Процена стања напуњености (СОЦ) литијумске батерије је технички тешка, посебно у апликацијама где батерија није потпуно напуњена или потпуно испражњена.Такве примене су хибридна електрична возила (ХЕВ).Изазов произилази из веома равних карактеристика напонског пражњења литијумских батерија.Напон се једва мења од 70% СОЦ до 20% СОЦ.У ствари, варијација напона услед промена температуре је слична варијацији напона услед пражњења, тако да ако се СОЦ треба извести из напона, температура ћелије мора бити компензована.
Други изазов је да је капацитет батерије одређен капацитетом ћелије најмањег капацитета, тако да СОЦ не треба судити на основу терминалног напона ћелије, већ на основу терминалног напона најслабије ћелије.Све ово звучи мало претешко.Па зашто једноставно не задржимо укупну количину струје која тече у ћелију и уравнотежимо је са струјом која тече?Ово је познато као кулометријско бројање и звучи довољно једноставно, али постоји много потешкоћа са овом методом.
Батеријенису савршене батерије.Они никада не враћају оно што сте у њих уложили.Постоји струја цурења током пуњења, која варира у зависности од температуре, брзине пуњења, стања напуњености и старења.
Капацитет батерије такође варира нелинеарно са брзином пражњења.Што је пражњење брже, мањи је капацитет.Од пражњења од 0,5Ц до пражњења од 5Ц, смањење може бити чак 15%.
Батерије имају знатно већу струју цурења на вишим температурама.Унутрашње ћелије у батерији могу да раде топлије од спољашњих ћелија, тако да ће цурење ћелија кроз батерију бити неједнако.
Капацитет је такође функција температуре.Неке литијумске хемикалије су погођене више од других.
Да би се компензовала ова неједнакост, балансирање ћелија се користи унутар батерије.Ова додатна струја цурења није мерљива ван батерије.
Капацитет батерије се стално смањује током животног века ћелије и током времена.
Сваки мали помак у тренутном мерењу ће бити интегрисан и током времена може постати велики број, озбиљно утичући на тачност СОЦ.
Све горе наведено ће довести до одступања у прецизности током времена осим ако се не изврши редовна калибрација, али то је могуће само када је батерија скоро празна или скоро пуна.У ХЕВ апликацијама најбоље је држати батерију на приближно 50% напуњености, тако да је један од могућих начина да се поуздано исправи тачност мерења периодично пуњење батерије у потпуности.Чиста електрична возила се редовно пуне до пуне или скоро пуне, тако да мерење на основу кулометријског бројања може бити веома прецизно, посебно ако се компензују други проблеми са батеријом.
Кључ за добру тачност у кулометријском бројању је добра детекција струје у широком динамичком опсегу.
Традиционални метод мерења струје је за нас шант, али ове методе опадају када су укључене веће (250А+) струје.Због потрошње енергије, шант треба да буде малог отпора.Шантови ниског отпора нису погодни за мерење ниских (50мА) струја.Ово одмах поставља најважније питање: које су минималне и максималне струје које треба измерити?Ово се зове динамички опсег.
Уз претпоставку капацитета батерије од 100 Ах, груба процена прихватљиве грешке интеграције.
Грешка од 4 А ће произвести 100% грешака у једном дану или грешка од 0,4 А ће произвести 10% грешака у дану.
Грешка од 4/7А ће произвести 100% грешака у року од недељу дана или грешка од 60мА ће произвести 10% грешака у року од недељу дана.
Грешка од 4/28А ће произвести грешку од 100% за месец дана или грешка од 15мА ће произвести грешку од 10% за месец дана, што је вероватно најбоље мерење које се може очекивати без поновне калибрације због пуњења или скоро потпуног пражњења.
Сада погледајмо шант који мери струју.За 250А, шант од 1м ома ће бити на високој страни и производити 62,5В.Међутим, на 15 мА производиће само 15 микроволти, што ће се изгубити у позадинској буци.Динамички опсег је 250А/15мА = 17.000:1.Ако 14-битни А/Д претварач заиста може да "види" сигнал у шуму, офсету и дрифту, онда је потребан 14-битни А/Д претварач.Важан узрок офсета је помак напона и петље уземљења који генерише термоелемент.
