Introduktion till batterimätare

Introduktion till batterimätare

1.1 Introduktion till elmätarens funktioner

Batterihantering kan betraktas som en del av energihantering. Inom batterihantering ansvarar elmätaren för att uppskatta batterikapaciteten. Dess grundläggande funktion är att övervaka spänning, laddnings-/urladdningsström och batteritemperatur och uppskatta batteriets laddningstillstånd (SOC) och full laddningskapacitet (FCC). Det finns två typiska metoder för att uppskatta laddningstillståndet för ett batteri: den öppna kretsspänningsmetoden (OCV) och den Coulombiska mätmetoden. En annan metod är den dynamiska spänningsalgoritmen designad av RICHTEK.

1.2 Metod för öppen spänning

Implementeringsmetoden för att använda en öppen kretsspänningsmetod för en elmätare är relativt enkel och kan erhållas genom att kontrollera motsvarande laddningstillstånd för öppen kretsspänningen. Det antagna villkoret för öppen kretsspänning är batteripolspänningen när batteriet vilar i cirka 30 minuter.

Batteriets spänningskurva varierar beroende på belastning, temperatur och åldring av batteriet. Därför kan en voltmeter med fast öppen krets inte helt representera laddningstillståndet; Det är inte möjligt att uppskatta laddningsläget enbart genom att slå upp tabeller. Med andra ord, om laddningstillståndet uppskattas enbart genom att slå upp en tabell, kommer felet att vara betydande.

Följande figur visar att under samma batterispänning finns det en signifikant skillnad i laddningstillståndet som erhålls genom öppen kretsspänningsmetoden.

        Figur 5. Batterispänning under laddnings- och urladdningsförhållanden

Som visas i figuren nedan är det också en signifikant skillnad i laddningstillståndet under olika belastningar under urladdning. Så i grund och botten är öppen kretsspänningsmetoden endast lämplig för system med låga noggrannhetskrav för laddningstillstånd, såsom bilar som använder blybatterier eller avbrottsfri strömförsörjning.

            Figur 2. Batterispänning under olika belastningar under urladdning

1.3 Coulombisk metrologi

Funktionsprincipen för Coulomb metrologi är att ansluta ett detekteringsmotstånd på batteriets laddnings-/urladdningsväg. ADC mäter spänningen på detekteringsmotståndet och omvandlar den till strömvärdet för batteriet som laddas eller laddas ur. Realtidsräknare (RTC) ger integrering av det aktuella värdet med tiden för att bestämma hur många Coulombs som flödar.

               Figur 3. Grundläggande arbetssätt för Coulomb-mätmetoden

Coulombic metrologi kan exakt beräkna laddningstillståndet i realtid under laddnings- eller urladdningsprocessen. Genom att använda en laddningsräknare för Coulomb och en urladdningsräknare för Coulomb kan den beräkna den återstående elektriska kapaciteten (RM) och den fulla laddningskapaciteten (FCC). Samtidigt kan den återstående laddningskapaciteten (RM) och fulladdad kapacitet (FCC) också användas för att beräkna laddningstillståndet, dvs (SOC=RM/FCC). Dessutom kan den också uppskatta den återstående tiden, såsom strömförbrukning (TTE) och strömuppladdning (TTF).

                    Figur 4. Beräkningsformel för Coulomb Metrology

Det finns två huvudfaktorer som orsakar noggrannhetsavvikelsen för Coulomb-metrologi. Den första är ackumuleringen av offsetfel vid strömavkänning och ADC-mätning. Även om mätfelet är relativt litet med nuvarande teknik, utan en bra metod för att eliminera det, kommer detta fel att öka med tiden. Följande figur visar att i praktiska tillämpningar, om det inte finns någon korrigering under tiden, är det ackumulerade felet obegränsat.

              Figur 5. Ackumulerat fel för Coulomb-mätmetoden

För att eliminera kumulativa fel finns det tre möjliga tidpunkter som kan användas under normal batteridrift: End of Charge (EOC), End of Discharge (EOD) och Vila (Relax). När laddningsvillkoret är uppfyllt, indikerar det att batteriet är fulladdat och att laddningstillståndet (SOC) ska vara 100 %. Urladdningssluttillståndet indikerar att batteriet är helt urladdat och att laddningstillståndet (SOC) bör vara 0 %; Det kan vara ett absolut spänningsvärde eller det kan variera med belastningen. När batteriet når ett viloläge varken laddas eller urladdas, och det förblir i detta tillstånd under en lång tid. Om användaren vill använda batteriets viloläge för att korrigera felet i den kulometriska metoden, måste en voltmeter med öppen krets användas vid denna tidpunkt. Följande figur visar att laddningstillståndsfelet kan korrigeras i ovanstående tillstånd.

