تخمین وضعیت شارژ (SOC) یک باتری لیتیومی از نظر فنی دشوار است، به خصوص در کاربردهایی که باتری به طور کامل شارژ یا تخلیه نشده است. چنین کاربردهایی خودروهای الکتریکی هیبریدی (HEVs) هستند. این چالش از ویژگی های تخلیه ولتاژ بسیار صاف باتری های لیتیومی ناشی می شود. ولتاژ به سختی از 70٪ SOC به 20٪ SOC تغییر می کند. در واقع، تغییرات ولتاژ ناشی از تغییرات دما مشابه تغییرات ولتاژ ناشی از تخلیه است، بنابراین اگر قرار است SOC از ولتاژ استخراج شود، دمای سلول باید جبران شود.
چالش دیگر این است که ظرفیت باتری با ظرفیت سلول کمترین ظرفیت تعیین می شود، بنابراین SOC را نباید بر اساس ولتاژ ترمینال سلول، بلکه بر اساس ولتاژ پایانه ضعیف ترین سلول قضاوت کرد. این همه کمی بیش از حد دشوار به نظر می رسد. پس چرا ما به سادگی کل جریانی را که وارد سلول می شود حفظ نکنیم و آن را با جریان خارج شده متعادل نکنیم؟ این به عنوان شمارش کولومتریک شناخته می شود و به اندازه کافی ساده به نظر می رسد، اما این روش مشکلات زیادی دارد.
باتری هاباتری های کاملی نیستند آنها هرگز آنچه را که در آنها می گذارید بر نمی گردانند. جریان نشتی در هنگام شارژ وجود دارد که با دما، نرخ شارژ، وضعیت شارژ و پیری متفاوت است.
ظرفیت باتری نیز به صورت غیر خطی با میزان دشارژ تغییر می کند. هرچه سرعت تخلیه بیشتر باشد، ظرفیت کمتر است. از دبی 0.5 درجه سانتی گراد تا دبی 5 درجه سانتی گراد، کاهش می تواند تا 15 درصد باشد.
باتری ها در دماهای بالاتر جریان نشتی قابل توجهی بیشتری دارند. سلول‌های داخلی باتری ممکن است داغ‌تر از سلول‌های خارجی باشند، بنابراین نشت سلول از طریق باتری نابرابر خواهد بود.
ظرفیت نیز تابعی از دما است. برخی از مواد شیمیایی لیتیوم بیش از سایرین تحت تأثیر قرار می گیرند.
برای جبران این نابرابری، از تعادل سلولی در باتری استفاده می شود. این جریان نشتی اضافی خارج از باتری قابل اندازه گیری نیست.
ظرفیت باتری در طول عمر سلول و در طول زمان به طور پیوسته کاهش می یابد.
هر افست کوچک در اندازه‌گیری فعلی یکپارچه می‌شود و با گذشت زمان ممکن است به عدد بزرگی تبدیل شود که به طور جدی بر دقت SOC تأثیر می‌گذارد.
همه موارد فوق به مرور زمان منجر به کاهش دقت می شود مگر اینکه کالیبراسیون منظم انجام شود، اما این تنها زمانی امکان پذیر است که باتری تقریباً خالی یا تقریباً پر باشد. در کاربردهای HEV بهتر است باتری تقریباً 50 درصد شارژ نگه داشته شود، بنابراین یکی از راه‌های ممکن برای اصلاح مطمئن دقت اندازه‌گیری، شارژ دوره‌ای باتری به طور کامل است. وسایل نقلیه الکتریکی خالص به طور منظم به طور کامل یا تقریباً پر شارژ می شوند، بنابراین اندازه گیری بر اساس شمارش کولومتری می تواند بسیار دقیق باشد، به خصوص اگر سایر مشکلات باتری جبران شود.
کلید دقت خوب در شمارش کولومتریک، تشخیص جریان خوب در محدوده دینامیکی گسترده است.
