Introducere în contoarele de baterie

Introducere în contoarele de baterie

1.1 Introducere în funcțiile contorului de energie electrică

Gestionarea bateriei poate fi considerată ca parte a gestionării energiei. În gestionarea bateriei, contorul de energie electrică este responsabil pentru estimarea capacității bateriei. Funcția sa de bază este de a monitoriza tensiunea, curentul de încărcare/descărcare și temperatura bateriei și de a estima starea de încărcare (SOC) și capacitatea de încărcare completă (FCC) a bateriei. Există două metode tipice pentru estimarea stării de încărcare a unei baterii: metoda tensiunii în circuit deschis (OCV) și metoda de măsurare coulombică. O altă metodă este algoritmul de tensiune dinamică proiectat de RICHTEK.

1.2 Metoda tensiunii în circuit deschis

Metoda de implementare a utilizării unei metode de tensiune în circuit deschis pentru un contor de electricitate este relativ ușoară și poate fi obținută prin verificarea stării de încărcare corespunzătoare a tensiunii în circuit deschis. Condiția presupusă pentru tensiunea în circuit deschis este tensiunea la bornele bateriei atunci când bateria sta în repaus timp de aproximativ 30 de minute.

Curba de tensiune a bateriei variază în funcție de sarcina, temperatură și vechimea bateriei. Prin urmare, un voltmetru fix cu circuit deschis nu poate reprezenta pe deplin starea de încărcare; Nu este posibil să se estimeze starea de încărcare doar prin căutarea tabelelor. Cu alte cuvinte, dacă starea de încărcare este estimată numai prin căutarea unui tabel, eroarea va fi semnificativă.

Următoarea figură arată că sub aceeași tensiune a bateriei, există o diferență semnificativă în starea de încărcare obținută prin metoda tensiunii în circuit deschis.

        Figura 5. Tensiunea bateriei în condiții de încărcare și descărcare

După cum se arată în figura de mai jos, există, de asemenea, o diferență semnificativă în starea de încărcare sub diferite sarcini în timpul descărcării. Deci, practic, metoda tensiunii în circuit deschis este potrivită numai pentru sistemele cu cerințe scăzute de precizie pentru starea de încărcare, cum ar fi mașinile care folosesc baterii cu plumb-acid sau surse de alimentare neîntreruptibile.

            Figura 2. Tensiunea bateriei la diferite sarcini în timpul descărcării

1.3 Metrologia coulombică

Principiul de funcționare al metrologiei Coulomb este de a conecta un rezistor de detecție pe calea de încărcare/descărcare a bateriei. ADC măsoară tensiunea de pe rezistența de detectare și o convertește în valoarea curentă a bateriei care se încarcă sau se descarcă. Contorul în timp real (RTC) asigură integrarea valorii curente cu timpul pentru a determina câți Coulombi curg.

               Figura 3. Modul de lucru de bază al metodei de măsurare Coulomb

Metrologia Coulombic poate calcula cu precizie starea de încărcare în timp real în timpul procesului de încărcare sau descărcare. Folosind un contor Coulomb de încărcare și un contor Coulomb de descărcare, poate calcula capacitatea electrică rămasă (RM) și capacitatea completă de încărcare (FCC). În același timp, capacitatea de încărcare rămasă (RM) și capacitatea complet încărcată (FCC) pot fi, de asemenea, utilizate pentru a calcula starea de încărcare, adică (SOC=RM/FCC). În plus, poate estima și timpul rămas, cum ar fi epuizarea energiei (TTE) și reîncărcarea puterii (TTF).

                    Figura 4. Formula de calcul pentru metrologia Coulomb

Există doi factori principali care cauzează abaterea acurateței metrologiei Coulomb. Prima este acumularea de erori de compensare în detectarea curentului și măsurarea ADC. Deși eroarea de măsurare este relativ mică cu tehnologia actuală, fără o metodă bună de a o elimina, această eroare va crește în timp. Următoarea figură arată că în aplicațiile practice, dacă nu există nicio corecție în durata de timp, eroarea acumulată este nelimitată.

              Figura 5. Eroarea acumulată a metodei de măsurare Coulomb

Pentru a elimina erorile cumulate, există trei momente posibile care pot fi utilizate în timpul funcționării normale a bateriei: Sfârșitul încărcării (EOC), Sfârșitul descărcării (EOD) și Odihna (Relaxare). Când condiția de sfârșit de încărcare este îndeplinită, aceasta indică faptul că bateria este complet încărcată și starea de încărcare (SOC) ar trebui să fie de 100%. Condiția de sfârșit de descărcare indică faptul că bateria s-a descărcat complet și starea de încărcare (SOC) ar trebui să fie 0%; Poate fi o valoare absolută a tensiunii sau poate varia în funcție de sarcină. Când ajunge într-o stare de repaus, bateria nu este nici încărcată, nici descărcată și rămâne în această stare pentru o perioadă lungă de timp. Dacă utilizatorul dorește să folosească starea de repaus a bateriei pentru a corecta eroarea metodei coulometrice, trebuie utilizat un voltmetru cu circuit deschis în acest moment. Figura următoare arată că starea de eroare de încărcare poate fi corectată în stările de mai sus.

