Úvod do měřičů baterie

Úvod do měřičů baterie

1.1 Seznámení s funkcemi elektroměru

Správa baterie může být považována za součást správy napájení. Při správě baterií je elektroměr zodpovědný za odhad kapacity baterie. Jeho základní funkcí je sledování napětí, nabíjecího/vybíjecího proudu a teploty baterie a odhad stavu nabití (SOC) a plné kapacity nabití (FCC) baterie. Existují dvě typické metody pro odhad stavu nabití baterie: metoda napětí naprázdno (OCV) a metoda Coulombicova měření. Další metodou je dynamický napěťový algoritmus navržený RICHTEKEM.

1.2 Metoda napětí naprázdno

Způsob implementace použití metody napětí naprázdno pro elektroměr je relativně snadný a lze jej získat kontrolou odpovídajícího stavu nabití napětí naprázdno. Předpokládaná podmínka pro napětí naprázdno je napětí na svorce baterie, když je baterie v klidu po dobu asi 30 minut.

Křivka napětí baterie se mění v závislosti na zatížení, teplotě a stárnutí baterie. Proto voltmetr s pevným otevřeným obvodem nemůže plně reprezentovat stav nabití; Stav nabití není možné odhadnout pouze z tabulek. Jinými slovy, pokud je stav nabití odhadnut pouze podle tabulky, bude chyba významná.

Následující obrázek ukazuje, že při stejném napětí baterie existuje významný rozdíl ve stavu nabití získaného metodou napětí naprázdno.

        Obrázek 5. Napětí baterie za podmínek nabíjení a vybíjení

Jak je znázorněno na obrázku níže, existuje také významný rozdíl ve stavu nabití při různé zátěži během vybíjení. Metoda napětí naprázdno je tedy v zásadě vhodná pouze pro systémy s nízkými požadavky na přesnost stavu nabití, jako jsou automobily používající olověné baterie nebo nepřerušitelné zdroje napájení.

            Obrázek 2. Napětí baterie při různém zatížení během vybíjení

1.3 Coulombická metrologie

Princip činnosti Coulombovy metrologie spočívá v připojení detekčního odporu na nabíjecí/vybíjecí dráhu baterie. ADC měří napětí na detekčním rezistoru a převádí ho na aktuální hodnotu nabíjené nebo vybíjené baterie. Čítač reálného času (RTC) poskytuje integraci aktuální hodnoty s časem, aby bylo možné určit, kolik Coulombů teče.

               Obrázek 3. Základní pracovní režim Coulombovy metody měření

Coulombická metrologie dokáže přesně vypočítat stav nabití v reálném čase během procesu nabíjení nebo vybíjení. Pomocí počítadla nabíjení Coulomb a počítadla vybíjení Coulomb může vypočítat zbývající elektrickou kapacitu (RM) a plnou kapacitu nabíjení (FCC). Současně lze zbývající kapacitu nabití (RM) a plně nabitou kapacitu (FCC) použít také pro výpočet stavu nabití, tedy (SOC=RM/FCC). Kromě toho dokáže odhadnout i zbývající čas, jako je vyčerpání energie (TTE) a dobití energie (TTF).

                    Obrázek 4. Výpočtový vzorec pro Coulombovu metrologii

Existují dva hlavní faktory, které způsobují odchylku přesnosti Coulombovy metrologie. První je akumulace chyb offsetu při snímání proudu a měření ADC. Přestože je chyba měření při současné technologii relativně malá, bez dobré metody k jejímu odstranění se tato chyba časem zvětší. Následující obrázek ukazuje, že v praktických aplikacích, pokud nedojde ke korekci doby trvání, je akumulovaná chyba neomezená.

              Obrázek 5. Akumulovaná chyba Coulombovy metody měření

Pro odstranění kumulativních chyb existují tři možné časové body, které lze použít během normálního provozu baterie: konec nabíjení (EOC), konec vybíjení (EOD) a odpočinek (relax). Když je splněna podmínka konce nabíjení, znamená to, že baterie je plně nabitá a stav nabíjení (SOC) by měl být 100 %. Stav konce vybití indikuje, že baterie je zcela vybitá a stav nabití (SOC) by měl být 0 %; Může to být absolutní hodnota napětí nebo se může lišit podle zatížení. Při dosažení klidového stavu se baterie nenabíjí ani nevybíjí a v tomto stavu zůstává dlouhou dobu. Pokud chce uživatel využít klidový stav baterie k nápravě chyby coulometrické metody, musí v tuto chvíli použít voltmetr s otevřeným obvodem. Následující obrázek ukazuje, že ve výše uvedených stavech lze opravit chybu stavu nabití.

