Inleiding tot batterijmeters

Inleiding tot batterijmeters

1.1 Inleiding tot de functies van de elektriciteitsmeter

Batterijbeheer kan worden beschouwd als onderdeel van energiebeheer. Bij batterijbeheer is de elektriciteitsmeter verantwoordelijk voor het schatten van de batterijcapaciteit. De basisfunctie ervan is het monitoren van de spanning, laad-/ontlaadstroom en batterijtemperatuur, en het schatten van de laadstatus (SOC) en de volledige laadcapaciteit (FCC) van de batterij. Er zijn twee typische methoden om de ladingstoestand van een batterij te schatten: de open circuit spanningsmethode (OCV) en de Coulombische meetmethode. Een andere methode is het dynamische spanningsalgoritme ontworpen door RICHTEK.

1.2 Open circuit spanningsmethode

De implementatiemethode voor het gebruik van een nullastspanningsmethode voor een elektriciteitsmeter is relatief eenvoudig en kan worden verkregen door de overeenkomstige ladingstoestand van de nullastspanning te controleren. De veronderstelde voorwaarde voor nullastspanning is de spanning op de accuklemmen wanneer de accu ongeveer 30 minuten in rust is.

De spanningscurve van de batterij varieert afhankelijk van de belasting, temperatuur en veroudering van de batterij. Daarom kan een voltmeter met vast open circuit de laadtoestand niet volledig weergeven; Het is niet mogelijk om de laadtoestand in te schatten door uitsluitend tabellen op te zoeken. Met andere woorden: als de laadstatus uitsluitend wordt geschat door een tabel op te zoeken, zal de fout aanzienlijk zijn.

De volgende afbeelding laat zien dat er bij dezelfde accuspanning een aanzienlijk verschil is in de laadtoestand die wordt verkregen via de open-circuit-spanningsmethode.

        Figuur 5. Accuspanning onder laad- en ontlaadomstandigheden

Zoals weergegeven in de onderstaande afbeelding, is er ook een aanzienlijk verschil in de laadstatus onder verschillende belastingen tijdens het ontladen. In principe is de open circuit spanningsmethode dus alleen geschikt voor systemen met lage nauwkeurigheidseisen voor de laadstatus, zoals auto's die loodzuuraccu's gebruiken of ononderbroken stroomvoorzieningen.

            Figuur 2. Accuspanning onder verschillende belastingen tijdens ontlading

1.3 Coulombische metrologie

Het werkingsprincipe van Coulomb-metrologie is het aansluiten van een detectieweerstand op het laad-/ontlaadpad van de batterij. ADC meet de spanning op de detectieweerstand en zet deze om in de huidige waarde van de batterij die wordt opgeladen of ontladen. Realtimeteller (RTC) biedt integratie van de huidige waarde met de tijd om te bepalen hoeveel Coulombs er stromen.

               Figuur 3. Basiswerkmodus van de Coulomb-meetmethode

Coulombische metrologie kan de realtime laadstatus tijdens het laad- of ontlaadproces nauwkeurig berekenen. Door gebruik te maken van een opladende Coulomb-teller en een ontladende Coulomb-teller kan het resterende elektrische vermogen (RM) en het volledige laadvermogen (FCC) worden berekend. Tegelijkertijd kunnen de resterende laadcapaciteit (RM) en de volledig opgeladen capaciteit (FCC) ook worden gebruikt om de laadtoestand te berekenen, d.w.z. (SOC=RM/FCC). Bovendien kan het ook de resterende tijd schatten, zoals stroomuitputting (TTE) en stroomopladen (TTF).

                    Figuur 4. Berekeningsformule voor Coulomb-metrologie

Er zijn twee belangrijke factoren die de nauwkeurigheidsafwijking van de Coulomb-metrologie veroorzaken. De eerste is de opeenstapeling van offsetfouten bij stroomdetectie en ADC-meting. Hoewel de meetfout met de huidige technologie relatief klein is, zal deze fout, zonder een goede methode om deze te elimineren, in de loop van de tijd groter worden. De volgende afbeelding laat zien dat in praktische toepassingen, als er geen correctie in de tijdsduur plaatsvindt, de geaccumuleerde fout onbeperkt is.

              Figuur 5. Geaccumuleerde fout van de Coulomb-meetmethode

Om cumulatieve fouten te elimineren, zijn er drie mogelijke tijdstippen die kunnen worden gebruikt tijdens normaal gebruik van de batterij: Einde van opladen (EOC), Einde van ontlading (EOD) en Rust (Relax). Wanneer aan de voorwaarde voor het einde van het opladen is voldaan, geeft dit aan dat de batterij volledig is opgeladen en dat de laadstatus (SOC) 100% moet zijn. De toestand voor het einde van de ontlading geeft aan dat de batterij volledig is ontladen en dat de laadstatus (SOC) 0% moet zijn; Het kan een absolute spanningswaarde zijn, maar deze kan ook variëren afhankelijk van de belasting. Bij het bereiken van een rusttoestand wordt de batterij niet opgeladen of ontladen, en blijft deze gedurende een lange periode in deze toestand. Als de gebruiker de ruststatus van de batterij wil gebruiken om de fout van de coulometrische methode te corrigeren, moet op dit moment een voltmeter met open circuit worden gebruikt. De volgende afbeelding laat zien dat de laadstatusfout in de bovenstaande toestanden kan worden gecorrigeerd.

