Въведение в измервателите на батерията

Въведение в измервателите на батерията

1.1 Запознаване с функциите на електромера

Управлението на батерията може да се разглежда като част от управлението на захранването. При управлението на батерията електромерът отговаря за оценката на капацитета на батерията. Основната му функция е да следи напрежението, тока на зареждане/разреждане и температурата на батерията и да оценява състоянието на зареждане (SOC) и пълния капацитет на зареждане (FCC) на батерията. Има два типични метода за оценка на състоянието на заряд на батерия: методът на напрежението на отворена верига (OCV) и методът на измерване на Кулон. Друг метод е алгоритъмът за динамично напрежение, проектиран от RICHTEK.

1.2 Метод на напрежението на отворена верига

Методът за внедряване на използване на метод за напрежение на отворена верига за електромер е сравнително лесен и може да се получи чрез проверка на съответното състояние на заряд на напрежението на отворена верига. Предполагаемото условие за напрежение на отворена верига е напрежението на клемите на батерията, когато батерията е в покой за около 30 минути.

Кривата на напрежението на батерията варира в зависимост от натоварването, температурата и стареенето на батерията. Следователно волтметър с фиксирана отворена верига не може напълно да представи състоянието на заряд; Не е възможно да се оцени нивото на зареждане само чрез търсене на таблици. С други думи, ако състоянието на зареждане се оценява единствено чрез търсене в таблица, грешката ще бъде значителна.

Следната фигура показва, че при едно и също напрежение на батерията има значителна разлика в нивото на зареждане, получено чрез метода на напрежението на отворена верига.

        Фигура 5. Напрежение на батерията при условия на зареждане и разреждане

Както е показано на фигурата по-долу, има също значителна разлика в състоянието на заряд при различни натоварвания по време на разреждане. Така че основно методът за напрежение на отворена верига е подходящ само за системи с ниски изисквания за точност за състоянието на зареждане, като автомобили, използващи оловно-киселинни батерии или непрекъсваеми захранвания.

            Фигура 2. Напрежение на батерията при различни натоварвания по време на разреждане

1.3 Кулонова метрология

Принципът на работа на Coulomb метрологията е да се свърже резистор за откриване на пътя за зареждане/разреждане на батерията. ADC измерва напрежението на резистора за откриване и го преобразува в текущата стойност на батерията, която се зарежда или разрежда. Броячът в реално време (RTC) осигурява интегриране на текущата стойност с времето, за да се определи колко кулони протичат.

               Фигура 3. Основен режим на работа на метода за измерване на Кулон

Кулоновата метрология може точно да изчисли състоянието на заряд в реално време по време на процеса на зареждане или разреждане. Чрез използване на зареждащ кулонов брояч и разреждащ се кулонов брояч, той може да изчисли оставащия електрически капацитет (RM) и пълния капацитет на зареждане (FCC). В същото време оставащият капацитет на зареждане (RM) и напълно зареденият капацитет (FCC) също могат да се използват за изчисляване на състоянието на зареждане, т.е. (SOC=RM/FCC). В допълнение, той може също да оцени оставащото време, като изчерпване на мощността (TTE) и презареждане на мощността (TTF).

                    Фигура 4. Формула за изчисление за Кулонова метрология

Има два основни фактора, които причиняват отклонението на точността на метрологията на Кулон. Първият е натрупването на компенсиращи грешки при отчитане на ток и измерване на ADC. Въпреки че грешката на измерване е сравнително малка с настоящата технология, без добър метод за отстраняването й, тази грешка ще се увеличи с времето. Следващата фигура показва, че при практически приложения, ако няма корекция в продължителността на времето, натрупаната грешка е неограничена.

              Фигура 5. Натрупана грешка на метода за измерване на Кулон

За да се премахнат кумулативните грешки, има три възможни времеви точки, които могат да се използват по време на нормална работа на батерията: Край на зареждането (EOC), Край на разреждането (EOD) и Почивка (Релакс). Когато условието за край на зареждането е изпълнено, това показва, че батерията е напълно заредена и състоянието на заряд (SOC) трябва да бъде 100%. Условието за край на разреждането показва, че батерията е напълно разредена и състоянието на заряд (SOC) трябва да бъде 0%; Това може да бъде абсолютна стойност на напрежението или може да варира в зависимост от товара. Когато достигне състояние на покой, батерията не е нито заредена, нито разредена и остава в това състояние за дълъг период от време. Ако потребителят иска да използва състоянието на покой на батерията, за да коригира грешката на кулонометричния метод, в този момент трябва да се използва волтметър с отворена верига. Следната фигура показва, че грешката в състоянието на зареждане може да бъде коригирана в горните състояния.

