Η θεωρία της φόρτισης και εκφόρτισης λιθίου & ο σχεδιασμός της μεθόδου υπολογισμού ηλεκτρικής ενέργειας
2. Εισαγωγή στο μετρητή μπαταρίας
2.1 Λειτουργία εισαγωγής μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας
Η διαχείριση της μπαταρίας μπορεί να θεωρηθεί ως μέρος της διαχείρισης ενέργειας.Στη διαχείριση της μπαταρίας, ο μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υπεύθυνος για την εκτίμηση της χωρητικότητας της μπαταρίας.Η βασική του λειτουργία είναι να παρακολουθεί την τάση, το ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης και τη θερμοκρασία της μπαταρίας και να εκτιμά την κατάσταση φόρτισης (SOC) και τη χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) της μπαταρίας.Υπάρχουν δύο τυπικές μέθοδοι για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης της μπαταρίας: η μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV) και η κουλομετρική μέθοδος.Η άλλη μέθοδος είναι ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης που σχεδίασε η RICHTEK.
2.2 Μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος
Είναι εύκολο να πραγματοποιηθεί ο μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας χρησιμοποιώντας τη μέθοδο τάσης ανοιχτού κυκλώματος, η οποία μπορεί να επιτευχθεί ελέγχοντας την αντίστοιχη κατάσταση φόρτισης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος.Η τάση ανοιχτού κυκλώματος θεωρείται ότι είναι η τάση ακροδεκτών της μπαταρίας όταν η μπαταρία ακινητοποιείται για περισσότερα από 30 λεπτά.
Η καμπύλη τάσης της μπαταρίας θα ποικίλλει ανάλογα με το φορτίο, τη θερμοκρασία και τη γήρανση της μπαταρίας.Επομένως, ένα σταθερό βολτόμετρο ανοιχτού κυκλώματος δεν μπορεί να αντιπροσωπεύει πλήρως την κατάσταση φόρτισης.Η κατάσταση χρέωσης δεν μπορεί να εκτιμηθεί κοιτάζοντας μόνο τον πίνακα.Με άλλα λόγια, εάν η κατάσταση φόρτισης εκτιμάται μόνο κοιτάζοντας τον πίνακα, το σφάλμα θα είναι μεγάλο.
Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι η κατάσταση φόρτισης (SOC) της ίδιας τάσης μπαταρίας είναι πολύ διαφορετική από τη μέθοδο της τάσης ανοιχτού κυκλώματος υπό φόρτιση και εκφόρτιση.
Εικόνα 5. Τάση μπαταρίας υπό συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης
Μπορεί να φανεί από το παρακάτω σχήμα ότι η κατάσταση φόρτισης ποικίλλει πολύ κάτω από διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση.Επομένως, βασικά, η μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος είναι κατάλληλη μόνο για συστήματα που απαιτούν χαμηλή ακρίβεια της κατάστασης φόρτισης, όπως αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν μπαταρίες μολύβδου-οξέος ή αδιάλειπτα τροφοδοτικά.
Εικόνα 6. Τάση μπαταρίας υπό διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση
2.3 Κουλομετρική μέθοδος
Η αρχή λειτουργίας της κουλομετρίας είναι η σύνδεση μιας αντίστασης ανίχνευσης στη διαδρομή φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας.Το ADC μετρά την τάση στην αντίσταση ανίχνευσης και τη μετατρέπει στην τρέχουσα τιμή της μπαταρίας που φορτίζεται ή αποφορτίζεται.Ο μετρητής πραγματικού χρόνου (RTC) μπορεί να ενσωματώσει την τρέχουσα τιμή με το χρόνο για να γνωρίζει πόσα coulomb ρέουν.