            Figuur 6. Voorwaarden voor het elimineren van geaccumuleerde fouten in de Coulombische metrologie

De tweede belangrijke factor die de nauwkeurigheidsafwijking van de Coulomb-metrologie veroorzaakt, is de Full Charge Capacity (FCC)-fout, die het verschil is tussen de ontworpen capaciteit van de batterij en de werkelijke volledige laadcapaciteit van de batterij. De volledig opgeladen capaciteit (FCC) wordt beïnvloed door factoren zoals temperatuur, veroudering en belasting. Daarom zijn de methoden voor opnieuw leren en compenseren voor volledig opgeladen capaciteit cruciaal voor de Coulombische metrologie. De volgende afbeelding toont het trendverschijnsel van laadstatusfouten wanneer de volledig opgeladen capaciteit wordt overschat en onderschat.

             Figuur 7: Fouttrend wanneer de volledig opgeladen capaciteit wordt overschat en onderschat

1.4 Dynamische spanningsalgoritme elektriciteitsmeter

Het dynamische spanningsalgoritme kan de laadtoestand van een lithiumbatterij uitsluitend op basis van de batterijspanning berekenen. Deze methode schat de toename of afname van de laadtoestand op basis van het verschil tussen de accuspanning en de nullastspanning van de accu. De dynamische spanningsinformatie kan het gedrag van lithiumbatterijen effectief simuleren en de laadstatus (SOC) (%) bepalen, maar deze methode kan de waarde van de batterijcapaciteit (mAh) niet schatten.

De berekeningsmethode is gebaseerd op het dynamische verschil tussen de accuspanning en de nullastspanning, en schat de laadtoestand door iteratieve algoritmen te gebruiken om elke toename of afname van de laadtoestand te berekenen. Vergeleken met de oplossing van de Coulomb-methode elektriciteitsmeters, accumuleren elektriciteitsmeters met dynamisch spanningsalgoritme geen fouten in de tijd en stroom. Coulombische meetmeters geven vaak een onnauwkeurige schatting van de ladingstoestand als gevolg van stroomdetectiefouten en zelfontlading van de batterij. Zelfs als de stroomdetectiefout erg klein is, zal de Coulomb-teller fouten blijven accumuleren, die alleen kunnen worden geëlimineerd na volledig opladen of ontladen.

Het dynamische spanningsalgoritme wordt gebruikt om de ladingstoestand van een batterij te schatten, uitsluitend op basis van spanningsinformatie; Omdat er niet wordt ingeschat op basis van de huidige informatie van de accu, is er geen sprake van een opeenstapeling van fouten. Om de nauwkeurigheid van de laadtoestand te verbeteren, moet het dynamische spanningsalgoritme een feitelijk apparaat gebruiken om de parameters van een geoptimaliseerd algoritme aan te passen op basis van de werkelijke accuspanningscurve onder volledig opgeladen en volledig ontladen omstandigheden.

     Figuur 8. Prestaties van dynamisch spanningsalgoritme voor elektriciteitsmeter en versterkingsoptimalisatie

Hieronder volgen de prestaties van het dynamische spanningsalgoritme onder verschillende ontlaadsnelheidsomstandigheden in termen van laadtoestand. Zoals weergegeven in de afbeelding is de nauwkeurigheid van de oplaadstatus goed. Ongeacht de ontladingsomstandigheden van C/2, C/4, C/7 en C/10 is de algehele laadfout van deze methode minder dan 3%.

      Figuur 9. Prestaties van de laadtoestand van het dynamische spanningsalgoritme onder verschillende ontlaadsnelheidsomstandigheden

De volgende afbeelding toont de laadtoestand van de accu bij kort opladen en kort ontladen. De fout in de laadstatus is nog steeds erg klein en de maximale fout bedraagt ​​slechts 3%.

       Figuur 10. Prestaties van de laadtoestand van het dynamische spanningsalgoritme in het geval van kortstondig opladen en kortstondig ontladen van batterijen

Vergeleken met de Coulomb-meetmethode, die doorgaans resulteert in een onnauwkeurige laadstatus als gevolg van stroomdetectiefouten en zelfontlading van de batterij, accumuleert het dynamische spanningsalgoritme geen fouten in de loop van de tijd en stroom, wat een groot voordeel is. Vanwege het gebrek aan informatie over laad-/ontlaadstromen heeft het dynamische spanningsalgoritme een slechte nauwkeurigheid op de korte termijn en een trage responstijd. Bovendien kan het de volledige laadcapaciteit niet inschatten. Het presteert echter goed op het gebied van nauwkeurigheid op de lange termijn, omdat de accuspanning uiteindelijk rechtstreeks de laadtoestand weerspiegelt.