Procjena stanja napunjenosti (SOC) litijumske baterije je tehnički teška, posebno u aplikacijama gdje baterija nije potpuno napunjena ili potpuno ispražnjena.Takve primjene su hibridna električna vozila (HEV).Izazov proizlazi iz vrlo ravnih karakteristika naponskog pražnjenja litijumskih baterija.Napon se jedva mijenja od 70% SOC do 20% SOC.Zapravo, varijacija napona zbog promjena temperature je slična varijaciji napona uslijed pražnjenja, tako da ako se SOC treba izvesti iz napona, temperatura ćelije mora biti kompenzirana.
Drugi izazov je da je kapacitet baterije određen kapacitetom ćelije najmanjeg kapaciteta, tako da SOC ne treba suditi na osnovu terminalnog napona ćelije, već na osnovu terminalnog napona 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 teče?Ovo je poznato kao kulometrijsko brojanje i zvuči dovoljno jednostavno, ali postoji mnogo poteškoća s ovom metodom.
Baterijenisu savršene baterije.Nikada ne vraćaju ono što ste u njih uložili.Postoji struja curenja tokom punjenja, koja varira u zavisnosti od temperature, brzine punjenja, stanja napunjenosti i starenja.
Kapacitet baterije takođe varira nelinearno sa brzinom pražnjenja.Što je brže pražnjenje, manji je kapacitet.Od pražnjenja od 0,5C do pražnjenja od 5C, smanjenje može biti čak 15%.
Baterije imaju znatno veću struju curenja na višim temperaturama.Unutarnje ćelije u bateriji mogu raditi toplije od vanjskih ćelija, tako da će curenje ćelija kroz bateriju biti nejednako.
Kapacitet je takođe funkcija temperature.Neke litijumske hemikalije su pogođene više od drugih.
Da bi se kompenzirala ova nejednakost, balansiranje ćelija se koristi unutar baterije.Ova dodatna struja curenja nije mjerljiva izvan baterije.
Kapacitet baterije se stalno smanjuje tokom životnog veka ćelije i tokom vremena.
Bilo koji mali pomak u trenutnom mjerenju će biti integriran i tokom vremena može postati veliki broj, ozbiljno utječući na tačnost SOC-a.
Sve gore navedeno će dovesti do odstupanja u preciznosti tokom vremena osim ako se ne izvrši redovna kalibracija, ali to je moguće samo kada je baterija skoro prazna ili skoro puna.U HEV aplikacijama najbolje je držati bateriju na približno 50% napunjenosti, tako da je jedan mogući način pouzdane korekcije točnosti mjerenja periodično punjenje baterije u potpunosti.Čista električna vozila se redovno pune do kraja ili skoro do kraja, tako da mjerenje na osnovu kulometrijskog brojanja može biti vrlo precizno, posebno ako se kompenziraju drugi problemi s baterijom.
Ključ za dobru tačnost u kulometrijskom brojanju je dobra detekcija struje u širokom dinamičkom rasponu.
Tradicionalna metoda mjerenja struje je za nas šant, ali ove metode opadaju kada su uključene veće (250A+) struje.Zbog potrošnje energije, šant mora biti malog otpora.Šantovi 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 zove dinamički raspon.
Uz pretpostavku kapaciteta baterije od 100 Ah, gruba procjena prihvatljive greške integracije.
Greška od 4 A proizvešće 100% grešaka u jednom danu ili greška od 0,4A će proizvesti 10% grešaka u danu.
Greška od 4/7A će proizvesti 100% grešaka u roku od nedelju dana ili greška od 60mA će proizvesti 10% grešaka u roku od nedelju dana.
Greška od 4/28A će proizvesti grešku od 100% za mesec dana ili greška od 15mA će proizvesti grešku od 10% za mesec dana, što je verovatno najbolje merenje koje se može očekivati bez ponovne kalibracije zbog punjenja ili skoro potpunog pražnjenja.
Pogledajmo sada šant koji mjeri struju.Za 250A, šant od 1m oma će biti na visokoj strani i proizvoditi 62,5W.Međutim, pri 15mA će proizvesti samo 15 mikrovolti, koji će se izgubiti u pozadinskoj buci.Dinamički raspon je 250A/15mA = 17.000:1.Ako 14-bitni A/D konvertor zaista može da "vidi" signal u šumu, ofsetu i driftu, onda je potreban 14-bitni A/D pretvarač.Važan uzrok ofseta je pomak napona i petlje uzemljenja koji generiše termoelement.
U osnovi, ne postoji senzor koji može mjeriti struju u ovom dinamičkom rasponu.Senzori velike struje su potrebni za mjerenje većih struja iz primjera vuče i punjenja, dok su senzori niske struje potrebni za mjerenje struja iz, na primjer, pribora i bilo kojeg stanja nulte struje.Budući da niskostrujni senzor također "vidi" visoku struju, oni ga ne mogu oštetiti ili pokvariti, osim zbog zasićenja.Ovo odmah izračunava struju šanta.
