Estimering av ladetilstanden (SOC) til et litiumbatteri er teknisk vanskelig, spesielt i applikasjoner der batteriet ikke er fulladet eller helt utladet.Slike bruksområder er hybridelektriske kjøretøy (HEV).Utfordringen stammer fra de svært flate spenningsutladningsegenskapene til litiumbatterier.Spenningen endres knapt fra 70 % SOC til 20 % SOC.Faktisk er spenningsvariasjonen på grunn av temperaturendringer lik spenningsvariasjonen på grunn av utladning, så hvis SOC skal utledes fra spenningen, må celletemperaturen kompenseres for.
En annen utfordring er at batterikapasiteten bestemmes av kapasiteten til cellen med lavest kapasitet, så SOC bør ikke bedømmes ut fra terminalspenningen til cellen, men ut fra terminalspenningen til den svakeste cellen.Alt dette høres litt for vanskelig ut.Så hvorfor beholder vi ikke bare den totale mengden strøm som flyter inn i cellen og balanserer den med strømmen som flyter ut?Dette er kjent som coulometrisk telling og høres enkelt nok ut, men det er mange vanskeligheter med denne metoden.
Batterierer ikke perfekte batterier.De returnerer aldri det du putter i dem.Det er lekkasjestrøm under lading, som varierer med temperatur, ladehastighet, ladetilstand og aldring.
Kapasiteten til et batteri varierer også ikke-lineært med utladingshastigheten.Jo raskere utladning, jo lavere kapasitet.Fra en 0,5C-utladning til en 5C-utladning kan reduksjonen være så høy som 15%.
Batterier har en betydelig høyere lekkasjestrøm ved høyere temperaturer.De interne cellene i et batteri kan bli varmere enn de eksterne cellene, så cellelekkasjen gjennom batteriet vil være ulik.
Kapasiteten er også en funksjon av temperaturen.Noen litiumkjemikalier påvirkes mer enn andre.
For å kompensere for denne ulikheten, brukes cellebalansering i batteriet.Denne ekstra lekkasjestrømmen er ikke målbar utenfor batteriet.
Batterikapasiteten avtar jevnt over cellens levetid og over tid.
Enhver liten offset i gjeldende måling vil bli integrert og kan over tid bli et stort antall, noe som alvorlig påvirker nøyaktigheten til SOC.
Alt det ovennevnte vil resultere i en avvik i nøyaktigheten over tid med mindre regelmessig kalibrering utføres, men dette er bare mulig når batteriet er nesten utladet eller nesten fullt.I HEV-applikasjoner er det best å holde batteriet på omtrent 50 % ladning, så en mulig måte å pålitelig korrigere målingsnøyaktigheten på er å lade batteriet helt opp med jevne mellomrom.Rene elektriske kjøretøy lades regelmessig til full eller nesten full, så måling basert på kulometriske tellinger kan være svært nøyaktig, spesielt hvis andre batteriproblemer blir kompensert for.
Nøkkelen til god nøyaktighet i kulometrisk telling er god strømdeteksjon over et bredt dynamisk område.
Den tradisjonelle metoden for å måle strøm er for oss en shunt, men disse metodene faller ned når høyere (250A+) strømmer er involvert.På grunn av strømforbruket må shunten ha lav motstand.Lavmotstandshunter er ikke egnet for måling av lave (50mA) strømmer.Dette reiser umiddelbart det viktigste spørsmålet: hva er minimums- og maksimumsstrømmene som skal måles?Dette kalles det dynamiske området.
Forutsatt en batterikapasitet på 100Ahr, et grovt estimat av den akseptable integrasjonsfeilen.
En 4 Amp feil vil produsere 100 % av feilene på en dag, eller en 0,4A feil vil produsere 10 % av feilene på en dag.
En 4/7A feil vil produsere 100 % av feilene innen en uke, eller en 60mA feil vil produsere 10 % av feilene innen en uke.
En 4/28A feil vil gi en 100 % feil i løpet av en måned eller en 15mA feil vil gi en 10 % feil i løpet av en måned, som sannsynligvis er den beste målingen som kan forventes uten rekalibrering på grunn av lading eller nesten fullstendig utladning.
La oss nå se på shunten som måler strømmen.For 250A vil en 1m ohm shunt være på oversiden og produsere 62,5W.Ved 15mA vil den imidlertid bare produsere 15 mikrovolt, som vil gå tapt i bakgrunnsstøyen.Det dynamiske området er 250A/15mA = 17 000:1.Hvis en 14-bits A/D-omformer virkelig kan "se" signalet i støy, offset og drift, er det nødvendig med en 14-bits A/D-omformer.En viktig årsak til offset er spenningen og jordsløyfeforskyvningen generert av termoelementet.
