada je baterija gotovo ispražnjena ili gotovo puna.U HEV aplikacijama najbolje je držati bateriju na približno 50% napunjenoj, tako da je jedan od mogućih načina pouzdanog ispravljanja točnosti mjerenja povremeno potpuno punjenje baterije.Čisto električna vozila redovito se pune do kraja ili gotovo do kraja, tako da mjerenje na temelju kulometrijskih brojanja može biti vrlo precizno, osobito ako se kompenziraju drugi problemi s baterijom.
Ključ dobre točnosti u kulometrijskom brojanju je dobra detekcija struje u širokom dinamičkom rasponu.
Tradicionalna metoda mjerenja struje za nas je šant, ali ove metode padaju u vodu kada su uključene veće (250A+) struje.Zbog potrošnje energije, shunt mora biti niskog otpora.Shuntovi niskog otpora nisu prikladni za mjerenje niskih (50mA) struja.Ovo odmah postavlja najvažnije pitanje: koje su minimalne i maksimalne struje koje treba izmjeriti?To se naziva dinamički raspon.
Uz pretpostavku kapaciteta baterije od 100 Ahr, gruba procjena prihvatljive pogreške integracije.
Pogreška od 4 A proizvest će 100% pogrešaka u danu ili pogreška od 0,4 A proizvest će 10% pogrešaka u danu.
Pogreška od 4/7 A proizvest će 100% pogrešaka unutar tjedan dana ili pogreška od 60 mA proizvest će 10% pogrešaka unutar tjedan dana.
Pogreška od 4/28 A proizvest će pogrešku od 100% u mjesec dana ili će pogreška od 15mA proizvesti pogrešku od 10% u mjesec dana, što je vjerojatno najbolje mjerenje koje se može očekivati bez ponovne kalibracije zbog punjenja ili skoro potpunog pražnjenja.
Sada pogledajmo shunt koji mjeri struju.Za 250 A, shunt od 1 m ohma bit će na visokoj strani i proizvodit će 62,5 W.Međutim, pri 15 mA proizvodit će samo 15 mikrovolta, koji će se izgubiti u pozadinskoj buci.Dinamički raspon je 250A/15mA = 17 000:1.Ako 14-bitni A/D pretvarač stvarno može "vidjeti" signal u šumu, pomaku i driftu, tada je potreban 14-bitni A/D pretvarač.Važan uzrok pomaka je pomak napona i petlje uzemljenja koji stvara termoelement.
U osnovi, ne postoji senzor koji može mjeriti struju u ovom dinamičkom rasponu.Senzori visoke struje potrebni su za mjerenje viših struja iz primjera vuče i punjenja, dok su senzori niske struje potrebni za mjerenje struja iz, na primjer, dodataka i bilo kojeg stanja nulte struje.Budući da senzor niske struje također "vidi" visoku struju, one ga ne mogu oštetiti ili pokvariti, osim zbog zasićenja.Ovo odmah izračunava struju shunta.
Rješenje
Vrlo prikladna obitelj senzora su strujni senzori s Hallovim efektom otvorene petlje.Ovi uređaji neće biti oštećeni visokim strujama i Raztec je razvio raspon senzora koji zapravo može mjeriti struje u miliamperskom rasponu kroz jedan vodič.prijenosna funkcija od 100 mV/AT je praktična, tako da će struja od 15 mA proizvesti korisnih 1,5 mV.upotrebom najboljeg dostupnog materijala jezgre također se može postići vrlo niska remanencija u rasponu od jednog miliampera.Na 100mV/AT, zasićenje će se dogoditi iznad 25 A.Niži programski dobitak naravno omogućuje veće struje.
Visoke struje se mjere pomoću konvencionalnih senzora velike struje.Prebacivanje s jednog senzora na drugi zahtijeva jednostavnu logiku.
