Оценка состояния заряда (SOC) литиевой батареи технически сложна, особенно в тех случаях, когда батарея не полностью заряжена или полностью разряжена. Такими приложениями являются гибридные электромобили (HEV). Проблема связана с очень плоскими характеристиками разряда литиевых батарей. Напряжение почти не меняется от 70% SOC до 20% SOC. Фактически, изменение напряжения из-за изменений температуры аналогично изменению напряжения из-за разряда, поэтому, если SOC должен быть получен из напряжения, необходимо компенсировать температуру элемента.
Другая проблема заключается в том, что емкость аккумулятора определяется емкостью элемента с наименьшей емкостью, поэтому SOC следует оценивать не по напряжению на клеммах элемента, а по напряжению на выводе самого слабого элемента. Все это звучит слишком сложно. Так почему бы нам просто не сохранить общее количество тока, поступающего в клетку, и не сбалансировать его с током, выходящим наружу? Этот метод известен как кулонометрический подсчет и звучит достаточно просто, но этот метод сопряжен со многими трудностями.
Батареине идеальные батареи. Они никогда не возвращают то, что вы вложили в них. Во время зарядки существует ток утечки, который зависит от температуры, скорости зарядки, состояния заряда и старения.
Емкость аккумулятора также нелинейно меняется в зависимости от скорости разряда. Чем быстрее разряд, тем ниже емкость. От разряда 0,5C до разряда 5C снижение может достигать 15%.
Батареи имеют значительно более высокий ток утечки при более высоких температурах. Внутренние элементы батареи могут нагреваться сильнее, чем внешние элементы, поэтому утечка элементов через батарею будет неравномерной.
Емкость также является функцией температуры. Некоторые литиевые химические вещества страдают больше, чем другие.
Чтобы компенсировать это неравенство, внутри батареи используется балансировка ячеек. Этот дополнительный ток утечки невозможно измерить вне батареи.
Емкость аккумулятора постепенно уменьшается в течение срока службы элемента и с течением времени.
Любое небольшое смещение в измерении тока будет интегрировано и со временем может стать большим, серьезно влияя на точность SOC.
Все вышеперечисленное приведет к отклонению точности с течением времени, если не проводить регулярную калибровку, но это возможно только тогда, когда аккумулятор почти разряжен или почти заряжен. В приложениях HEV лучше всего поддерживать заряд аккумулятора примерно на 50 %, поэтому одним из возможных способов надежной корректировки точности измерения является периодическая полная зарядка аккумулятора. Чистые электромобили регулярно заряжаются полностью или почти полностью, поэтому измерения на основе кулонометрических показателей могут быть очень точными, особенно если компенсировать другие проблемы с аккумулятором.
Ключом к хорошей точности кулонометрического счета является хорошее обнаружение тока в широком динамическом диапазоне.
Традиционный метод измерения тока для нас является шунтом, но эти методы теряют свою эффективность при использовании более высоких токов (250 А+). Из-за потребляемой мощности шунт должен иметь низкое сопротивление. Шунты с низким сопротивлением не подходят для измерения малых токов (50 мА). Тут сразу возникает самый важный вопрос: каковы минимальный и максимальный токи, которые необходимо измерить? Это называется динамическим диапазоном.
Предполагая, что емкость аккумулятора составляет 100 Ач, это приблизительная оценка приемлемой ошибки интегрирования.
Ошибка в 4 А приведет к 100% ошибок в день, а ошибка в 0,4А приведет к 10% ошибок в день.
Ошибка 4/7 А приведет к 100% ошибок в течение недели, а ошибка 60 мА приведет к 10% ошибок в течение недели.
Ошибка 4/28 А приведет к ошибке 100 % за месяц, а ошибка 15 мА приведет к ошибке 10 % за месяц, что, вероятно, является лучшим измерением, которое можно ожидать без повторной калибровки из-за зарядки или почти полной разрядки.
Теперь давайте посмотрим на шунт, измеряющий ток. Для тока 250 А шунт сопротивлением 1 мОм будет находиться на стороне высокого напряжения и производить 62,5 Вт. Однако при токе 15 мА он будет производить только 15 микровольт, которые будут потеряны в фоновом шуме. Динамический диапазон составляет 250 А/15 мА = 17 000:1. Если 14-битный аналого-цифровой преобразователь действительно может «видеть» сигнал по шуму, смещению и дрейфу, то ему необходим 14-битный аналого-цифровой преобразователь. Важной причиной смещения является смещение напряжения и контура заземления, создаваемое термопарой.
