Вовед во мерачи на батерии

Вовед во мерачи на батерии

1.1 Вовед во функциите на мерачот на електрична енергија

Управувањето со батериите може да се смета како дел од управувањето со енергијата. Во управувањето со батериите, мерачот на електрична енергија е одговорен за проценка на капацитетот на батеријата. Неговата основна функција е да го следи напонот, струјата на полнење/празнење и температурата на батеријата и да ја процени состојбата на полнење (SOC) и капацитетот за целосно полнење (FCC) на батеријата. Постојат два типични методи за проценка на состојбата на полнење на батеријата: метод на напон на отворено коло (OCV) и метод на мерење Кулумби. Друг метод е алгоритам за динамички напон дизајниран од RICHTEK.

1.2 Метод на напон на отворено коло

Начинот на имплементација на користење на метод на отворено коло напон за мерач на електрична енергија е релативно лесен и може да се добие со проверка на соодветната состојба на полнење на напонот на отвореното коло. Претпоставениот услов за напон на отворено коло е напонот на терминалот на батеријата кога батеријата мирува околу 30 минути.

Кривата на напонот на батеријата варира во зависност од оптоварувањето, температурата и стареењето на батеријата. Затоа, волтметар со фиксно отворено коло не може целосно да ја претстави состојбата на полнење; Не е можно да се процени состојбата на полнење само со барање табели. Со други зборови, ако состојбата на полнење се проценува само со барање табела, грешката ќе биде значајна.

Следната слика покажува дека при ист напон на батеријата, постои значителна разлика во состојбата на полнење добиена преку методот на напон на отворено коло.

        Слика 5. Напон на батеријата во услови на полнење и празнење

Како што е прикажано на сликата подолу, постои и значајна разлика во состојбата на полнење при различни оптоварувања за време на празнењето. Значи, во основа, методот на напон на отворено коло е погоден само за системи со ниски барања за точност за состојбата на полнење, како што се автомобилите што користат оловно-киселински батерии или непрекинато напојување.

            Слика 2. Напон на батеријата при различни оптоварувања при празнење

1.3 Кулумбиска метрологија

Принципот на работа на Кулоновата метрологија е да се поврзе отпорник за откривање на патеката за полнење/празнење на батеријата. ADC го мери напонот на отпорникот за откривање и го претвора во моменталната вредност на батеријата што се полни или празне. Бројачот во реално време (RTC) обезбедува интеграција на тековната вредност со времето за да се одреди колку Куломби течат.

               Слика 3. Основен режим на работа на методот на мерење на Кулон

Кулумбиската метрологија може точно да ја пресмета состојбата на полнење во реално време за време на процесот на полнење или празнење. Со користење на кулонов бројач за полнење и кулонов бројач за празнење, може да го пресмета преостанатиот електричен капацитет (RM) и целосниот капацитет за полнење (FCC). Во исто време, преостанатиот капацитет на полнење (RM) и целосно наполнет капацитет (FCC) исто така може да се користат за пресметување на состојбата на полнење, т.е. (SOC=RM/FCC). Покрај тоа, може да го процени и преостанатото време, како што се трошење на енергија (TTE) и полнење на енергија (TTF).

                    Слика 4. Формула за пресметка за кулонова метрологија

Постојат два главни фактори кои предизвикуваат отстапување на точноста на кулоновата метрологија. Првата е акумулација на офсет грешки во мерењето на струјата и ADC. Иако грешката во мерењето е релативно мала со сегашната технологија, без добар метод за нејзино отстранување, оваа грешка ќе се зголемува со текот на времето. Следната слика покажува дека во практична примена, доколку нема корекција на времетраењето, акумулираната грешка е неограничена.

              Слика 5. Акумулирана грешка на методот на мерење на Кулон

За да се отстранат кумулативните грешки, постојат три можни временски точки што може да се користат при нормално функционирање на батеријата: Крај на полнење (EOC), Крај на празнење (EOD) и Одмор (Опуштете се). Кога е исполнет условот за завршување на полнењето, тоа покажува дека батеријата е целосно наполнета и дека состојбата на полнење (SOC) треба да биде 100%. Состојбата на крајот на празнењето покажува дека батеријата е целосно испразнета и состојбата на полнење (SOC) треба да биде 0%; Може да биде апсолутна вредност на напонот или може да варира во зависност од оптоварувањето. Кога ќе дојдете во состојба на мирување, батеријата не се полни, ниту се испразнува и останува во оваа состојба подолг временски период. Ако корисникот сака да ја користи состојбата на мирување на батеријата за да ја поправи грешката на кулометрискиот метод, во овој момент мора да се користи волтметар со отворено коло. Следната слика покажува дека грешката во состојбата на полнење може да се коригира во горенаведените состојби.