Raztecov novi asortiman senzora bez jezgre izvrstan je izbor za senzore velike struje.Ovi uređaji nude izvrsnu linearnost, stabilnost i nultu histerezu.Lako se prilagođavaju širokom rasponu mehaničkih konfiguracija i strujnih raspona.Ovi uređaji su praktični upotrebom nove generacije senzora magnetskog polja s izvrsnim performansama.
Obje vrste senzora i dalje su korisne za upravljanje omjerima signala i šuma s vrlo visokim dinamičkim rasponom potrebnih struja.
Međutim, ekstremna točnost bila bi suvišna jer sama baterija nije točan kulonski brojač.Pogreška od 5% između punjenja i pražnjenja tipična je za baterije kod kojih postoje daljnje nedosljednosti.Imajući ovo na umu, može se koristiti relativno jednostavna tehnika koja koristi osnovni model baterije.Model može uključivati napon priključka bez opterećenja u odnosu na kapacitet, napon punjenja u odnosu na kapacitet, otpore pražnjenja i punjenja koji se mogu mijenjati s kapacitetom i ciklusima punjenja/pražnjenja.Potrebno je uspostaviti odgovarajuće izmjerene vremenske konstante napona kako bi se prilagodile vremenske konstante napona pražnjenja i oporavka.
Značajna prednost kvalitetnih litijevih baterija je ta što gube vrlo malo kapaciteta pri visokim brzinama pražnjenja.Ova činjenica pojednostavljuje izračune.Također imaju vrlo nisku struju curenja.Propuštanje sustava može biti veće.
Ova tehnika omogućuje procjenu stanja napunjenosti unutar nekoliko postotnih bodova stvarnog preostalog kapaciteta nakon uspostavljanja odgovarajućih parametara, bez potrebe za brojanjem kulona.Baterija postaje kulonov brojač.
Izvori grešaka unutar trenutnog senzora
Kao što je gore spomenuto, pogreška pomaka je kritična za kulometrijsko brojanje i potrebno je osigurati unutar SOC monitora kalibraciju pomaka senzora na nulu u uvjetima nulte struje.To je obično moguće samo tijekom tvorničke instalacije.Međutim, mogu postojati sustavi koji određuju nultu struju i stoga omogućuju automatsko ponovno kalibriranje pomaka.Ovo je idealna situacija jer se može prilagoditi zanošenju.
Nažalost, sve tehnologije senzora proizvode toplinski pomak, a trenutni senzori nisu iznimka.Sada možemo vidjeti da je to kritična kvaliteta.Korištenjem kvalitetnih komponenti i pažljivog dizajna u Raztecu, razvili smo niz toplinski stabilnih strujnih senzora s rasponom pomaka od <0,25 mA/K.Za promjenu temperature od 20 K, to može proizvesti maksimalnu pogrešku od 5 mA.
Još jedan uobičajeni izvor pogreške kod strujnih senzora koji uključuju magnetski krug je pogreška histereze uzrokovana preostalim magnetizmom.To je često do 400 mA, što takve senzore čini neprikladnim za nadzor baterije.Odabirom najboljeg magnetskog materijala, Raztec je smanjio tu kvalitetu na 20 mA i ova se pogreška zapravo smanjila tijekom vremena.Ako je potrebna manja pogreška, demagnetizacija je moguća, ali dodaje znatnu složenost.
Manja pogreška je pomak kalibracije funkcije prijenosa s temperaturom, ali za senzore mase taj je učinak puno manji od pomaka performansi ćelije s temperaturom.
Najbolji pristup procjeni SOC-a je korištenje kombinacije tehnika kao što su stabilni naponi praznog hoda, naponi ćelija kompenzirani IXR-om, kulometrijska brojanja i temperaturna kompenzacija parametara.Na primjer, dugoročne pogreške integracije mogu se zanemariti procjenom SOC-a za napone baterije bez opterećenja ili niskog opterećenja.
Vrijeme objave: 9. kolovoza 2022