روش سنتی اندازه‌گیری جریان برای ما یک شنت است، اما این روش‌ها زمانی که جریان‌های بالاتر (250A+) درگیر می‌شوند، سقوط می‌کنند. به دلیل مصرف برق، شنت باید مقاومت پایینی داشته باشد. شنت های مقاومت پایین برای اندازه گیری جریان های کم (50 میلی آمپر) مناسب نیستند. این بلافاصله مهمترین سوال را مطرح می کند: حداقل و حداکثر جریانی که باید اندازه گیری شود چیست؟ به این محدوده دینامیکی می گویند.
با فرض ظرفیت باتری 100Ahr، تخمین تقریبی از خطای یکپارچه سازی قابل قبول.
خطای 4 آمپر 100 درصد خطا در یک روز یا خطای 0.4 آمپر 10 درصد خطا در روز ایجاد می کند.
خطای 4/7 آمپر 100 درصد خطاها را در عرض یک هفته یا خطای 60 میلی آمپری 10 درصد خطاها را در عرض یک هفته ایجاد می کند.
خطای 4/28 آمپر در یک ماه خطای 100 درصدی ایجاد می کند یا خطای 15 میلی آمپری خطای 10 درصدی را در یک ماه ایجاد می کند که احتمالاً بهترین اندازه گیری است که می توان بدون کالیبراسیون مجدد به دلیل شارژ یا تقریباً تخلیه کامل انتظار داشت.
حال اجازه دهید به شنتی که جریان را اندازه گیری می کند نگاه کنیم. برای 250 آمپر، یک شنت 1 متری اهم در سمت بالا قرار دارد و 62.5 وات تولید می کند. با این حال، در 15 میلی آمپر تنها 15 میکروولت تولید می کند که در نویز پس زمینه از بین می رود. محدوده دینامیکی 250A/15mA = 17000:1 است. اگر یک مبدل A/D 14 بیتی واقعاً بتواند سیگنال را در نویز، افست و دریفت «ببیند»، یک مبدل A/D 14 بیتی مورد نیاز است. یکی از دلایل مهم آفست، آفست ولتاژ و حلقه زمین است که توسط ترموکوپل ایجاد می شود.
اساساً هیچ سنسوری وجود ندارد که بتواند جریان را در این محدوده دینامیکی اندازه گیری کند. سنسورهای جریان بالا برای اندازه‌گیری جریان‌های بالاتر از نمونه‌های کشش و شارژ مورد نیاز هستند، در حالی که سنسورهای جریان پایین برای اندازه‌گیری جریان‌ها از لوازم جانبی و هر حالت جریان صفر مورد نیاز هستند. از آنجایی که سنسور جریان کم جریان بالا را نیز "می بیند"، به جز اشباع، نمی تواند توسط اینها آسیب ببیند یا خراب شود. این بلافاصله جریان شنت را محاسبه می کند.
یک راه حل
یک خانواده بسیار مناسب از سنسورها سنسورهای جریان حلقه باز اثر هال هستند. این دستگاه ها توسط جریان های بالا آسیب نخواهند دید و Raztec یک محدوده سنسور ایجاد کرده است که در واقع می تواند جریان ها را در محدوده میلی آمپر از طریق یک هادی واحد اندازه گیری کند. تابع انتقال 100mV/AT عملی است، بنابراین یک جریان 15mA 1.5mV قابل استفاده تولید می کند. با استفاده از بهترین مواد هسته موجود، می توان به ماندگاری بسیار کم در محدوده تک میلی آمپر نیز دست یافت. در 100mV/AT، اشباع بالای 25 آمپر رخ می دهد. البته بهره برنامه نویسی کمتر امکان جریان های بالاتر را فراهم می کند.
جریان های بالا با استفاده از سنسورهای معمولی جریان بالا اندازه گیری می شوند. جابجایی از یک سنسور به سنسور دیگر نیاز به منطق ساده دارد.
طیف جدید حسگرهای بدون هسته Raztec یک انتخاب عالی برای سنسورهای جریان بالا هستند. این دستگاه ها خطی بودن، پایداری و هیسترزیس صفر عالی را ارائه می دهند. آنها به راحتی با طیف گسترده ای از تنظیمات مکانیکی و محدوده جریان سازگار هستند. این دستگاه ها با استفاده از نسل جدید حسگرهای میدان مغناطیسی با عملکرد عالی عملی شده اند.
