L'estimació de l'estat de càrrega (SOC) d'una bateria de liti és tècnicament difícil, especialment en aplicacions on la bateria no està completament carregada o descarregada completament.Aquestes aplicacions són els vehicles elèctrics híbrids (HEV).El repte prové de les característiques de descàrrega de tensió molt plana de les bateries de liti.La tensió gairebé no canvia del 70% SOC al 20% SOC.De fet, la variació de tensió a causa dels canvis de temperatura és similar a la variació de tensió deguda a la descàrrega, de manera que si el SOC s'ha de derivar de la tensió, s'ha de compensar la temperatura de la cel·la.
Un altre repte és que la capacitat de la bateria ve determinada per la capacitat de la cel·la de menor capacitat, de manera que el SOC no s'ha de jutjar en funció de la tensió terminal de la cel·la, sinó de la tensió terminal de la cel·la més feble.Tot això sona una mica massa difícil.Aleshores, per què no mantenim la quantitat total de corrent que flueix a la cèl·lula i l'equilibrem amb el corrent que surt?Això es coneix com a recompte coulomètric i sembla prou senzill, però hi ha moltes dificultats amb aquest mètode.
Bateriesno són piles perfectes.Mai tornen el que els hi poses.Hi ha corrent de fuita durant la càrrega, que varia segons la temperatura, la velocitat de càrrega, l'estat de càrrega i l'envelliment.
La capacitat d'una bateria també varia de manera no lineal amb la velocitat de descàrrega.Com més ràpida sigui la descàrrega, menor serà la capacitat.Des d'una descàrrega de 0,5 °C a una descàrrega de 5 °C, la reducció pot arribar al 15%.
Les bateries tenen un corrent de fuga significativament més alt a temperatures més altes.Les cel·les internes d'una bateria poden estar més calentes que les cel·les externes, de manera que la fuita de cel·les a través de la bateria serà desigual.
La capacitat també és funció de la temperatura.Alguns productes químics de liti es veuen afectats més que altres.
Per compensar aquesta desigualtat, s'utilitza l'equilibri de cèl·lules dins de la bateria.Aquest corrent de fuga addicional no es pot mesurar fora de la bateria.
La capacitat de la bateria disminueix constantment al llarg de la vida de la cèl·lula i amb el temps.
Qualsevol petit desplaçament en la mesura actual s'integrarà i amb el temps pot convertir-se en un gran nombre, afectant seriosament la precisió del SOC.
Tot l'anterior donarà lloc a una deriva de la precisió al llarg del temps tret que es faci un calibratge regular, però això només és possible quan la bateria està gairebé descarregada o gairebé plena.A les aplicacions HEV, el millor és mantenir la bateria amb una càrrega aproximadament del 50%, de manera que una manera possible de corregir de manera fiable la precisió de la mesura és carregar periòdicament la bateria completament.Els vehicles elèctrics purs es carreguen regularment al màxim o gairebé, de manera que la mesura basada en els recomptes coulomètrics pot ser molt precisa, sobretot si es compensen altres problemes de bateria.
La clau d'una bona precisió en el recompte coulomètric és una bona detecció de corrent en un ampli rang dinàmic.
El mètode tradicional de mesura de corrent és per a nosaltres una derivació, però aquests mètodes cauen quan hi ha corrents més altes (250 A+).A causa del consum d'energia, la derivació ha de ser de baixa resistència.Les derivacions de baixa resistència no són adequades per mesurar corrents baixes (50 mA).Això planteja immediatament la pregunta més important: quins són els corrents mínims i màxims que s'han de mesurar?Això s'anomena rang dinàmic.
Suposant una capacitat de bateria de 100 Ah, una estimació aproximada de l'error d'integració acceptable.
Un error de 4 amperes produirà el 100% dels errors en un dia o un error de 0,4 A produirà el 10% dels errors en un dia.
Un error de 4/7A produirà el 100% dels errors en una setmana o un error de 60mA produirà el 10% dels errors en una setmana.
Un error de 4/28A produirà un error del 100% en un mes o un error de 15mA produirà un error del 10% en un mes, que és probablement la millor mesura que es pot esperar sense recalibrar a causa de la càrrega o descàrrega gairebé completa.
Mirem ara la derivació que mesura el corrent.Per a 250 A, una derivació d'1 m ohm estarà a la part alta i produirà 62,5 W.Tanmateix, a 15 mA només produirà 15 microvolts, que es perdran en el soroll de fons.El rang dinàmic és 250A/15mA = 17.000:1.Si un convertidor A/D de 14 bits realment pot "veure" el senyal en soroll, desplaçament i deriva, llavors cal un convertidor A/D de 14 bits.Una causa important de la compensació és la compensació de voltatge i llaç de terra generada pel termopar.
