Увод у мераче батерија

Увод у мераче батерија

1.1 Упознавање са функцијама бројила електричне енергије

Управљање батеријом се може сматрати делом управљања напајањем. У управљању батеријама, мерач електричне енергије је одговоран за процену капацитета батерије. Његова основна функција је праћење напона, струје пуњења/пражњења и температуре батерије и процена стања напуњености (СОЦ) и пуног капацитета пуњења (ФЦЦ) батерије. Постоје две типичне методе за процену стања напуњености батерије: метода напона отвореног кола (ОЦВ) и метода куломбичког мерења. Други метод је алгоритам динамичког напона који је дизајнирао РИЦХТЕК.

1.2 Метода напона отвореног кола

Метод имплементације коришћења методе напона отвореног кола за мерач електричне енергије је релативно лак, а може се добити провером одговарајућег стања напуњености напона отвореног кола. Претпостављени услов за напон отвореног кола је напон терминала батерије када батерија мирује око 30 минута.

Крива напона батерије варира у зависности од оптерећења, температуре и старења батерије. Стога, фиксни волтметар отвореног кола не може у потпуности да представи стање наелектрисања; Није могуће проценити стање напуњености само тражењем табела. Другим речима, ако се стање напуњености процени само тражењем табеле, грешка ће бити значајна.

Следећа слика показује да под истим напоном батерије постоји значајна разлика у стању напуњености добијеном методом напона отвореног кола.

        Слика 5. Напон батерије у условима пуњења и пражњења

Као што је приказано на слици испод, такође постоји значајна разлика у стању напуњености под различитим оптерећењима током пражњења. Дакле, у основи, метода напона отвореног кола је погодна само за системе са ниским захтевима за прецизност за стање напуњености, као што су аутомобили који користе оловне батерије или непрекидна напајања.

            Слика 2. Напон батерије под различитим оптерећењима током пражњења

1.3 Куломбска метрологија

Принцип рада Кулонове метрологије је повезивање отпорника за детекцију на путу пуњења/пражњења батерије. АДЦ мери напон на отпорнику за детекцију и претвара га у тренутну вредност батерије која се пуни или празни. Бројач реалног времена (РТЦ) обезбеђује интеграцију тренутне вредности са временом да би се одредило колико кулона тече.

               Слика 3. Основни режим рада Кулонове методе мерења

Куломбска метрологија може прецизно израчунати стање напуњености у реалном времену током процеса пуњења или пражњења. Коришћењем Кулоновог бројача за пуњење и Кулоновог бројача за пражњење, може израчунати преостали електрични капацитет (РМ) и пуни капацитет пуњења (ФЦЦ). У исто време, преостали капацитет пуњења (РМ) и потпуно напуњен капацитет (ФЦЦ) се такође могу користити за израчунавање стања напуњености, тј. (СОЦ=РМ/ФЦЦ). Поред тога, може да процени и преостало време, као што је исцрпљивање снаге (ТТЕ) и пуњење снаге (ТТФ).

                    Слика 4. Формула за израчунавање за Кулонову метрологију

Постоје два главна фактора који узрокују одступање тачности Кулонове метрологије. Први је акумулација грешака померања у сенсингу струје и АДЦ мерењу. Иако је грешка мерења релативно мала са тренутном технологијом, без доброг метода да се она елиминише, ова грешка ће се временом повећавати. Следећа слика показује да је у практичним применама, ако нема корекције у трајању, акумулирана грешка неограничена.

              Слика 5. Акумулирана грешка Кулонове методе мерења

Да би се елиминисале кумулативне грешке, постоје три могуће временске тачке које се могу користити током нормалног рада батерије: крај пуњења (ЕОЦ), крај пражњења (ЕОД) и одмор (опуштање). Када се испуни услов завршетка пуњења, то значи да је батерија потпуно напуњена и да би стање напуњености (СОЦ) требало да буде 100%. Стање краја пражњења указује да је батерија потпуно испражњена и да би стање напуњености (СОЦ) требало да буде 0%; Може бити апсолутна вредност напона или може варирати у зависности од оптерећења. Када дође у стање мировања, батерија се не пуни нити празни и у том стању остаје дуго времена. Ако корисник жели да користи стање мировања батерије да исправи грешку кулометријске методе, у овом тренутку мора да се користи волтметар отвореног кола. Следећа слика показује да се грешка стања напуњености може исправити у горе наведеним стањима.