            Слика 6. Услови за елиминирање на акумулираните грешки во кулумбиската метрологија

Вториот главен фактор што предизвикува отстапување на точноста на кулоновата метрологија е грешката за целосно полнење (FCC), што е разликата помеѓу дизајнираниот капацитет на батеријата и вистинскиот капацитет за целосно полнење на батеријата. Целосно наполнетиот капацитет (FCC) е под влијание на фактори како што се температурата, стареењето и оптоварувањето. Затоа, методите за повторно учење и компензација за целосно наполнет капацитет се клучни за Кулумбиската метрологија. На следната слика е прикажан тренд феноменот на грешка во состојба на полнење кога целосно наполнетиот капацитет е преценет и потценет.

             Слика 7: Тренд на грешка кога капацитетот целосно наполнет е преценет и потценет

1.4 Мерач на електрична енергија со динамички напонски алгоритам

Алгоритамот за динамички напон може да ја пресмета состојбата на полнење на литиумската батерија само врз основа на напонот на батеријата. Овој метод го проценува зголемувањето или намалувањето на состојбата на полнење врз основа на разликата помеѓу напонот на батеријата и напонот на отвореното коло на батеријата. Информациите за динамичкиот напон може ефективно да го симулираат однесувањето на литиумските батерии и да ја одредат состојбата на полнење (SOC) (%), но овој метод не може да ја процени вредноста на капацитетот на батеријата (mAh).

Неговиот метод на пресметка се заснова на динамичката разлика помеѓу напонот на батеријата и напонот на отворено коло и ја проценува состојбата на полнење со користење на итеративни алгоритми за пресметување на секое зголемување или намалување на состојбата на полнење. Во споредба со решението на броилата на електрична енергија на методот Кулон, броилата со динамички напонски алгоритам не акумулираат грешки со текот на времето и струјата. Кулумбиските мерни броила често имаат неточна проценка на состојбата на полнење поради тековните грешки во сензорот и самопразнењето на батеријата. Дури и ако тековната грешка на сензорот е многу мала, бројачот на Кулон ќе продолжи да акумулира грешки, кои може да се елиминираат само по целосно полнење или празнење.

Алгоритам за динамички напон се користи за да се процени состојбата на полнење на батеријата само врз основа на информации за напонот; Бидејќи не се проценува врз основа на моменталните информации за батеријата, нема акумулација на грешки. За да се подобри точноста на состојбата на полнење, алгоритамот за динамички напон треба да користи вистински уред за прилагодување на параметрите на оптимизиран алгоритам врз основа на вистинската крива на напонот на батеријата при целосно наполнети и целосно испразнети услови.

     Слика 8. Изведба на алгоритам за динамички напон за мерач на електрична енергија и оптимизација на засилување

Следното е изведбата на алгоритамот за динамички напон при различни услови на стапка на празнење во однос на состојбата на полнење. Како што е прикажано на сликата, неговата прецизност на состојбата на полнење е добра. Без оглед на условите за празнење на C/2, C/4, C/7 и C/10, вкупната грешка во состојба на полнење на овој метод е помала од 3%.

      Слика 9. Изведба на состојбата на полнење на алгоритам за динамички напон под различни услови за стапка на празнење

Следната слика ја прикажува состојбата на полнење на батеријата при кратко полнење и кратко празнење. Грешката на состојбата на полнење е сè уште многу мала, а максималната грешка е само 3%.

       Слика 10. Изведба на состојбата на полнење на алгоритам за динамички напон во случај на кратко полнење и кратко празнење на батерии

Во споредба со методот на мерење Кулон, кој обично резултира со неточна состојба на полнење поради грешки во сензорот на струјата и самопразнење на батеријата, алгоритамот за динамички напон не акумулира грешки со текот на времето и струјата, што е голема предност. Поради недостаток на информации за струите на полнење/празнење, алгоритамот за динамички напон има слаба краткорочна точност и бавно време на одговор. Понатаму, не може да го процени целосниот капацитет за полнење. Сепак, тој работи добро во однос на долгорочната прецизност, бидејќи напонот на батеријата на крајот директно ја одразува нејзината состојба на полнење.