Introduktion til batterimålere

Introduktion til batterimålere

1.1 Introduktion til elmålerens funktioner

Batteristyring kan betragtes som en del af strømstyring. I batteristyring er elmåleren ansvarlig for at estimere batterikapaciteten. Dens grundlæggende funktion er at overvåge spænding, lade-/afladningsstrøm og batteritemperatur og vurdere batteriets ladetilstand (SOC) og fuld opladningskapacitet (FCC). Der er to typiske metoder til at estimere ladetilstanden for et batteri: den åbne kredsløbsspændingsmetode (OCV) og den Coulombiske målemetode. En anden metode er den dynamiske spændingsalgoritme designet af RICHTEK.

1.2 Åben kredsløbsspændingsmetode

Implementeringsmetoden til at bruge en åben kredsløbsspændingsmetode til en elmåler er relativt nem og kan opnås ved at kontrollere den tilsvarende ladetilstand for åben kredsløbsspændingen. Den forudsatte betingelse for åben kredsløbsspænding er batteripolspændingen, når batteriet hviler i ca. 30 minutter.

Batteriets spændingskurve varierer afhængigt af belastning, temperatur og ældning af batteriet. Derfor kan et fast åbent kredsløb Voltmeter ikke fuldt ud repræsentere ladningstilstanden; Det er ikke muligt at estimere ladetilstanden alene ved at slå tabeller op. Med andre ord, hvis ladetilstanden estimeres udelukkende ved at slå en tabel op, vil fejlen være betydelig.

Følgende figur viser, at der under den samme batterispænding er en betydelig forskel i ladetilstanden opnået gennem åben kredsløbsspændingsmetoden.

        Figur 5. Batterispænding under opladnings- og afladningsforhold

Som det fremgår af nedenstående figur, er der også en væsentlig forskel i ladetilstanden under forskellige belastninger under afladning. Så grundlæggende er åben kredsløbsspændingsmetoden kun egnet til systemer med lave nøjagtighedskrav til opladningstilstand, såsom biler, der bruger bly-syre-batterier eller uafbrydelige strømforsyninger.

            Figur 2. Batterispænding under forskellige belastninger under afladning

1.3 Coulombisk metrologi

Driftsprincippet for Coulomb-metrologi er at forbinde en detektionsmodstand på batteriets opladnings-/afladningsvej. ADC måler spændingen på detekteringsmodstanden og konverterer den til den aktuelle værdi af batteriet, der oplades eller aflades. Realtidstæller (RTC) giver integration af den aktuelle værdi med tiden for at bestemme, hvor mange Coulombs der flyder.

               Figur 3. Grundlæggende arbejdsmetode for Coulomb målemetode

Coulombic metrologi kan nøjagtigt beregne opladningstilstanden i realtid under opladning eller afladning. Ved at bruge en opladnings-Coulomb-tæller og en afladende Coulomb-tæller kan den beregne den resterende elektriske kapacitet (RM) og den fulde opladningskapacitet (FCC). Samtidig kan den resterende ladekapacitet (RM) og fuldt opladet kapacitet (FCC) også bruges til at beregne ladetilstanden, dvs. (SOC=RM/FCC). Derudover kan den også estimere den resterende tid, såsom strømsvigt (TTE) og strømgenopladning (TTF).

                    Figur 4. Beregningsformel for Coulomb Metrologi

Der er to hovedfaktorer, der forårsager nøjagtighedsafvigelsen af ​​Coulomb-metrologi. Den første er akkumuleringen af ​​offset-fejl i strømregistrering og ADC-måling. Selvom målefejlen er relativt lille med den nuværende teknologi, uden en god metode til at eliminere den, vil denne fejl stige over tid. Følgende figur viser, at i praktiske applikationer, hvis der ikke er nogen korrektion i varigheden af ​​tiden, er den akkumulerede fejl ubegrænset.

              Figur 5. Akkumuleret fejl af Coulomb målemetode

For at eliminere kumulative fejl er der tre mulige tidspunkter, der kan bruges under normal batteridrift: End of Charge (EOC), End of Discharge (EOD) og Rest (Relax). Når opladningsslutbetingelsen er opfyldt, indikerer det, at batteriet er fuldt opladet, og ladetilstanden (SOC) skal være 100 %. Sluttilstanden for afladning angiver, at batteriet er helt afladet, og ladetilstanden (SOC) skal være 0 %; Det kan være en absolut spændingsværdi, eller den kan variere med belastningen. Når det når en hviletilstand, bliver batteriet hverken opladet eller afladet, og det forbliver i denne tilstand i lang tid. Hvis brugeren ønsker at bruge batterihviletilstanden til at rette fejlen i den kulometriske metode, skal der bruges et åbent kredsløb Voltmeter på dette tidspunkt. Følgende figur viser, at ladetilstandsfejlen kan rettes i ovenstående tilstande.

