Введение в счетчики заряда батареи

Введение в счетчики заряда батареи

1.1 Знакомство с функциями счетчика электроэнергии

Управление батареями можно рассматривать как часть управления питанием. При управлении батареями счетчик электроэнергии отвечает за оценку емкости батареи. Его основная функция — контролировать напряжение, ток зарядки/разрядки и температуру аккумулятора, а также оценивать состояние заряда (SOC) и полную зарядную емкость (FCC) аккумулятора. Существует два типичных метода оценки состояния заряда батареи: метод напряжения холостого хода (OCV) и кулоновский метод измерения. Другой метод — алгоритм динамического напряжения, разработанный RICHTEK.

1.2 Метод измерения напряжения холостого хода

Способ реализации с использованием метода напряжения холостого хода для счетчика электроэнергии относительно прост и может быть получен путем проверки соответствующего состояния заряда напряжения холостого хода. Предполагаемым условием напряжения разомкнутой цепи является напряжение на клеммах аккумулятора, когда аккумулятор находится в состоянии покоя в течение примерно 30 минут.

Кривая напряжения батареи меняется в зависимости от нагрузки, температуры и старения батареи. Следовательно, вольтметр с фиксированной разомкнутой цепью не может полностью отображать состояние заряда; Невозможно оценить уровень заряда, просто просматривая таблицы. Другими словами, если состояние заряда оценивается исключительно путем поиска в таблице, ошибка будет значительной.

На следующем рисунке показано, что при одном и том же напряжении батареи существует значительная разница в состоянии заряда, полученном методом измерения напряжения разомкнутой цепи.

        Рисунок 5. Напряжение аккумулятора в условиях зарядки и разрядки.

Как показано на рисунке ниже, также существует значительная разница в состоянии заряда при различных нагрузках во время разрядки. Таким образом, в основном метод определения напряжения разомкнутой цепи подходит только для систем с низкими требованиями к точности определения состояния заряда, таких как автомобили, использующие свинцово-кислотные аккумуляторы или источники бесперебойного питания.

            Рисунок 2. Напряжение аккумулятора при различных нагрузках во время разряда

1.3 Кулоновская метрология

Принцип действия кулоновской метрологии заключается в подключении измерительного резистора на пути зарядки/разрядки аккумулятора. АЦП измеряет напряжение на резисторе обнаружения и преобразует его в значение тока заряжаемой или разряжаемой батареи. Счетчик реального времени (RTC) обеспечивает интеграцию текущего значения со временем, чтобы определить, сколько кулонов проходит.

               Рисунок 3. Основной режим работы кулоновского метода измерения

Кулоновская метрология позволяет точно рассчитать состояние заряда в реальном времени во время процесса зарядки или разрядки. Используя счетчик Кулона для зарядки и счетчик Кулона для разрядки, он может рассчитать оставшуюся электрическую емкость (RM) и полную зарядную емкость (FCC). В то же время остаточная зарядная емкость (RM) и полностью заряженная емкость (FCC) также могут использоваться для расчета состояния заряда, т.е. (SOC=RM/FCC). Кроме того, он также может оценить оставшееся время, например, истощение мощности (TTE) и перезарядку мощности (TTF).

                    Рисунок 4. Формула расчета для кулоновской метрологии

Есть два основных фактора, которые вызывают отклонение точности кулоновской метрологии. Первый — это накопление ошибок смещения при измерении тока и АЦП. Хотя при нынешних технологиях ошибка измерения относительно невелика, без хорошего метода ее устранения эта ошибка со временем будет увеличиваться. На следующем рисунке показано, что в практических приложениях, если во времени нет коррекции, накопленная ошибка не ограничена.

              Рис. 5. Накопленная погрешность кулоновского метода измерения.

Чтобы исключить накопленные ошибки, во время нормальной работы батареи можно использовать три возможных момента времени: окончание зарядки (EOC), окончание разрядки (EOD) и отдых (расслабление). Когда условие завершения зарядки выполнено, это указывает на то, что аккумулятор полностью заряжен и состояние заряда (SOC) должно составлять 100%. Состояние окончания разрядки указывает на то, что аккумулятор полностью разряжен, а состояние заряда (SOC) должно составлять 0 %; Это может быть абсолютное значение напряжения или оно может меняться в зависимости от нагрузки. При достижении состояния покоя аккумулятор не заряжается и не разряжается и находится в этом состоянии в течение длительного периода времени. Если пользователь хочет использовать состояние покоя батареи для исправления ошибки кулонометрического метода, в это время необходимо использовать вольтметр разомкнутой цепи. На следующем рисунке показано, что ошибку состояния заряда можно исправить в вышеуказанных состояниях.