У основи, не постоји сензор који може да мери струју у овом динамичком опсегу.Сензори велике струје су потребни за мерење већих струја из примера вуче и пуњења, док су сензори ниске струје потребни за мерење струја из, на пример, прибора и било ког стања нулте струје.Пошто нискострујни сензор такође "види" високу струју, они га не могу оштетити или покварити, осим засићења.Ово одмах израчунава струју шанта.
Решење
Веома погодна породица сензора су сензори струје са Холовим ефектом отворене петље.Ови уређаји неће бити оштећени високим струјама и Разтец је развио опсег сензора који заправо може да мери струје у опсегу милиампера кроз један проводник.преносна функција од 100мВ/АТ је практична, тако да ће струја од 15мА произвести употребљивих 1,5мВ.коришћењем најбољег доступног материјала језгра, такође се може постићи веома ниска реманенција у опсегу од једног милиампера.При 100мВ/АТ, засићење ће се појавити изнад 25 А.Мање програмско појачање наравно омогућава веће струје.
Велике струје се мере помоћу конвенционалних високострујних сензора.Пребацивање са једног сензора на други захтева једноставну логику.
Разтец-ов нови асортиман сензора без језгра је одличан избор за сензоре велике струје.Ови уређаји нуде одличну линеарност, стабилност и нулту хистерезу.Лако се прилагођавају широком спектру механичких конфигурација и струјних опсега.Ови уређаји су практични коришћењем нове генерације сензора магнетног поља са одличним перформансама.
Оба типа сензора остају корисна за управљање односом сигнал-шум са веома високим динамичким опсегом потребних струја.
Међутим, екстремна прецизност би била сувишна јер сама батерија није тачан бројач кулона.Грешка од 5% између пуњења и пражњења је типична за батерије где постоје додатне недоследности.Имајући ово на уму, може се користити релативно једноставна техника која користи основни модел батерије.Модел може укључити напон терминала празног хода према капацитету, напон пуњења у односу на капацитет, отпор пражњења и пуњења који се може модификовати са капацитетом и циклусима пуњења/пражњења.Потребно је успоставити одговарајуће измерене временске константе напона да би се прилагодиле временске константе напона исцрпљивања и опоравка.
Значајна предност квалитетних литијумских батерија је што губе веома мали капацитет при високим брзинама пражњења.Ова чињеница поједностављује прорачуне.Такође имају веома ниску струју цурења.Цурење из система може бити веће.
Ова техника омогућава процену стања напуњености у оквиру неколико процентних поена стварног преосталог капацитета након успостављања одговарајућих параметара, без потребе за бројањем кулона.Батерија постаје кулонов бројач.
Извори грешке унутар тренутног сензора
Као што је горе поменуто, грешка померања је критична за кулометријски број и треба да се обезбеди у оквиру СОЦ монитора да се помак сензора калибрише на нулу у условима нулте струје.Ово је обично изводљиво само током фабричке инсталације.Међутим, могу постојати системи који одређују нулту струју и стога омогућавају аутоматску рекалибрацију офсета.Ово је идеална ситуација јер се дрифт може прихватити.
Нажалост, све технологије сензора производе термички помак, а струјни сензори нису изузетак.Сада видимо да је то критичан квалитет.Коришћењем квалитетних компоненти и пажљивог дизајна у компанији Разтец, развили смо низ термички стабилних струјних сензора са опсегом одступања од <0,25мА/К.За промену температуре од 20К, ово може произвести максималну грешку од 5мА.
Још један уобичајени извор грешке код струјних сензора који укључују магнетно коло је грешка хистерезе узрокована реманентним магнетизмом.То је често до 400мА, што такве сензоре чини неприкладним за праћење батерије.Одабиром најбољег магнетног материјала, Разтец је смањио овај квалитет на 20мА и ова грешка се заправо смањила током времена.Ако је потребна мања грешка, демагнетизација је могућа, али додаје значајну сложеност.
Мања грешка је одступање калибрације функције преноса са температуром, али за сензоре масе овај ефекат је много мањи од померања перформанси ћелије са температуром.
Најбољи приступ процени СОЦ је коришћење комбинације техника као што су стабилни напони празног хода, напони ћелија компензовани ИКСР, кулометријски број и температурна компензација параметара.На пример, дугорочне грешке интеграције могу се занемарити проценом СОЦ-а за напоне батерије без оптерећења или са малим оптерећењем.
Време објаве: 09.08.2022