            Obrázek 6. Podmínky pro eliminaci nahromaděných chyb v coulombické metrologii

Druhým hlavním faktorem způsobujícím odchylku přesnosti Coulombovy metrologie je chyba Full Charge Capacity (FCC), což je rozdíl mezi navrženou kapacitou baterie a skutečnou kapacitou plného nabití baterie. Plně nabitá kapacita (FCC) je ovlivněna faktory, jako je teplota, stárnutí a zatížení. Proto jsou metody přeučení a kompenzace pro plně nabitou kapacitu klíčové pro coulombickou metrologii. Následující obrázek ukazuje trendový jev chyby stavu nabíjení, když je plně nabitá kapacita nadhodnocena a podhodnocena.

             Obrázek 7: Trend chyby, když je plně nabitá kapacita nadhodnocena a podhodnocena

1.4 Elektroměr s dynamickým napěťovým algoritmem

Algoritmus dynamického napětí dokáže vypočítat stav nabití lithiové baterie pouze na základě napětí baterie. Tato metoda odhaduje přírůstek nebo úbytek stavu nabití na základě rozdílu mezi napětím baterie a napětím baterie naprázdno. Dynamické informace o napětí mohou efektivně simulovat chování lithiových baterií a určit stav nabití (SOC) (%), ale tato metoda nedokáže odhadnout hodnotu kapacity baterie (mAh).

Jeho metoda výpočtu je založena na dynamickém rozdílu mezi napětím baterie a napětím naprázdno a odhaduje stav nabití pomocí iterativních algoritmů pro výpočet každého zvýšení nebo snížení stavu nabití. Ve srovnání s řešením elektroměrů Coulombovou metodou elektroměry s dynamickým napěťovým algoritmem nekumulují chyby v čase a proudu. Coulombické měřicí měřiče mají často nepřesný odhad stavu nabití kvůli chybám snímání proudu a samovybíjení baterie. I když je aktuální chyba snímání velmi malá, Coulombův čítač bude nadále hromadit chyby, které lze odstranit pouze po úplném nabití nebo vybití.

Algoritmus dynamického napětí se používá k odhadu stavu nabití baterie pouze na základě informací o napětí; Protože se neodhaduje na základě aktuálních informací o baterii, nedochází k hromadění chyb. Aby se zlepšila přesnost stavu nabití, algoritmus dynamického napětí potřebuje použít skutečné zařízení k úpravě parametrů optimalizovaného algoritmu na základě skutečné křivky napětí baterie při plně nabitém a plně vybitém stavu.

     Obrázek 8. Výkon algoritmu dynamického napětí pro elektroměr a optimalizaci zisku

Následuje výkon dynamického napěťového algoritmu za různých podmínek rychlosti vybíjení z hlediska stavu nabití. Jak je znázorněno na obrázku, jeho přesnost nabití je dobrá. Bez ohledu na podmínky vybíjení C/2, C/4, C/7 a C/10 je celková chyba stavu nabití této metody menší než 3 %.

      Obrázek 9. Výkon stavu nabití algoritmu dynamického napětí za různých podmínek rychlosti vybíjení

Následující obrázek ukazuje stav nabití baterie za podmínek krátkého nabíjení a krátkého vybíjení. Chyba stavu nabití je stále velmi malá a maximální chyba je pouze 3 %.

       Obrázek 10. Výkon stavu nabití algoritmu dynamického napětí v případě krátkého nabití a krátkého vybití baterií

Ve srovnání s Coulombovou metodou měření, která obvykle vede k nepřesnému stavu nabití v důsledku chyb snímání proudu a samovybíjení baterie, dynamický napěťový algoritmus nekumuluje chyby v čase a proudu, což je hlavní výhoda. Kvůli nedostatku informací o nabíjecích/vybíjecích proudech má dynamický napěťový algoritmus špatnou krátkodobou přesnost a pomalou dobu odezvy. Dále nedokáže odhadnout plnou kapacitu nabíjení. Z hlediska dlouhodobé přesnosti si však vede dobře, protože napětí baterie nakonec přímo odráží její stav nabití.