            Слика 6. Услови за елиминисање акумулираних грешака у куломбској метрологији

Други главни фактор који узрокује одступање тачности Кулонове метрологије је грешка пуног капацитета пуњења (ФЦЦ), која је разлика између пројектованог капацитета батерије и стварног пуног капацитета пуњења батерије. На потпуно напуњен капацитет (ФЦЦ) утичу фактори као што су температура, старење и оптерећење. Стога су методе поновног учења и компензације за потпуно напуњен капацитет од кључне важности за куломбску метрологију. Следећа слика приказује тренд феномена грешке стања напуњености када је потпуно напуњен капацитет прецењен и потцењен.

             Слика 7: Тренд грешке када је потпуно напуњен капацитет прецењен и потцењен

1.4 Алгоритам динамичког напона бројило електричне енергије

Алгоритам динамичког напона може израчунати стање напуњености литијумске батерије искључиво на основу напона батерије. Овај метод процењује повећање или смањење стања напуњености на основу разлике између напона батерије и напона отвореног кола батерије. Информације о динамичком напону могу ефикасно симулирати понашање литијумских батерија и одредити стање напуњености (СОЦ) (%), али овај метод не може да процени вредност капацитета батерије (мАх).

Његова метода прорачуна је заснована на динамичкој разлици између напона батерије и напона отвореног кола и процењује стање напуњености коришћењем итеративних алгоритама за израчунавање сваког повећања или смањења стања напуњености. У поређењу са решењем бројила електричне енергије по Куломбовој методи, бројила електричне енергије са алгоритмом динамичког напона не акумулирају грешке током времена и струје. Кулонска мерача често имају нетачну процену стања напуњености због грешака у сензору струје и самопражњења батерије. Чак и ако је тренутна грешка сенсинга веома мала, Кулонов бројач ће наставити да акумулира грешке, које се могу елиминисати тек након потпуног пуњења или пражњења.

Алгоритам динамичког напона се користи за процену стања напуњености батерије на основу информација о напону; Пошто се не процењује на основу тренутних информација о батерији, нема гомилања грешака. Да би се побољшала тачност стања напуњености, алгоритам динамичког напона треба да користи стварни уређај за подешавање параметара оптимизованог алгоритма на основу стварне криве напона батерије под потпуно напуњеним и потпуно испражњеним условима.

     Слика 8. Перформансе алгоритма динамичког напона за мерач електричне енергије и оптимизацију појачања

Следе перформансе алгоритма динамичког напона под различитим условима брзине пражњења у смислу стања напуњености. Као што је приказано на слици, тачност његовог стања напуњености је добра. Без обзира на услове пражњења Ц/2, Ц/4, Ц/7 и Ц/10, укупна грешка напуњености ове методе је мања од 3%.

      Слика 9. Перформансе стања напуњености алгоритма динамичког напона под различитим условима брзине пражњења

Следећа слика приказује стање напуњености батерије у условима кратког пуњења и кратког пражњења. Грешка стања наелектрисања је и даље веома мала, а максимална грешка је само 3%.

       Слика 10. Перформансе стања напуњености алгоритма динамичког напона у случају кратког пуњења и кратког пражњења батерија

У поређењу са Кулоновом методом мерења, која обично резултира нетачним стањем напуњености услед грешака у детекцији струје и самопражњења батерије, алгоритам динамичког напона не акумулира грешке током времена и струје, што је велика предност. Због недостатка информација о струјама пуњења/пражњења, алгоритам динамичког напона има слабу краткорочну тачност и споро време одзива. Штавише, не може проценити пуни капацитет пуњења. Међутим, добро ради у смислу дугорочне тачности, јер напон батерије на крају директно одражава стање напуњености.