Εικόνα 7. Βασικός τρόπος λειτουργίας της μεθόδου μέτρησης coulomb
Η κουλομετρική μέθοδος μπορεί να υπολογίσει με ακρίβεια την κατάσταση φόρτισης σε πραγματικό χρόνο κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση.Με τον μετρητή κουλόμπ φόρτισης και τον μετρητή κουλόμπ εκφόρτισης, μπορεί να υπολογίσει την υπολειπόμενη ηλεκτρική χωρητικότητα (RM) και την πλήρη χωρητικότητα φόρτισης (FCC).Ταυτόχρονα, η υπολειπόμενη χωρητικότητα φόρτισης (RM) και η χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της κατάστασης φόρτισης (SOC=RM/FCC).Επιπλέον, μπορεί επίσης να εκτιμήσει τον υπολειπόμενο χρόνο, όπως εξάντληση ισχύος (TTE) και πληρότητα ισχύος (TTF).
Εικόνα 8. Τύπος υπολογισμού της μεθόδου coulomb
Υπάρχουν δύο κύριοι παράγοντες που προκαλούν την απόκλιση της ακρίβειας της μετρολογίας κουλόμπ.Το πρώτο είναι η συσσώρευση του σφάλματος μετατόπισης στην ανίχνευση ρεύματος και τη μέτρηση ADC.Αν και το σφάλμα μέτρησης είναι σχετικά μικρό με την τρέχουσα τεχνολογία, εάν δεν υπάρχει καλή μέθοδος για την εξάλειψή του, το σφάλμα θα αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου.Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι σε πρακτική εφαρμογή, εάν δεν υπάρχει διόρθωση στη χρονική διάρκεια, το συσσωρευμένο σφάλμα είναι απεριόριστο.
Σχήμα 9. Σωρευτικό σφάλμα μεθόδου coulomb
Προκειμένου να εξαλειφθεί το συσσωρευμένο σφάλμα, υπάρχουν τρία πιθανά χρονικά σημεία στην κανονική λειτουργία της μπαταρίας: τέλος φόρτισης (EOC), τέλος εκφόρτισης (EOD) και ξεκούραση (Relax).Η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη και η κατάσταση φόρτισης (SOC) θα πρέπει να είναι 100% όταν επιτευχθεί η τελική κατάσταση φόρτισης.Η κατάσταση λήξης αποφόρτισης σημαίνει ότι η μπαταρία έχει αποφορτιστεί πλήρως και η κατάσταση φόρτισης (SOC) πρέπει να είναι 0%.Μπορεί να είναι απόλυτη τιμή τάσης ή να αλλάζει με το φορτίο.Όταν φτάσετε στην κατάσταση ηρεμίας, η μπαταρία δεν φορτίζεται ούτε αποφορτίζεται και παραμένει σε αυτήν την κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα.Εάν ο χρήστης θέλει να χρησιμοποιήσει την κατάσταση ηρεμίας της μπαταρίας για να διορθώσει το σφάλμα της κουλομετρικής μεθόδου, πρέπει να χρησιμοποιήσει ένα βολτόμετρο ανοιχτού κυκλώματος αυτήν τη στιγμή.Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι το σφάλμα κατάστασης φόρτισης υπό τις παραπάνω συνθήκες μπορεί να διορθωθεί.
Σχήμα 10. Προϋποθέσεις για την εξάλειψη του αθροιστικού σφάλματος της κουλομετρικής μεθόδου
Ο δεύτερος κύριος παράγοντας που προκαλεί την απόκλιση ακρίβειας της μεθόδου μέτρησης κουλόμπ είναι το σφάλμα χωρητικότητας πλήρους φόρτισης (FCC), το οποίο είναι η διαφορά μεταξύ της χωρητικότητας σχεδιασμού της μπαταρίας και της πραγματικής χωρητικότητας πλήρους φόρτισης της μπαταρίας.Η χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) θα επηρεαστεί από τη θερμοκρασία, τη γήρανση, το φορτίο και άλλους παράγοντες.Επομένως, η μέθοδος εκ νέου εκμάθησης και αντιστάθμισης της πλήρως φορτισμένης χωρητικότητας είναι πολύ σημαντική για την κουλομετρική μέθοδο.Το παρακάτω σχήμα δείχνει την τάση του σφάλματος SOC όταν η πλήρης χωρητικότητα φόρτισης υπερεκτιμάται και υποτιμάται.
Εικόνα 11. Τάση σφάλματος όταν η χωρητικότητα πλήρους φόρτισης υπερεκτιμάται και υποτιμάται
Ώρα δημοσίευσης: Φεβ-15-2023