I utgangspunktet er det ingen sensor som kan måle strøm i dette dynamiske området.Høystrømssensorer er nødvendig for å måle de høyere strømmene fra trekkraft- og ladeeksempler, mens lavstrømssensorer trengs for å måle strøm fra for eksempel tilbehør og eventuell nullstrømtilstand.Siden lavstrømssensoren også "ser" den høye strømmen, kan den ikke skades eller ødelegges av disse, bortsett fra metning.Dette beregner umiddelbart shuntstrømmen.
En løsning
En meget passende familie av sensorer er åpen sløyfe Hall effekt strømsensorer.Disse enhetene vil ikke bli skadet av høye strømmer og Raztec har utviklet en sensorserie som faktisk kan måle strømmer i milliamperekkevidden gjennom en enkelt leder.en overføringsfunksjon på 100mV/AT er praktisk, så en 15mA strøm vil gi en brukbar 1,5mV.ved å bruke det beste tilgjengelige kjernematerialet, kan også svært lav remanens i enkelt milliampere oppnås.Ved 100mV/AT vil metning forekomme over 25 Amp.Den lavere programmeringsforsterkningen tillater selvfølgelig høyere strømmer.
Høye strømmer måles ved bruk av konvensjonelle høystrømssensorer.Å bytte fra en sensor til en annen krever enkel logikk.
Raztecs nye utvalg av kjerneløse sensorer er et utmerket valg for høystrømssensorer.Disse enhetene tilbyr utmerket linearitet, stabilitet og null hysterese.De kan enkelt tilpasses et bredt spekter av mekaniske konfigurasjoner og strømområder.Disse enhetene er gjort praktiske ved bruk av en ny generasjon magnetfeltsensorer med utmerket ytelse.
Begge sensortypene er fortsatt fordelaktige for å håndtere signal-til-støy-forhold med det svært høye dynamiske området av strømmer som kreves.
Ekstrem nøyaktighet ville imidlertid være overflødig ettersom batteriet i seg selv ikke er en nøyaktig coulomb-teller.En feil på 5 % mellom lading og utlading er typisk for batterier der det er ytterligere inkonsekvenser.Med dette i tankene kan en relativt enkel teknikk ved bruk av en grunnleggende batterimodell brukes.Modellen kan inkludere tomgangsklemmespenning kontra kapasitet, ladespenning mot kapasitet, utladnings- og lademotstander som kan modifiseres med kapasitet og lade-/utladingssykluser.Egnede målte spenningstidskonstanter må etableres for å imøtekomme tidskonstantene for uttømming og gjenoppretting av spenning.
En betydelig fordel med litiumbatterier av god kvalitet er at de mister svært liten kapasitet ved høye utladningshastigheter.Dette faktum forenkler beregninger.De har også en veldig lav lekkasjestrøm.Systemlekkasje kan være høyere.
Denne teknikken muliggjør estimering av ladningstilstand innen noen få prosentpoeng av den faktiske gjenværende kapasiteten etter å ha etablert de riktige parametrene, uten behov for coulomb-telling.Batteriet blir en coulomb-teller.
Feilkilder innenfor gjeldende sensor
Som nevnt ovenfor er forskyvningsfeilen kritisk for den kulometriske tellingen, og det bør gjøres tiltak i SOC-monitoren for å kalibrere sensorforskyvningen til null under nullstrømforhold.Dette er normalt bare mulig under fabrikkinstallasjon.Imidlertid kan det eksistere systemer som bestemmer nullstrøm og derfor tillater automatisk rekalibrering av offset.Dette er en ideell situasjon da avdrift kan imøtekommes.
Dessverre produserer alle sensorteknologier termisk offsetdrift, og strømsensorer er intet unntak.Vi kan nå se at dette er en kritisk kvalitet.Ved å bruke kvalitetskomponenter og nøye design hos Raztec, har vi utviklet en rekke termisk stabile strømsensorer med et driftområde på <0,25mA/K.For en temperaturendring på 20K kan dette gi en maksimal feil på 5mA.
En annen vanlig feilkilde i strømsensorer som har en magnetisk krets er hysteresefeilen forårsaket av remanent magnetisme.Dette er ofte opp til 400mA, noe som gjør slike sensorer uegnet for batteriovervåking.Ved å velge det beste magnetiske materialet har Raztec redusert denne kvaliteten til 20mA og denne feilen har faktisk redusert over tid.Hvis mindre feil er nødvendig, er avmagnetisering mulig, men legger til betydelig kompleksitet.
En mindre feil er driften av overføringsfunksjonens kalibrering med temperatur, men for massesensorer er denne effekten mye mindre enn driften av cellens ytelse med temperatur.
Den beste tilnærmingen til SOC-estimering er å bruke en kombinasjon av teknikker som stabile tomgangsspenninger, cellespenninger kompensert av IXR, kulometriske tellinger og temperaturkompensasjon av parametere.For eksempel kan langsiktige integrasjonsfeil ignoreres ved å estimere SOC for tomgangs- eller lavbelastningsbatterispenninger.
Innleggstid: Aug-09-2022