Uppskattning av laddningstillståndet (SOC) för ett litiumbatteri är tekniskt svårt, särskilt i applikationer där batteriet inte är fulladdat eller helt urladdat.Sådana applikationer är hybridelektriska fordon (HEV).Utmaningen härrör från litiumbatteriernas mycket platta spänningsurladdningsegenskaper.Spänningen ändras knappast från 70 % SOC till 20 % SOC.Faktum är att spänningsvariationen på grund av temperaturförändringar liknar spänningsvariationen på grund av urladdning, så om SOC ska härledas från spänningen måste celltemperaturen kompenseras för.
En annan utmaning är att batterikapaciteten bestäms av kapaciteten hos cellen med lägst kapacitet, så SOC bör inte bedömas utifrån cellens terminalspänning, utan på terminalspänningen för den svagaste cellen.Allt det här låter lite för svårt.Så varför behåller vi inte helt enkelt den totala mängden ström som flyter in i cellen och balanserar den med strömmen som flyter ut?Detta är känt som coulometrisk räkning och låter enkelt nog, men det finns många svårigheter med denna metod.
Batterierär inte perfekta batterier.De ger aldrig tillbaka det du stoppar i dem.Det finns läckström under laddning, som varierar med temperatur, laddningshastighet, laddningstillstånd och åldrande.
Kapaciteten hos ett batteri varierar också icke-linjärt med urladdningshastigheten.Ju snabbare urladdning, desto lägre kapacitet.Från en 0,5C urladdning till en 5C urladdning kan minskningen vara så hög som 15 %.
Batterier har en betydligt högre läckström vid högre temperaturer.De interna cellerna i ett batteri kan bli varmare än de externa cellerna, så cellläckaget genom batteriet blir ojämnt.
Kapaciteten är också en funktion av temperaturen.Vissa litiumkemikalier påverkas mer än andra.
För att kompensera för denna ojämlikhet används cellbalansering inom batteriet.Denna extra läckström är inte mätbar utanför batteriet.
Batterikapaciteten minskar stadigt under cellens livslängd och med tiden.
Varje liten offset i den aktuella mätningen kommer att integreras och kan med tiden bli ett stort antal, vilket allvarligt påverkar noggrannheten hos SOC.
Allt ovanstående kommer att resultera i en avvikelse i noggrannhet över tiden om inte regelbunden kalibrering utförs, men detta är endast möjligt när batteriet är nästan urladdat eller nästan fullt.I HEV-applikationer är det bäst att hålla batteriet på cirka 50 % laddning, så ett möjligt sätt att på ett tillförlitligt sätt korrigera mätnoggrannheten är att periodvis ladda batteriet helt.Rena elfordon laddas regelbundet till fulla eller nästan fulla, så mätning baserad på kulometriska räkningar kan vara mycket exakt, särskilt om andra batteriproblem kompenseras för.
Nyckeln till god noggrannhet i kulometrisk räkning är bra strömdetektion över ett brett dynamiskt område.
Den traditionella metoden att mäta ström är för oss en shunt, men dessa metoder faller ner när högre (250A+) strömmar är inblandade.På grund av strömförbrukningen måste shunten ha lågt motstånd.Lågresistansshuntar är inte lämpliga för att mäta låga (50mA) strömmar.Detta väcker omedelbart den viktigaste frågan: vilka är de minsta och maximala strömmarna som ska mätas?Detta kallas det dynamiska området.
Om man antar en batterikapacitet på 100Ahr, en grov uppskattning av det acceptabla integrationsfelet.
Ett 4 Amp-fel ger 100 % av felen på en dag eller ett 0,4A-fel ger 10 % av felen under en dag.
Ett 4/7A-fel ger 100 % av felen inom en vecka eller ett 60mA-fel ger 10 % av felen inom en vecka.
Ett 4/28A-fel ger ett 100% fel på en månad eller ett 15mA-fel ger ett 10%-fel under en månad, vilket förmodligen är den bästa mätningen som kan förväntas utan omkalibrering på grund av laddning eller nästan fullständig urladdning.
Låt oss nu titta på shunten som mäter strömmen.För 250A kommer en 1m ohm shunt att vara på överkanten och producera 62,5W.Men vid 15mA kommer den bara att producera 15 mikrovolt, vilket kommer att förloras i bakgrundsljudet.Det dynamiska området är 250A/15mA = 17 000:1.Om en 14-bitars A/D-omvandlare verkligen kan "se" signalen i brus, offset och drift, så krävs en 14-bitars A/D-omvandlare.En viktig orsak till offset är spänningen och jordslingans offset som genereras av termoelementet.
