Teoria ładowania i rozładowania litu oraz projektowanie metody obliczania energii elektrycznej
2. Wprowadzenie do miernika baterii
2.1 Wprowadzenie funkcji licznika energii elektrycznej
Zarządzanie baterią można uznać za część zarządzania energią.W zarządzaniu baterią licznik energii elektrycznej jest odpowiedzialny za oszacowanie pojemności baterii.Jego podstawową funkcją jest monitorowanie napięcia, prądu ładowania/rozładowania i temperatury akumulatora oraz szacowanie stanu naładowania (SOC) i pełnej pojemności ładowania (FCC) akumulatora.Istnieją dwie typowe metody szacowania stanu naładowania akumulatora: metoda napięciowa obwodu otwartego (OCV) oraz metoda kulometryczna.Drugą metodą jest dynamiczny algorytm napięciowy opracowany przez firmę RICHTEK.
2.2 Metoda napięcia obwodu otwartego
Łatwo jest zrealizować licznik energii elektrycznej za pomocą metody napięcia obwodu otwartego, którą można uzyskać, sprawdzając odpowiedni stan naładowania napięcia obwodu otwartego.Zakłada się, że napięcie obwodu otwartego jest napięciem na zaciskach akumulatora, gdy akumulator jest w stanie spoczynku przez ponad 30 minut.
Krzywa napięcia baterii będzie się różnić w zależności od obciążenia, temperatury i starzenia się baterii.Dlatego stały woltomierz obwodu otwartego nie może w pełni reprezentować stanu naładowania;Stanu naładowania nie można oszacować na podstawie samej tabeli.Innymi słowy, jeśli stan naładowania zostanie oszacowany tylko na podstawie tabeli, błąd będzie duży.
Poniższy rysunek pokazuje, że stan naładowania (SOC) tego samego napięcia akumulatora jest bardzo różny w przypadku metody napięcia otwartego obwodu podczas ładowania i rozładowywania.
Rysunek 5. Napięcie akumulatora w warunkach ładowania i rozładowania
Na poniższym rysunku widać, że stan naładowania zmienia się znacznie przy różnych obciążeniach podczas rozładowywania.Tak więc zasadniczo metoda napięcia w obwodzie otwartym jest odpowiednia tylko dla systemów, które wymagają niskiej dokładności stanu naładowania, takich jak samochody z akumulatorami kwasowo-ołowiowymi lub zasilacze awaryjne.
Rysunek 6. Napięcie akumulatora przy różnych obciążeniach podczas rozładowywania
2.3 Metoda kulometryczna
Zasada działania kulimetrii polega na podłączeniu rezystora wykrywającego na ścieżce ładowania/rozładowania akumulatora.ADC mierzy napięcie na rezystancji detekcji i przetwarza je na aktualną wartość ładowanego lub rozładowywanego akumulatora.Licznik czasu rzeczywistego (RTC) może zintegrować aktualną wartość z czasem, aby wiedzieć, ile przepływa kulombów.
Rysunek 7. Podstawowy tryb pracy metody pomiaru kulombowskiego
Metoda kulometryczna może dokładnie obliczyć stan naładowania w czasie rzeczywistym podczas ładowania lub rozładowywania.Za pomocą licznika kulombów ładunku i licznika kulombów rozładowania może obliczyć resztkową pojemność elektryczną (RM) i pełną pojemność ładunku (FCC).W tym samym czasie pozostała pojemność ładowania (RM) i pełna pojemność ładowania (FCC) mogą być również wykorzystane do obliczenia stanu naładowania (SOC=RM/FCC).Ponadto może również oszacować pozostały czas, taki jak wyczerpanie mocy (TTE) i pełnia mocy (TTF).
Rysunek 8. Wzór obliczeniowy metody kulombowskiej
Istnieją dwa główne czynniki, które powodują odchylenie dokładności metrologii kulombowskiej.Pierwszym z nich jest akumulacja błędu przesunięcia w wykrywaniu prądu i pomiarze ADC.Chociaż błąd pomiaru jest stosunkowo mały przy obecnej technologii, jeśli nie ma dobrej metody jego wyeliminowania, błąd będzie się zwiększał z czasem.Poniższy rysunek pokazuje, że w praktyce, jeśli nie ma korekty w czasie trwania, skumulowany błąd jest nieograniczony.
Rysunek 9. Skumulowany błąd metody kulombowskiej
Aby wyeliminować skumulowany błąd, istnieją trzy możliwe punkty czasowe w normalnej pracy akumulatora: koniec ładowania (EOC), koniec rozładowania (EOD) i odpoczynek (Relax).Akumulator jest w pełni naładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 100% po osiągnięciu warunku zakończenia ładowania.Stan końca rozładowania oznacza, że akumulator został całkowicie rozładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 0%;Może to być bezwzględna wartość napięcia lub zmiana wraz z obciążeniem.Po osiągnięciu stanu spoczynku akumulator nie jest ładowany ani rozładowywany i pozostaje w tym stanie przez długi czas.Jeśli użytkownik chce wykorzystać stan spoczynku baterii do skorygowania błędu metody kulometrycznej, musi w tym czasie użyć woltomierza otwartego.Poniższy rysunek pokazuje, że błąd stanu naładowania w powyższych warunkach można skorygować.
Rysunek 10. Warunki eliminacji błędu skumulowanego metody kulometrycznej
Drugim głównym czynnikiem powodującym odchylenie dokładności metody pomiaru kulombowskiego jest błąd pełnej pojemności ładowania (FCC), który jest różnicą między projektową pojemnością akumulatora a rzeczywistą pojemnością pełnego naładowania akumulatora.Na pojemność pełnego naładowania (FCC) będzie miała wpływ temperatura, starzenie się, obciążenie i inne czynniki.Dlatego metoda ponownego uczenia się i kompensacji w pełni naładowanej pojemności jest bardzo ważna dla metody kulometrycznej.Poniższy rysunek pokazuje trend błędu SOC, gdy pełna pojemność ładowania jest przeszacowana i niedoszacowana.
Rysunek 11. Trend błędu przy przeszacowaniu i niedoszacowaniu pojemności pełnego naładowania
Czas postu: 15 lutego 2023 r