Estimering af ladningstilstanden (SOC) for et lithiumbatteri er teknisk vanskeligt, især i applikationer, hvor batteriet ikke er fuldt opladet eller helt afladet.Sådanne applikationer er hybride elektriske køretøjer (HEV'er).Udfordringen stammer fra lithiumbatteriers meget flade spændingsudladningsegenskaber.Spændingen skifter næsten ikke fra 70 % SOC til 20 % SOC.Faktisk svarer spændingsvariationen på grund af temperaturændringer til spændingsvariationen på grund af afladning, så hvis SOC'en skal udledes af spændingen, skal der kompenseres for celletemperaturen.
En anden udfordring er, at batterikapaciteten bestemmes af kapaciteten af den laveste kapacitet celle, så SOC bør ikke bedømmes ud fra cellens terminalspænding, men på terminalspændingen af den svageste celle.Det hele lyder lidt for svært.Så hvorfor beholder vi ikke bare den samlede mængde strøm, der flyder ind i cellen og afbalancerer den med strømmen, der flyder ud?Dette er kendt som coulometrisk tælling og lyder simpelt nok, men der er mange vanskeligheder med denne metode.
Batterierer ikke perfekte batterier.De returnerer aldrig, hvad du putter i dem.Der er lækstrøm under opladning, som varierer med temperatur, ladehastighed, ladetilstand og aldring.
Kapaciteten af et batteri varierer også ikke-lineært med afladningshastigheden.Jo hurtigere afladning, jo lavere kapacitet.Fra en 0,5C udledning til en 5C udledning kan reduktionen være så høj som 15%.
Batterier har en væsentlig højere lækstrøm ved højere temperaturer.De interne celler i et batteri kan køre varmere end de eksterne celler, så cellelækagen gennem batteriet vil være ulige.
Kapaciteten er også en funktion af temperaturen.Nogle lithiumkemikalier påvirkes mere end andre.
For at kompensere for denne ulighed bruges cellebalancering i batteriet.Denne ekstra lækstrøm kan ikke måles uden for batteriet.
Batterikapaciteten falder støt over cellens levetid og over tid.
Enhver lille forskydning i den aktuelle måling vil blive integreret og med tiden kan blive et stort tal, hvilket alvorligt påvirker nøjagtigheden af SOC'en.
Alt ovenstående vil resultere i en afdrift i nøjagtigheden over tid, medmindre der udføres regelmæssig kalibrering, men dette er kun muligt, når batteriet er næsten afladet eller næsten fuldt.I HEV-applikationer er det bedst at holde batteriet på cirka 50 % opladning, så en mulig måde til pålideligt at korrigere målingsnøjagtigheden er at periodisk oplade batteriet helt.Rene elektriske køretøjer oplades regelmæssigt til fuld eller næsten fuld, så måling baseret på kulometriske tællinger kan være meget nøjagtige, især hvis der kompenseres for andre batteriproblemer.
Nøglen til god nøjagtighed i kulometrisk tælling er god strømdetektion over et bredt dynamisk område.
Den traditionelle metode til at måle strøm er for os en shunt, men disse metoder falder ned, når der er tale om højere (250A+) strømme.På grund af strømforbruget skal shunten have lav modstand.Lavmodstandshunts er ikke egnede til måling af lave (50mA) strømme.Dette rejser straks det vigtigste spørgsmål: hvad er de minimale og maksimale strømme, der skal måles?Dette kaldes det dynamiske område.
Forudsat en batterikapacitet på 100Ahr, et groft skøn over den acceptable integrationsfejl.
En 4 Amp fejl vil producere 100 % af fejlene på en dag, eller en 0,4A fejl vil producere 10 % af fejlene på en dag.
En 4/7A fejl vil producere 100 % af fejlene inden for en uge, eller en 60mA fejl vil producere 10 % af fejlene inden for en uge.
En 4/28A fejl vil producere en 100 % fejl på en måned, eller en 15mA fejl vil producere en 10 % fejl på en måned, hvilket sandsynligvis er den bedste måling, der kan forventes uden omkalibrering på grund af opladning eller næsten fuldstændig afladning.
Lad os nu se på shunten, der måler strømmen.For 250A vil en 1m ohm shunt være på den høje side og producere 62,5W.Ved 15mA vil den dog kun producere 15 mikrovolt, som vil gå tabt i baggrundsstøjen.Det dynamiske område er 250A/15mA = 17.000:1.Hvis en 14-bit A/D-konverter virkelig kan "se" signalet i støj, offset og drift, så er en 14-bit A/D-konverter påkrævet.En vigtig årsag til offset er spændingen og jordsløjfe offset genereret af termoelementet.
