Вступ до лічильників батареї

Вступ до лічильників батареї

1.1 Ознайомлення з функціями лічильника електроенергії

Керування батареєю можна розглядати як частину керування живленням. При управлінні батареєю лічильник електроенергії відповідає за оцінку ємності батареї. Його основною функцією є моніторинг напруги, зарядного/розрядного струму та температури акумулятора, а також оцінка стану заряду (SOC) і повної зарядної ємності (FCC) акумулятора. Існує два типові методи оцінки стану заряду батареї: метод напруги холостого ходу (OCV) і метод вимірювання Кулона. Іншим методом є алгоритм динамічної напруги, розроблений RICHTEK.

1.2 Метод напруги холостого ходу

Спосіб реалізації використання методу напруги холостого ходу для лічильника електроенергії відносно простий і може бути отриманий шляхом перевірки відповідного стану заряду напруги холостого ходу. Передбачуваною умовою напруги розімкнутого ланцюга є напруга на клемах батареї, коли батарея знаходиться в стані спокою протягом приблизно 30 хвилин.

Крива напруги батареї змінюється залежно від навантаження, температури та старіння батареї. Таким чином, вольтметр із фіксованим відкритим ланцюгом не може повністю відобразити стан заряду; Неможливо оцінити стан заряду, лише переглядаючи таблиці. Іншими словами, якщо стан заряду оцінюється виключно за допомогою таблиці, помилка буде значною.

Наступний малюнок показує, що за однакової напруги батареї існує значна різниця в стані заряду, отриманому методом напруги розімкнутого ланцюга.

        Малюнок 5. Напруга батареї в умовах зарядки та розрядки

Як показано на малюнку нижче, також існує значна різниця в стані заряду при різних навантаженнях під час розряду. Отже, в основному метод напруги холостого ходу підходить лише для систем із низькими вимогами до точності стану заряду, наприклад автомобілів, які використовують свинцево-кислотні батареї або джерела безперебійного живлення.

            Рисунок 2. Напруга батареї при різних навантаженнях під час розряду

1.3 Кулонівська метрологія

Принцип роботи кулонівської метрології полягає в підключенні резистора виявлення до шляху заряджання/розряджання батареї. АЦП вимірює напругу на резисторі виявлення і перетворює його в поточне значення акумулятора, який заряджається або розряджається. Лічильник реального часу (RTC) забезпечує інтеграцію поточного значення з часом, щоб визначити, скільки кулонів тече.

               Рисунок 3. Основний режим роботи кулонівського методу вимірювання

Кулонівська метрологія може точно розрахувати стан заряду в реальному часі під час процесу заряджання або розряджання. Використовуючи зарядний лічильник Кулона та розрядний лічильник Кулона, він може обчислити залишкову електричну ємність (RM) і повну зарядну ємність (FCC). Водночас для розрахунку стану заряду також можна використовувати залишкову ємність (RM) і повністю заряджену ємність (FCC), тобто (SOC=RM/FCC). Крім того, він також може оцінити час, що залишився, як-от виснаження заряду (TTE) і відновлення заряду (TTF).

                    Рисунок 4. Формула розрахунку для кулонівської метрології

Є два основні фактори, які спричиняють відхилення точності кулонівської метрології. По-перше, це накопичення помилок зсуву під час визначення струму та вимірювання АЦП. Незважаючи на те, що похибка вимірювання порівняно мала за сучасних технологій, без належного методу її усунення ця похибка з часом зростатиме. Наступний малюнок показує, що в практичних застосуваннях, якщо немає корекції тривалості часу, накопичена помилка є необмеженою.

              Рисунок 5. Накопичена похибка кулонівського методу вимірювання

Щоб усунути сукупні помилки, існує три можливі моменти часу, які можна використовувати під час нормальної роботи акумулятора: кінець заряду (EOC), кінець розряду (EOD) і відпочинок (розслаблення). Коли умова завершення заряджання виконується, це означає, що акумулятор повністю заряджено, а стан заряду (SOC) має бути 100%. Умова закінчення розряду вказує на те, що батарея повністю розряджена, а стан заряду (SOC) має бути 0%; Це може бути абсолютне значення напруги або воно може змінюватися залежно від навантаження. При досягненні стану спокою акумулятор не заряджається і не розряджається і залишається в цьому стані протягом тривалого часу. Якщо користувач бажає використати стан заряду батареї, щоб виправити помилку кулонометричного методу, у цей час необхідно використовувати вольтметр із відкритим ланцюгом. На наступному малюнку показано, що помилку стану заряду можна виправити в наведених вище станах.