            Рис. 6. Условия устранения накопленных погрешностей в кулоновской метрологии

Вторым основным фактором, вызывающим отклонение точности кулоновской метрологии, является ошибка полной зарядной емкости (FCC), которая представляет собой разницу между расчетной емкостью аккумулятора и истинной полной зарядной емкостью аккумулятора. На полностью заряженную емкость (FCC) влияют такие факторы, как температура, старение и нагрузка. Поэтому методы переобучения и компенсации полностью заряженной емкости имеют решающее значение для кулоновской метрологии. На следующем рисунке показано явление тенденции ошибки состояния заряда, когда полностью заряженная емкость завышена или занижена.

             Рисунок 7: Тенденция ошибки, когда полностью заряженная емкость завышена или занижена.

1.4 Счетчик электроэнергии с алгоритмом динамического напряжения

Алгоритм динамического напряжения может рассчитать состояние заряда литиевой батареи исключительно на основе напряжения батареи. Этот метод оценивает приращение или уменьшение состояния заряда на основе разницы между напряжением батареи и напряжением разомкнутой цепи батареи. Информация о динамическом напряжении может эффективно моделировать поведение литиевых батарей и определять состояние заряда (SOC) (%), но этот метод не может оценить значение емкости батареи (мАч).

Его метод расчета основан на динамической разнице между напряжением батареи и напряжением холостого хода и оценивает состояние заряда с помощью итеративных алгоритмов для расчета каждого увеличения или уменьшения состояния заряда. По сравнению со счетчиками электроэнергии кулоновского метода, счетчики электроэнергии с динамическим алгоритмом напряжения не накапливают ошибок с течением времени и по току. Кулоновые счетчики часто дают неточную оценку состояния заряда из-за ошибок измерения тока и саморазряда батареи. Даже если погрешность измерения тока очень мала, счетчик Кулона будет продолжать накапливать ошибки, устранить которые можно только после полной зарядки или разрядки.

Алгоритм динамического напряжения используется для оценки состояния заряда батареи исключительно на основе информации о напряжении; Поскольку оценка не производится на основе текущей информации о батарее, накопление ошибок не происходит. Чтобы повысить точность определения состояния заряда, алгоритм динамического напряжения должен использовать реальное устройство для настройки параметров оптимизированного алгоритма на основе фактической кривой напряжения аккумулятора в полностью заряженных и полностью разряженных условиях.

     Рисунок 8. Производительность алгоритма динамического напряжения для счетчика электроэнергии и оптимизация коэффициента усиления.

Ниже приведены характеристики алгоритма динамического напряжения при различных условиях скорости разряда с точки зрения состояния заряда. Как показано на рисунке, точность заряда хорошая. Независимо от условий разряда C/2, C/4, C/7 и C/10, общая ошибка состояния заряда этого метода составляет менее 3%.

      Рисунок 9. Характеристики состояния заряда алгоритма динамического напряжения при различных условиях скорости разряда

На следующем рисунке показано состояние заряда аккумулятора в условиях кратковременной зарядки и кратковременной разрядки. Погрешность состояния заряда пока очень мала, а максимальная погрешность составляет всего 3%.

       Рис. 10. Характеристики состояния заряда алгоритма динамического напряжения при кратковременном заряде и кратковременном разряде аккумуляторов

По сравнению с методом кулоновского измерения, который обычно приводит к неточному состоянию заряда из-за ошибок измерения тока и саморазряда батареи, алгоритм динамического напряжения не накапливает ошибки с течением времени и тока, что является основным преимуществом. Из-за отсутствия информации о токах зарядки/разрядки алгоритм динамического напряжения имеет низкую кратковременную точность и медленное время отклика. Кроме того, он не может оценить полную зарядную емкость. Тем не менее, он хорошо работает с точки зрения долгосрочной точности, поскольку напряжение аккумулятора в конечном итоге напрямую отражает состояние его заряда.