Bàsicament, no hi ha cap sensor que pugui mesurar el corrent en aquest rang dinàmic.Es necessiten sensors d'alta intensitat per mesurar els corrents més alts dels exemples de tracció i càrrega, mentre que es necessiten sensors de corrent baixa per mesurar corrents, per exemple, d'accessoris i qualsevol estat de corrent zero.Atès que el sensor de corrent baixa també "veu" el corrent alt, no es pot danyar ni corrompre per aquests, excepte per la saturació.Això calcula immediatament el corrent de derivació.
Una solució
Una família de sensors molt adequada són els sensors de corrent d'efecte Hall de bucle obert.Aquests dispositius no es veuran danyats per corrents altes i Raztec ha desenvolupat un rang de sensors que realment pot mesurar corrents en el rang de mil·liamperis a través d'un sol conductor.una funció de transferència de 100 mV/AT és pràctica, de manera que un corrent de 15 mA produirà un 1,5 mV útil.utilitzant el millor material de nucli disponible, també es pot aconseguir una remanència molt baixa en el rang d'un sol mil·liamp.A 100 mV/AT, la saturació es produirà per sobre dels 25 amperes.El menor guany de programació, per descomptat, permet corrents més altes.
Els corrents elevats es mesuren mitjançant sensors d'alta corrent convencionals.El canvi d'un sensor a un altre requereix una lògica senzilla.
La nova gamma de sensors sense nucli de Raztec és una opció excel·lent per a sensors d'alta corrent.Aquests dispositius ofereixen una excel·lent linealitat, estabilitat i zero histèresi.Són fàcilment adaptables a una àmplia gamma de configuracions mecàniques i rangs de corrent.Aquests dispositius es fan pràctics gràcies a l'ús d'una nova generació de sensors de camp magnètic amb un rendiment excel·lent.
Tots dos tipus de sensors segueixen sent beneficiosos per gestionar les relacions senyal-soroll amb l'alt rang dinàmic de corrents necessaris.
Tanmateix, una precisió extrema seria redundant, ja que la bateria en si no és un comptador de coulomb precís.Un error del 5% entre la càrrega i la descàrrega és típic per a les bateries on hi ha més inconsistències.Tenint això en compte, es pot utilitzar una tècnica relativament senzilla amb un model bàsic de bateria.El model pot incloure tensió de terminal sense càrrega versus capacitat, voltatge de càrrega versus capacitat, descàrrega i resistències de càrrega que es poden modificar amb la capacitat i els cicles de càrrega/descàrrega.Cal establir constants de temps de voltatge mesurades adequades per acomodar les constants de temps de voltatge d'esgotament i recuperació.
Un avantatge important de les bateries de liti de bona qualitat és que perden molt poca capacitat a altes velocitats de descàrrega.Aquest fet simplifica els càlculs.També tenen un corrent de fuga molt baix.Les fuites del sistema poden ser més altes.
Aquesta tècnica permet l'estimació de l'estat de càrrega dins d'uns pocs punts percentuals de la capacitat restant real després d'establir els paràmetres adequats, sense la necessitat del recompte de coulombs.La bateria es converteix en un comptador de coulombs.
Fonts d'error dins del sensor actual
Com s'ha esmentat anteriorment, l'error de compensació és fonamental per al recompte coulomètric i s'hauria de disposar dins del monitor SOC per calibrar el desplaçament del sensor a zero en condicions de corrent zero.Això normalment només és factible durant la instal·lació de fàbrica.Tanmateix, poden existir sistemes que determinen el corrent zero i, per tant, permeten la recalibració automàtica de l'offset.Aquesta és una situació ideal, ja que es pot acomodar la deriva.
Malauradament, totes les tecnologies de sensor produeixen una deriva tèrmica, i els sensors actuals no són una excepció.Ara podem veure que aquesta és una qualitat crítica.Mitjançant l'ús de components de qualitat i un disseny acurat a Raztec, hem desenvolupat una gamma de sensors de corrent tèrmicament estables amb un rang de deriva de <0,25 mA/K.Per a un canvi de temperatura de 20K, això pot produir un error màxim de 5mA.
Una altra font habitual d'error en sensors de corrent que incorporen un circuit magnètic és l'error d'histèresi causat pel magnetisme remanent.Sovint és de fins a 400 mA, la qual cosa fa que aquests sensors no siguin adequats per al control de la bateria.En seleccionar el millor material magnètic, Raztec ha reduït aquesta qualitat a 20 mA i aquest error s'ha reduït amb el temps.Si es requereix menys error, la desmagnetització és possible, però afegeix una complexitat considerable.
Un error més petit és la deriva de la calibració de la funció de transferència amb la temperatura, però per als sensors de massa aquest efecte és molt menor que la deriva del rendiment de la cèl·lula amb la temperatura.
El millor enfocament per a l'estimació de SOC és utilitzar una combinació de tècniques com ara tensions estables sense càrrega, tensions de cèl·lules compensades per IXR, recomptes coulomètrics i compensació de temperatura dels paràmetres.Per exemple, els errors d'integració a llarg termini es poden ignorar estimant el SOC per a tensions de bateria sense càrrega o de baixa càrrega.
Hora de publicació: 09-agost-2022