            Фигура 6. Условия за елиминиране на натрупаните грешки в кулоновата метрология

Вторият основен фактор, причиняващ отклонението на точността на метрологията на Кулон, е грешката за пълен капацитет на зареждане (FCC), която е разликата между проектирания капацитет на батерията и истинския капацитет на пълно зареждане на батерията. Напълно зареденият капацитет (FCC) се влияе от фактори като температура, стареене и натоварване. Следователно методите за повторно обучение и компенсация за напълно зареден капацитет са от решаващо значение за кулоновата метрология. Следващата фигура показва феномена на тенденцията на грешка в състоянието на зареждане, когато напълно зареденият капацитет е надценен и подценен.

             Фигура 7: Тенденция на грешките, когато напълно зареденият капацитет е надценен и подценен

1.4 Електромер с алгоритъм на динамично напрежение

Алгоритъмът за динамично напрежение може да изчисли състоянието на заряд на литиева батерия въз основа единствено на напрежението на батерията. Този метод оценява нарастването или намаляването на състоянието на заряд въз основа на разликата между напрежението на батерията и напрежението на отворена верига на батерията. Информацията за динамичното напрежение може ефективно да симулира поведението на литиевите батерии и да определи състоянието на заряд (SOC) (%), но този метод не може да оцени стойността на капацитета на батерията (mAh).

Неговият метод за изчисление се основава на динамичната разлика между напрежението на батерията и напрежението на отворена верига и оценява състоянието на заряд чрез използване на итеративни алгоритми за изчисляване на всяко увеличение или намаляване на състоянието на заряд. В сравнение с решението на електромерите по метода на Кулон, електромерите с динамичен алгоритъм на напрежение не натрупват грешки във времето и тока. Кулоновите измервателни уреди често имат неточна оценка на състоянието на зареждане поради грешки в отчитането на тока и саморазреждане на батерията. Дори ако текущата грешка при отчитане е много малка, броячът на Кулон ще продължи да натрупва грешки, които могат да бъдат елиминирани само след пълно зареждане или разреждане.

Алгоритъмът за динамично напрежение се използва за оценка на състоянието на зареждане на батерия въз основа единствено на информация за напрежението; Тъй като не се оценява въз основа на текущата информация за батерията, няма натрупване на грешки. За да подобри точността на състоянието на зареждане, алгоритъмът за динамично напрежение трябва да използва действително устройство, за да коригира параметрите на оптимизиран алгоритъм въз основа на действителната крива на напрежението на батерията при напълно заредени и напълно разредени условия.

     Фигура 8. Изпълнение на алгоритъма за динамично напрежение за електромер и оптимизиране на усилването

Следва представянето на алгоритъма за динамично напрежение при различни условия на скорост на разреждане по отношение на състоянието на заряд. Както е показано на фигурата, точността на състоянието на зареждане е добра. Независимо от условията на разреждане на C/2, C/4, C/7 и C/10, общата грешка на заряда на този метод е по-малка от 3%.

      Фигура 9. Изпълнение на състоянието на заряд на алгоритъма за динамично напрежение при различни условия на скорост на разреждане

Следната фигура показва състоянието на зареждане на батерията при условия на кратко зареждане и кратко разреждане. Грешката на състоянието на заряд все още е много малка, а максималната грешка е само 3%.

       Фигура 10. Изпълнение на състоянието на заряд на алгоритъма за динамично напрежение в случай на кратко зареждане и кратко разреждане на батерии

В сравнение с метода на измерване на Кулон, който обикновено води до неточно състояние на зареждане поради грешки при отчитане на тока и саморазреждане на батерията, алгоритъмът за динамично напрежение не натрупва грешки във времето и тока, което е основно предимство. Поради липсата на информация за токовете на зареждане/разреждане, алгоритъмът за динамично напрежение има лоша краткосрочна точност и бавно време за реакция. Освен това не може да оцени пълния капацитет на зареждане. Въпреки това, той се представя добре по отношение на дългосрочна точност, тъй като напрежението на батерията в крайна сметка директно отразява нейното състояние на зареждане.