            Figura 6. Condiții pentru eliminarea erorilor acumulate în metrologia coulombică

Al doilea factor principal care provoacă abaterea de precizie a metrologiei Coulomb este eroarea Full Charge Capacity (FCC), care este diferența dintre capacitatea proiectată a bateriei și capacitatea reală de încărcare completă a bateriei. Capacitatea complet încărcată (FCC) este influențată de factori precum temperatura, îmbătrânirea și sarcina. Prin urmare, metodele de reînvățare și compensare pentru capacitatea complet încărcată sunt cruciale pentru metrologia coulombică. Următoarea figură arată fenomenul de tendință de eroare a stării de încărcare atunci când capacitatea complet încărcată este supraestimată și subestimată.

             Figura 7: Tendința erorii atunci când capacitatea complet încărcată este supraestimată și subestimată

1.4 Contor de energie electrică cu algoritm de tensiune dinamică

Algoritmul de tensiune dinamică poate calcula starea de încărcare a unei baterii cu litiu doar pe baza tensiunii bateriei. Această metodă estimează creșterea sau scăderea stării de încărcare pe baza diferenței dintre tensiunea bateriei și tensiunea în circuit deschis a bateriei. Informațiile de tensiune dinamică pot simula în mod eficient comportamentul bateriilor cu litiu și pot determina starea de încărcare (SOC) (%), dar această metodă nu poate estima valoarea capacității bateriei (mAh).

Metoda sa de calcul se bazează pe diferența dinamică dintre tensiunea bateriei și tensiunea în circuit deschis și estimează starea de încărcare folosind algoritmi iterativi pentru a calcula fiecare creștere sau scădere a stării de încărcare. În comparație cu soluția contoarelor de electricitate cu metoda Coulomb, contoarele de electricitate cu algoritm de tensiune dinamică nu acumulează erori în timp și curent. Contoarele coulombice au adesea o estimare inexactă a stării de încărcare din cauza erorilor de detectare a curentului și a autodescărcării bateriei. Chiar dacă eroarea de detectare a curentului este foarte mică, contorul Coulomb va continua să acumuleze erori, care pot fi eliminate numai după încărcarea sau descărcarea completă.

Algoritmul de tensiune dinamică este utilizat pentru a estima starea de încărcare a unei baterii pe baza exclusiv informațiilor despre tensiune; Deoarece nu este estimat pe baza informațiilor curente ale bateriei, nu există acumulare de erori. Pentru a îmbunătăți acuratețea stării de încărcare, algoritmul de tensiune dinamică trebuie să utilizeze un dispozitiv real pentru a ajusta parametrii unui algoritm optimizat pe baza curbei reale a tensiunii bateriei în condiții complet încărcate și complet descărcate.

     Figura 8. Performanța algoritmului de tensiune dinamică pentru contorul de energie electrică și optimizarea câștigului

Următoarele sunt performanța algoritmului de tensiune dinamică în diferite condiții de viteză de descărcare în ceea ce privește starea de încărcare. După cum se arată în figură, acuratețea stării sale de încărcare este bună. Indiferent de condițiile de descărcare ale C/2, C/4, C/7 și C/10, eroarea generală a stării de încărcare a acestei metode este mai mică de 3%.

      Figura 9. Performanța stării de încărcare a algoritmului de tensiune dinamică în diferite condiții de rată de descărcare

Următoarea figură arată starea de încărcare a bateriei în condiții de încărcare scurtă și de descărcare scurtă. Eroarea stării de încărcare este încă foarte mică, iar eroarea maximă este de numai 3%.

       Figura 10. Performanța stării de încărcare a algoritmului de tensiune dinamică în cazul încărcării scurte și descărcării scurte a bateriilor

În comparație cu metoda de măsurare Coulomb, care de obicei duce la o stare de încărcare inexactă din cauza erorilor de detectare a curentului și a autodescărcării bateriei, algoritmul de tensiune dinamică nu acumulează erori în timp și curent, ceea ce reprezintă un avantaj major. Din cauza lipsei de informații despre curenții de încărcare/descărcare, algoritmul de tensiune dinamică are o acuratețe slabă pe termen scurt și un timp de răspuns lent. În plus, nu poate estima capacitatea completă de încărcare. Cu toate acestea, funcționează bine în ceea ce privește precizia pe termen lung, deoarece tensiunea bateriei reflectă în cele din urmă în mod direct starea sa de încărcare.