Grundlæggende er der ingen sensor, der kan måle strøm i dette dynamiske område.Højstrømssensorer er nødvendige for at måle de højere strømme fra træk- og ladeeksempler, mens lavstrømssensorer er nødvendige for at måle strømme fra for eksempel tilbehør og enhver nulstrømstilstand.Da lavstrømssensoren også "ser" den høje strøm, kan den ikke blive beskadiget eller ødelagt af disse, bortset fra mætning.Dette beregner straks shuntstrømmen.
En løsning
En meget velegnet familie af sensorer er åben sløjfe Hall effekt strømsensorer.Disse enheder vil ikke blive beskadiget af høje strømme, og Raztec har udviklet en sensorserie, som faktisk kan måle strømme i milliampere-området gennem en enkelt leder.en overførselsfunktion på 100mV/AT er praktisk, så en 15mA strøm vil producere en brugbar 1,5mV.ved at bruge det bedst tilgængelige kernemateriale kan der også opnås meget lav remanens i enkelt milliampere-området.Ved 100mV/AT vil mætning forekomme over 25 Amp.Den lavere programmeringsforstærkning giver selvfølgelig mulighed for højere strømme.
Høje strømme måles ved hjælp af konventionelle højstrømssensorer.Skift fra en sensor til en anden kræver simpel logik.
Raztecs nye serie af kerneløse sensorer er et fremragende valg til højstrømssensorer.Disse enheder tilbyder fremragende linearitet, stabilitet og nul hysterese.De kan let tilpasses til en lang række mekaniske konfigurationer og strømområder.Disse enheder er gjort praktiske ved brug af en ny generation af magnetfeltsensorer med fremragende ydeevne.
Begge sensortyper forbliver gavnlige til at styre signal-til-støj-forhold med det meget høje dynamiske område af strøm, der kræves.
Ekstrem nøjagtighed ville dog være overflødig, da batteriet i sig selv ikke er en nøjagtig coulomb-tæller.En fejl på 5 % mellem opladning og afladning er typisk for batterier, hvor der er yderligere uoverensstemmelser.Med dette i tankerne kan en relativt simpel teknik ved hjælp af en grundlæggende batterimodel bruges.Modellen kan inkludere ubelastet terminalspænding i forhold til kapacitet, ladespænding i forhold til kapacitet, afladnings- og lademodstande, som kan modificeres med kapacitet og lade-/afladningscyklusser.Der skal etableres passende målte spændingstidskonstanter for at imødekomme udtømnings- og genopretningsspændingstidskonstanterne.
En væsentlig fordel ved lithiumbatterier af god kvalitet er, at de mister meget lidt kapacitet ved høje afladningshastigheder.Dette faktum forenkler beregninger.De har også en meget lav lækstrøm.Systemlækage kan være højere.
Denne teknik muliggør estimering af ladningstilstand inden for nogle få procentpoint af den faktiske resterende kapacitet efter etablering af de passende parametre uden behov for coulomb-tælling.Batteriet bliver en coulomb-tæller.
Fejlkilder i den aktuelle sensor
Som nævnt ovenfor er forskydningsfejlen kritisk for den kulometriske optælling, og der bør sørges for i SOC-monitoren for at kalibrere sensorforskydningen til nul under nulstrømforhold.Dette er normalt kun muligt under fabriksinstallation.Der kan dog eksistere systemer, der bestemmer nulstrøm og derfor tillader automatisk rekalibrering af offset.Dette er en ideel situation, da afdrift kan imødekommes.
Desværre producerer alle sensorteknologier termisk offsetdrift, og strømsensorer er ingen undtagelse.Vi kan nu se, at dette er en kritisk kvalitet.Ved at bruge kvalitetskomponenter og omhyggeligt design hos Raztec har vi udviklet en række termisk stabile strømsensorer med et driftområde på <0,25mA/K.For en temperaturændring på 20K kan dette give en maksimal fejl på 5mA.
En anden almindelig fejlkilde i strømsensorer, der inkorporerer et magnetisk kredsløb, er hysteresefejlen forårsaget af remanent magnetisme.Dette er ofte op til 400mA, hvilket gør sådanne sensorer uegnede til batteriovervågning.Ved at vælge det bedste magnetiske materiale har Raztec reduceret denne kvalitet til 20mA, og denne fejl er faktisk reduceret over tid.Hvis der kræves mindre fejl, er afmagnetisering mulig, men tilføjer betydelig kompleksitet.
En mindre fejl er driften af overføringsfunktionens kalibrering med temperaturen, men for massesensorer er denne effekt meget mindre end driften af cellens ydeevne med temperaturen.
Den bedste tilgang til SOC-estimering er at bruge en kombination af teknikker såsom stabile tomgangsspændinger, cellespændinger kompenseret af IXR, kulometriske tællinger og temperaturkompensation af parametre.For eksempel kan langsigtede integrationsfejl ignoreres ved at estimere SOC for tomgangs- eller lavbelastningsbatterispændinger.
Indlægstid: Aug-09-2022