Rješenje
Veoma pogodna porodica senzora su senzori struje sa Holovim efektom otvorene petlje.Ovi uređaji neće biti oštećeni visokim strujama i Raztec je razvio opseg senzora koji zapravo može mjeriti struje u opsegu miliampera kroz jedan provodnik.prijenosna funkcija od 100mV/AT je praktična, tako da će struja od 15mA proizvesti upotrebljivih 1,5mV.korištenjem najboljeg dostupnog materijala jezgre, također se može postići vrlo niska remanencija u rasponu od jednog miliampera.Pri 100mV/AT, zasićenje će se dogoditi iznad 25 A.Manje programsko pojačanje naravno omogućava veće struje.
Velike struje se mjere pomoću konvencionalnih visokostrujnih senzora.Prebacivanje s jednog senzora na drugi zahtijeva jednostavnu logiku.
Raztec-ov novi asortiman senzora bez jezgre odličan je izbor za senzore velike struje.Ovi uređaji nude odličnu linearnost, stabilnost i nultu histerezu.Lako se prilagođavaju širokom rasponu mehaničkih konfiguracija i strujnih raspona.Ovi uređaji su praktični upotrebom nove generacije senzora magnetnog polja sa odličnim performansama.
Oba tipa senzora ostaju korisna za upravljanje omjerom signal-šum s vrlo visokim dinamičkim rasponom potrebnih struja.
Međutim, ekstremna preciznost bi bila suvišna jer sama baterija nije precizan brojač kulona.Greška od 5% između punjenja i pražnjenja tipična je za baterije kod kojih postoje dodatne nedosljednosti.Imajući ovo na umu, može se koristiti relativno jednostavna tehnika koja koristi osnovni model baterije.Model može uključivati napon terminala praznog hoda prema kapacitetu, napon punjenja u odnosu na kapacitet, otpor pražnjenja i punjenja koji se može modificirati s kapacitetom i ciklusima punjenja/pražnjenja.Potrebno je uspostaviti odgovarajuće izmjerene vremenske konstante napona kako bi se prilagodile vremenske konstante napona iscrpljivanja i oporavka.
Značajna prednost kvalitetnih litijumskih baterija je da gube vrlo mali kapacitet pri visokim brzinama pražnjenja.Ova činjenica pojednostavljuje proračune.Takođe imaju veoma nisku struju curenja.Curenje iz sistema može biti veće.
Ova tehnika omogućava procjenu stanja napunjenosti unutar nekoliko procentnih poena stvarnog preostalog kapaciteta nakon uspostavljanja odgovarajućih parametara, bez potrebe za brojanjem kulona.Baterija postaje brojač kulona.
Izvori greške unutar trenutnog senzora
Kao što je gore pomenuto, greška pomaka je kritična za kulometrijski broj i treba da se obezbedi u okviru SOC monitora da se pomak senzora kalibriše na nulu u uslovima nulte struje.Ovo je obično izvodljivo samo tokom fabričke instalacije.Međutim, mogu postojati sistemi koji određuju nultu struju i stoga omogućavaju automatsku rekalibraciju pomaka.Ovo je idealna situacija jer se drift može prilagoditi.
Nažalost, sve tehnologije senzora proizvode termički pomak, a strujni senzori nisu izuzetak.Sada možemo vidjeti da je to kritična kvaliteta.Koristeći kvalitetne komponente i pažljiv dizajn u Raztecu, razvili smo niz termički stabilnih strujnih senzora sa rasponom pomaka od <0,25mA/K.Za promjenu temperature od 20K, ovo može proizvesti maksimalnu grešku od 5mA.
Još jedan uobičajeni izvor greške kod strujnih senzora koji uključuju magnetsko kolo je greška histereze uzrokovana remanentnim magnetizmom.To je često do 400mA, što takve senzore čini neprikladnim za praćenje baterije.Odabirom najboljeg magnetskog materijala, Raztec je smanjio ovu kvalitetu na 20mA i ova greška se zapravo smanjila tokom vremena.Ako je potrebna manja greška, demagnetizacija je moguća, ali dodaje značajnu složenost.
Manja greška je drift kalibracije funkcije prijenosa s temperaturom, ali za senzore mase ovaj efekat je mnogo manji od pomaka performansi ćelije s temperaturom.
Najbolji pristup procjeni SOC-a je korištenje kombinacije tehnika kao što su stabilni naponi bez opterećenja, naponi ćelije kompenzirani IXR-om, kulometrijski broj i temperaturna kompenzacija parametara.Na primjer, dugoročne greške integracije mogu se zanemariti procjenom SOC-a za napone baterije bez opterećenja ili niskog opterećenja.
Vrijeme objave: 09.08.2022