По сути, не существует датчика, который мог бы измерять ток в этом динамическом диапазоне. Датчики сильного тока необходимы для измерения более высоких токов в примерах тяги и зарядки, тогда как датчики низкого тока необходимы для измерения токов, например, от аксессуаров и любого состояния нулевого тока. Поскольку датчик низкого тока также «видит» большой ток, он не может быть поврежден или поврежден ими, за исключением насыщения. Это немедленно вычисляет шунтирующий ток.
Решение
Очень подходящим семейством датчиков являются датчики тока с разомкнутым контуром на эффекте Холла. Эти устройства не будут повреждены высокими токами, и компания Raztec разработала линейку датчиков, которые могут измерять токи в миллиамперном диапазоне через один проводник. Передаточная функция 100 мВ/АТ практична, поэтому ток 15 мА создаст полезные 1,5 мВ. используя лучший доступный материал сердечника, можно также достичь очень низкой остаточной намагниченности в диапазоне одного миллиампера. При 100 мВ/АТ насыщение произойдет при токе выше 25 А. Меньший программный коэффициент, конечно, позволяет использовать более высокие токи.
Большие токи измеряются с помощью обычных сильноточных датчиков. Переключение с одного датчика на другой требует простой логики.
Новая линейка бессердечниковых датчиков Raztec — отличный выбор для сильноточных датчиков. Эти устройства обеспечивают превосходную линейность, стабильность и нулевой гистерезис. Они легко адаптируются к широкому спектру механических конфигураций и диапазонов токов. Эти устройства стали практичными благодаря использованию датчиков магнитного поля нового поколения с превосходными характеристиками.
Оба типа датчиков по-прежнему полезны для управления соотношением сигнал/шум при очень высоком динамическом диапазоне требуемых токов.
Однако чрезвычайная точность была бы излишней, поскольку сама батарея не является точным счетчиком кулонов. Ошибка в 5 % между зарядом и разрядом типична для аккумуляторов, в которых существуют дополнительные несоответствия. Имея это в виду, можно использовать относительно простой метод с использованием базовой модели батареи. Модель может включать зависимость напряжения на клеммах холостого хода от емкости, напряжение заряда от емкости, сопротивления разряда и заряда, которые можно изменять в зависимости от емкости и циклов заряда/разряда. Необходимо установить подходящие постоянные времени измеренного напряжения, чтобы учесть постоянные времени напряжения истощения и восстановления.
Существенным преимуществом литиевых батарей хорошего качества является то, что они очень мало теряют емкость при высоких скоростях разряда. Этот факт упрощает расчеты. Они также имеют очень низкий ток утечки. Утечка в системе может быть выше.
Этот метод позволяет оценить состояние заряда с точностью до нескольких процентных пунктов от фактической остаточной емкости после установления соответствующих параметров без необходимости подсчета кулонов. Батарея становится счетчиком Кулонов.
Источники ошибок внутри датчика тока
Как упоминалось выше, ошибка смещения имеет решающее значение для кулонометрического счета, и в мониторе SOC должна быть предусмотрена возможность калибровки смещения датчика до нуля в условиях нулевого тока. Обычно это возможно только во время заводской установки. Однако могут существовать системы, определяющие нулевой ток и, следовательно, допускающие автоматическую повторную калибровку смещения. Это идеальная ситуация, поскольку дрейф можно компенсировать.
К сожалению, все сенсорные технологии приводят к тепловому смещению, и датчики тока не являются исключением. Теперь мы видим, что это важнейшее качество. Используя качественные компоненты и тщательную разработку в Raztec, мы разработали ряд термостабильных датчиков тока с диапазоном дрейфа <0,25 мА/К. При изменении температуры на 20 К это может привести к максимальной ошибке 5 мА.
Другим распространенным источником ошибок в датчиках тока, включающих магнитную цепь, является ошибка гистерезиса, вызванная остаточным магнетизмом. Часто это значение достигает 400 мА, что делает такие датчики непригодными для контроля заряда батареи. Выбрав лучший магнитный материал, компания Raztec снизила это качество до 20 мА, и эта ошибка со временем фактически уменьшилась. Если требуется меньшая погрешность, возможно размагничивание, но это значительно усложняет задачу.
Меньшей ошибкой является дрейф калибровки передаточной функции от температуры, но для датчиков массы этот эффект гораздо меньше, чем дрейф производительности ячейки от температуры.
Лучший подход к оценке SOC — использовать комбинацию таких методов, как стабильные напряжения холостого хода, напряжения элементов, компенсированные IXR, кулонометрические измерения и температурная компенсация параметров. Например, долгосрочные ошибки интегрирования можно игнорировать, оценивая SOC для напряжений батареи без нагрузки или при низкой нагрузке.
Время публикации: 09 августа 2022 г.