I grunden finns det ingen sensor som kan mäta ström i detta dynamiska område.Högströmssensorer behövs för att mäta de högre strömmarna från drag- och laddningsexempel, medan lågströmssensorer behövs för att mäta strömmar från till exempel tillbehör och eventuellt nollströmstillstånd.Eftersom lågströmssensorn också "ser" den höga strömmen kan den inte skadas eller förvanskas av dessa, förutom mättnad.Detta beräknar omedelbart shuntströmmen.
En lösning
En mycket lämplig familj av sensorer är halleffektströmsensorer med öppen slinga.Dessa enheter kommer inte att skadas av höga strömmar och Raztec har utvecklat en sensorserie som faktiskt kan mäta strömmar i milliamperområdet genom en enda ledare.en överföringsfunktion på 100mV/AT är praktiskt, så en 15mA ström ger en användbar 1,5mV.genom att använda det bästa tillgängliga kärnmaterialet kan också mycket låg remanens i intervallet för enstaka milliampere uppnås.Vid 100mV/AT kommer mättnad att ske över 25 Amp.Den lägre programmeringsförstärkningen tillåter naturligtvis högre strömmar.
Höga strömmar mäts med hjälp av konventionella högströmssensorer.Att byta från en sensor till en annan kräver enkel logik.
Raztecs nya serie av kärnlösa sensorer är ett utmärkt val för högströmssensorer.Dessa enheter erbjuder utmärkt linjäritet, stabilitet och noll hysteres.De är lätta att anpassa till ett brett utbud av mekaniska konfigurationer och strömområden.Dessa enheter görs praktiska med hjälp av en ny generation magnetfältssensorer med utmärkt prestanda.
Båda sensortyperna förblir fördelaktiga för att hantera signal-brus-förhållanden med det mycket höga dynamiska omfånget av strömmar som krävs.
Extrem noggrannhet skulle dock vara överflödig eftersom batteriet i sig inte är en exakt coulombräknare.Ett fel på 5 % mellan laddning och urladdning är typiskt för batterier där ytterligare inkonsekvenser finns.Med detta i åtanke kan en relativt enkel teknik med en grundläggande batterimodell användas.Modellen kan inkludera tomgångsspänning mot kapacitet, laddningsspänning mot kapacitet, urladdnings- och laddningsmotstånd som kan modifieras med kapacitet och laddnings-/urladdningscykler.Lämpliga uppmätta spänningstidskonstanter måste fastställas för att ta hänsyn till utarmnings- och återhämtningsspänningens tidskonstanter.
En betydande fördel med litiumbatterier av god kvalitet är att de förlorar mycket liten kapacitet vid höga urladdningshastigheter.Detta faktum förenklar beräkningar.De har också en mycket låg läckström.Systemläckaget kan vara högre.
Denna teknik möjliggör uppskattning av laddningstillståndet inom några få procentenheter av den faktiska återstående kapaciteten efter fastställande av lämpliga parametrar, utan behov av coulombräkning.Batteriet blir en coulombräknare.
Felkällor inom den aktuella sensorn
Som nämnts ovan är offsetfelet kritiskt för den kulometriska räkningen och åtgärder bör vidtas inom SOC-monitorn för att kalibrera sensoroffset till noll under nollströmsförhållanden.Detta är normalt endast möjligt under fabriksinstallation.Det kan dock finnas system som bestämmer nollström och därför tillåter automatisk omkalibrering av offset.Detta är en idealisk situation eftersom drift kan tillgodoses.
Tyvärr producerar alla sensorteknologier termisk offsetdrift, och strömsensorer är inget undantag.Vi kan nu se att detta är en kritisk egenskap.Genom att använda kvalitetskomponenter och noggrann design på Raztec har vi utvecklat en rad termiskt stabila strömsensorer med ett driftområde på <0,25mA/K.För en temperaturförändring på 20K kan detta ge ett maximalt fel på 5mA.
En annan vanlig felkälla i strömsensorer som innehåller en magnetisk krets är hysteresfelet som orsakas av remanent magnetism.Detta är ofta upp till 400mA, vilket gör sådana sensorer olämpliga för batteriövervakning.Genom att välja det bästa magnetiska materialet har Raztec minskat denna kvalitet till 20mA och detta fel har faktiskt minskat med tiden.Om mindre fel krävs, är avmagnetisering möjlig, men lägger till avsevärd komplexitet.
Ett mindre fel är driften av överföringsfunktionens kalibrering med temperatur, men för masssensorer är denna effekt mycket mindre än driften av cellens prestanda med temperaturen.
Det bästa tillvägagångssättet för SOC-uppskattning är att använda en kombination av tekniker såsom stabila tomgångsspänningar, cellspänningar kompenserade av IXR, kulometriska räkningar och temperaturkompensation av parametrar.Till exempel kan långtidsintegreringsfel ignoreras genom att uppskatta SOC för tomgångs- eller lågbelastningsbatterispänningar.
Posttid: 2022-09-09