            Малюнок 6. Умови усунення накопичених помилок у кулонівській метрології

Другим основним фактором, що спричиняє відхилення точності метрології Кулона, є помилка повної ємності заряду (FCC), яка є різницею між проектною ємністю батареї та справжньою ємністю повного заряду батареї. Повністю заряджена ємність (FCC) залежить від таких факторів, як температура, старіння та навантаження. Тому методи повторного навчання та компенсації для повністю зарядженої ємності є вирішальними для кулоновської метрології. На наступному малюнку показано тенденцію явища помилки стану заряду, коли повністю заряджена ємність переоцінюється або занижується.

             Малюнок 7: Тенденція помилки, коли повністю заряджена ємність переоцінена або занижена

1.4 Алгоритм динамічної напруги електролічильника

Алгоритм динамічної напруги може обчислити стан заряду літієвої батареї виключно на основі напруги батареї. Цей метод оцінює приріст або зменшення рівня заряду на основі різниці між напругою батареї та напругою холостого ходу батареї. Інформація про динамічну напругу може ефективно моделювати поведінку літієвих батарей і визначати стан заряду (SOC) (%), але цей метод не може оцінити значення ємності акумулятора (мАг).

Його метод розрахунку базується на динамічній різниці між напругою батареї та напругою розімкнутого ланцюга та оцінює стан заряду за допомогою ітераційних алгоритмів для розрахунку кожного підвищення або зменшення рівня заряду. У порівнянні з рішенням лічильників електроенергії за методом Кулона, лічильники електроенергії з алгоритмом динамічної напруги не накопичують помилки з часом і струмом. Кулонівські вимірювальні прилади часто мають неточну оцінку стану заряду через помилки визначення струму та саморозрядження батареї. Навіть якщо поточна похибка визначення дуже мала, лічильник Кулона продовжуватиме накопичувати похибки, які можна усунути лише після повної зарядки або розрядки.

Алгоритм динамічної напруги використовується для оцінки стану заряду батареї виключно на основі інформації про напругу; Оскільки вона не оцінюється на основі поточної інформації про акумулятор, немає накопичення помилок. Щоб підвищити точність стану заряду, алгоритму динамічної напруги потрібно використовувати фактичний пристрій для налаштування параметрів оптимізованого алгоритму на основі фактичної кривої напруги батареї за умов повністю зарядженого та повністю розрядженого.

     Рисунок 8. Продуктивність алгоритму динамічної напруги для лічильника електроенергії та оптимізація коефіцієнта підсилення

Нижче наведено продуктивність алгоритму динамічної напруги за різних умов швидкості розряду з точки зору стану заряду. Як показано на малюнку, точність стану заряду хороша. Незалежно від умов розряду C/2, C/4, C/7 і C/10, загальна похибка стану заряду цього методу становить менше 3%.

      Рисунок 9. Ефективність стану заряду алгоритму динамічної напруги за різних умов швидкості розряду

На наступному малюнку показано стан заряду акумулятора за умов короткого заряджання та короткого розряджання. Похибка стану заряду ще дуже мала, а максимальна похибка становить лише 3%.

       Рисунок 10. Ефективність стану заряду алгоритму динамічної напруги у випадку короткого заряду та короткого розряду акумуляторів

Порівняно з кулонівським методом вимірювання, який зазвичай призводить до неточного стану заряду через помилки визначення струму та саморозряд акумулятора, алгоритм динамічної напруги не накопичує помилки з часом і струмом, що є головною перевагою. Через відсутність інформації про струми зарядки/розрядки алгоритм динамічної напруги має низьку короткочасну точність і повільний час відгуку. Крім того, він не може оцінити повну зарядну ємність. Однак він добре працює з точки зору тривалої точності, оскільки напруга батареї безпосередньо відображає стан її заряду.