            Figur 6. Villkor för att eliminera ackumulerade fel i Coulombic Metrology

Den andra huvudfaktorn som orsakar noggrannhetsavvikelsen för Coulomb-metrologi är FCC-felet (Full Charge Capacity), vilket är skillnaden mellan batteriets designade kapacitet och batteriets verkliga fullladdningskapacitet. Den fulladdade kapaciteten (FCC) påverkas av faktorer som temperatur, åldring och belastning. Därför är ominlärnings- och kompensationsmetoderna för fulladdad kapacitet avgörande för Coulombic metrologi. Följande figur visar trendfenomenet med laddningstillståndsfel när den fulladdade kapaciteten är över- och underskattad.

             Figur 7: Feltrender när fulladdad kapacitet är över- och underskattad

1.4 Dynamisk spänningsalgoritm elmätare

Den dynamiska spänningsalgoritmen kan beräkna laddningstillståndet för ett litiumbatteri baserat enbart på batterispänningen. Denna metod uppskattar ökningen eller minskningen av laddningstillståndet baserat på skillnaden mellan batterispänningen och den öppna kretsspänningen för batteriet. Den dynamiska spänningsinformationen kan effektivt simulera beteendet hos litiumbatterier och bestämma laddningstillståndet (SOC) (%), men denna metod kan inte uppskatta batterikapacitetsvärdet (mAh).

Dess beräkningsmetod är baserad på den dynamiska skillnaden mellan batterispänning och öppen kretsspänning, och uppskattar laddningstillståndet genom att använda iterativa algoritmer för att beräkna varje ökning eller minskning av laddningstillståndet. Jämfört med lösningen av Coulomb-metoden elmätare, ackumulerar dynamiska spänningsalgoritmer elmätare inte fel över tid och ström. Coulombic mätare har ofta en felaktig uppskattning av laddningstillståndet på grund av strömavkänningsfel och batteriets självurladdning. Även om strömavkänningsfelet är mycket litet, kommer Coulomb-räknaren att fortsätta att ackumulera fel, som endast kan elimineras efter fullständig laddning eller urladdning.

Den dynamiska spänningsalgoritmen används för att uppskatta laddningstillståndet för ett batteri baserat enbart på spänningsinformation; Eftersom det inte uppskattas baserat på aktuell information om batteriet, finns det ingen ansamling av fel. För att förbättra noggrannheten i laddningstillståndet måste den dynamiska spänningsalgoritmen använda en verklig enhet för att justera parametrarna för en optimerad algoritm baserat på den faktiska batterispänningskurvan under fullt laddade och helt urladdade förhållanden.

     Figur 8. Prestanda för dynamisk spänningsalgoritm för elmätare och förstärkningsoptimering

Följande är prestandan för den dynamiska spänningsalgoritmen under olika urladdningshastighetsförhållanden när det gäller laddningstillstånd. Som visas i figuren är dess laddningsnoggrannhet bra. Oavsett urladdningsförhållandena för C/2, C/4, C/7 och C/10 är det totala laddningsfelet för denna metod mindre än 3%.

      Figur 9. Prestanda för laddningstillståndet för den dynamiska spänningsalgoritmen under olika urladdningshastighetsförhållanden

Följande bild visar batteriets laddningstillstånd under kort laddning och kort urladdning. Felet i laddningstillståndet är fortfarande mycket litet, och det maximala felet är bara 3%.

       Figur 10. Prestanda för laddningstillståndet för den dynamiska spänningsalgoritmen i fallet med kort laddning och kort urladdning av batterier

Jämfört med Coulomb-mätmetoden, som vanligtvis resulterar i felaktigt laddningstillstånd på grund av strömavkänningsfel och batteriets självurladdning, ackumulerar den dynamiska spänningsalgoritmen inte fel över tid och ström, vilket är en stor fördel. På grund av bristen på information om laddnings-/urladdningsströmmar har den dynamiska spänningsalgoritmen dålig kortsiktig noggrannhet och långsam svarstid. Dessutom kan den inte uppskatta den fulla laddningskapaciteten. Den presterar dock bra när det gäller långsiktig noggrannhet, eftersom batterispänningen i slutändan direkt återspeglar dess laddningstillstånd.