            Figur 6. Betingelser for eliminering af akkumulerede fejl i coulombisk metrologi

Den anden hovedfaktor, der forårsager nøjagtighedsafvigelsen af ​​Coulomb-metrologi, er FCC-fejlen (Full Charge Capacity), som er forskellen mellem batteriets konstruerede kapacitet og batteriets sande fulde opladningskapacitet. Den fuldt opladede kapacitet (FCC) er påvirket af faktorer som temperatur, aldring og belastning. Derfor er genlærings- og kompensationsmetoderne for fuldt opladet kapacitet afgørende for Coulombic metrologi. Følgende figur viser trendfænomenet ladetilstandsfejl, når den fuldt opladede kapacitet er overvurderet og undervurderet.

             Figur 7: Fejltendens, når fuldt opladet kapacitet er overvurderet og undervurderet

1.4 Dynamisk spændingsalgoritme elmåler

Den dynamiske spændingsalgoritme kan beregne ladetilstanden for et lithiumbatteri udelukkende baseret på batterispændingen. Denne metode estimerer stigningen eller reduktionen af ​​ladetilstanden baseret på forskellen mellem batterispændingen og batteriets åbent kredsløb. Den dynamiske spændingsinformation kan effektivt simulere opførselen af ​​lithiumbatterier og bestemme ladetilstanden (SOC) (%), men denne metode kan ikke estimere batterikapacitetsværdien (mAh).

Dens beregningsmetode er baseret på den dynamiske forskel mellem batterispænding og åben kredsløbsspænding og estimerer ladetilstanden ved at bruge iterative algoritmer til at beregne hver stigning eller fald i ladetilstanden. Sammenlignet med løsningen af ​​Coulomb-metodens elmålere, akkumulerer elmålere med dynamisk spændingsalgoritme ikke fejl over tid og strøm. Coulombiske målemålere har ofte unøjagtige estimeringer af ladetilstanden på grund af strømfølingsfejl og selvafladning af batteriet. Selvom den aktuelle registreringsfejl er meget lille, vil Coulomb-tælleren fortsætte med at akkumulere fejl, som kun kan elimineres efter fuldstændig opladning eller afladning.

Den dynamiske spændingsalgoritme bruges til at estimere ladetilstanden for et batteri udelukkende baseret på spændingsinformation; Fordi det ikke er estimeret baseret på den aktuelle information om batteriet, er der ingen ophobning af fejl. For at forbedre nøjagtigheden af ​​ladetilstanden skal den dynamiske spændingsalgoritme bruge en faktisk enhed til at justere parametrene for en optimeret algoritme baseret på den faktiske batterispændingskurve under fuldt opladede og fuldt afladede forhold.

     Figur 8. Ydelse af dynamisk spændingsalgoritme for elmåler og forstærkningsoptimering

Følgende er ydeevnen af ​​den dynamiske spændingsalgoritme under forskellige afladningshastighedsforhold med hensyn til ladningstilstand. Som vist på figuren er dens ladetilstands nøjagtighed god. Uanset udledningsbetingelserne for C/2, C/4, C/7 og C/10 er den overordnede ladningsfejl for denne metode mindre end 3%.

      Figur 9. Ydeevne for ladetilstanden for den dynamiske spændingsalgoritme under forskellige afladningshastighedsbetingelser

Følgende figur viser batteriets ladetilstand under kort opladning og kort afladning. Fejlen i ladetilstanden er stadig meget lille, og den maksimale fejl er kun 3%.

       Figur 10. Ydeevne for ladetilstanden af ​​den dynamiske spændingsalgoritme i tilfælde af kort opladning og kort afladning af batterier

Sammenlignet med Coulomb-målemetoden, som normalt resulterer i unøjagtig opladningstilstand på grund af strømregistreringsfejl og batteriets selvafladning, akkumulerer den dynamiske spændingsalgoritme ikke fejl over tid og strøm, hvilket er en stor fordel. På grund af manglen på information om lade-/afladningsstrømme har den dynamiske spændingsalgoritme dårlig kortsigtet nøjagtighed og langsom responstid. Desuden kan den ikke estimere den fulde ladekapacitet. Den klarer sig dog godt med hensyn til langsigtet nøjagtighed, da batterispændingen i sidste ende direkte afspejler dens ladetilstand.