هر دو نوع حسگر برای مدیریت نسبت سیگنال به نویز با دامنه دینامیکی بسیار بالای جریان های مورد نیاز مفید هستند.
با این حال، دقت بسیار زیاد است زیرا باتری خود یک شمارنده کولن دقیق نیست. خطای 5% بین شارژ و دشارژ برای باتری هایی که ناهماهنگی بیشتری وجود دارد، معمول است. با در نظر گرفتن این موضوع، می توان از یک تکنیک نسبتا ساده با استفاده از یک مدل باتری پایه استفاده کرد. این مدل می تواند شامل ولتاژ ترمینال بدون بار در مقابل ظرفیت، ولتاژ شارژ در مقابل ظرفیت، دشارژ و مقاومت شارژ باشد که می تواند با ظرفیت و چرخه های شارژ/دشارژ اصلاح شود. ثابت‌های زمانی ولتاژ اندازه‌گیری‌شده مناسب باید ایجاد شود تا ثابت‌های زمانی تخلیه و بازیابی ولتاژ را تطبیق دهد.
مزیت قابل توجه باتری های لیتیومی با کیفیت خوب این است که ظرفیت بسیار کمی را در نرخ های دشارژ بالا از دست می دهند. این واقعیت محاسبات را ساده می کند. همچنین جریان نشتی بسیار کمی دارند. نشتی سیستم ممکن است بیشتر باشد.
این تکنیک تخمین وضعیت شارژ را در چند درصد ظرفیت واقعی باقیمانده پس از ایجاد پارامترهای مناسب، بدون نیاز به شمارش کولن امکان پذیر می کند. باتری به یک شمارنده کولن تبدیل می شود.
منابع خطا در حسگر فعلی
همانطور که در بالا ذکر شد، خطای افست برای شمارش کولومتری حیاتی است و باید در مانیتور SOC برای کالیبره کردن آفست سنسور به صفر در شرایط فعلی صفر، پیش بینی شود. این معمولاً فقط در هنگام نصب کارخانه امکان پذیر است. با این حال، ممکن است سیستم‌هایی وجود داشته باشند که جریان صفر را تعیین کنند و بنابراین امکان کالیبراسیون خودکار آفست را فراهم کنند. این یک وضعیت ایده آل است زیرا رانش را می توان جای داد.
متأسفانه، تمام فناوری‌های حسگر، رانش افست حرارتی را ایجاد می‌کنند و سنسورهای جریان نیز از این قاعده مستثنی نیستند. اکنون می‌توانیم ببینیم که این یک کیفیت حیاتی است. با استفاده از اجزای با کیفیت و طراحی دقیق در Raztec، ما طیفی از سنسورهای جریان حرارتی پایدار با محدوده رانش <0.25mA/K را توسعه داده‌ایم. برای تغییر دما 20K، این می تواند حداکثر خطای 5 میلی آمپر را ایجاد کند.
یکی دیگر از منابع رایج خطا در سنسورهای جریان دارای مدار مغناطیسی، خطای هیسترزیس ناشی از مغناطیس پسماند است. این اغلب تا 400 میلی آمپر است، که چنین حسگرهایی را برای نظارت بر باتری نامناسب می کند. Raztec با انتخاب بهترین ماده مغناطیسی این کیفیت را به 20 میلی آمپر کاهش داده و در واقع این خطا به مرور زمان کاهش یافته است. اگر خطای کمتری مورد نیاز باشد، مغناطیس زدایی ممکن است، اما پیچیدگی قابل توجهی را اضافه می کند.
یک خطای کوچکتر جابجایی کالیبراسیون تابع انتقال با دما است، اما برای سنسورهای جرمی این اثر بسیار کوچکتر از رانش عملکرد سلول با دما است.
بهترین رویکرد برای تخمین SOC استفاده از ترکیبی از تکنیک‌هایی مانند ولتاژ بدون بار پایدار، ولتاژ سلول جبران‌شده توسط IXR، شمارش کولومتریک و جبران دما پارامترها است. به عنوان مثال، خطاهای یکپارچه سازی طولانی مدت را می توان با تخمین SOC برای ولتاژ باتری بدون بار یا کم بار نادیده گرفت.
زمان ارسال: آگوست-09-2022