A estimación do estado de carga (SOC) dunha batería de litio é técnicamente difícil, especialmente nas aplicacións nas que a batería non está completamente cargada ou descargada por completo.Tales aplicacións son os vehículos eléctricos híbridos (HEV).O desafío deriva das características de descarga de voltaxe moi planas das baterías de litio.A tensión apenas cambia de 70% SOC a 20% SOC.De feito, a variación de tensión debida aos cambios de temperatura é similar á variación de tensión debido á descarga, polo que se quere derivar o SOC a partir da tensión, a temperatura da cela debe ser compensada.
Outro desafío é que a capacidade da batería está determinada pola capacidade da célula de menor capacidade, polo que o SOC non debe ser xulgado en función da tensión de terminal da célula, senón da tensión de terminal da célula máis débil.Todo isto soa demasiado difícil.Entón, por que non mantemos a cantidade total de corrente que entra na célula e a equilibramos coa corrente que sae?Isto coñécese como conta coulométrica e parece bastante sinxelo, pero hai moitas dificultades con este método.
Bateríasnon son baterías perfectas.Nunca devolven o que lles metes.Hai corrente de fuga durante a carga, que varía coa temperatura, a taxa de carga, o estado de carga e o envellecemento.
A capacidade dunha batería tamén varía de forma non lineal coa taxa de descarga.Canto máis rápida sexa a descarga, menor será a capacidade.Desde unha descarga de 0,5 °C ata unha descarga de 5 °C, a redución pode chegar ao 15 %.
As baterías teñen unha corrente de fuga significativamente maior a temperaturas máis altas.As células internas dunha batería poden estar máis quentes que as externas, polo que a fuga de células a través da batería será desigual.
A capacidade tamén é unha función da temperatura.Algúns produtos químicos de litio están máis afectados que outros.
Para compensar esta desigualdade, utilízase o balance de células dentro da batería.Esta corrente de fuga adicional non se pode medir fóra da batería.
A capacidade da batería diminúe constantemente ao longo da vida útil da célula e co paso do tempo.
Calquera pequena compensación na medición actual integrarase e co tempo pode converterse nun gran número, afectando seriamente á precisión do SOC.
Todo o anterior provocará unha deriva na precisión ao longo do tempo a non ser que se realice unha calibración regular, pero isto só é posible cando a batería está case descargada ou case chea.Nas aplicacións HEV o mellor é manter a batería aproximadamente ao 50 % de carga, polo que unha forma posible de corrixir de forma fiable a precisión da medición é cargar a batería completamente periódicamente.Os vehículos eléctricos puros cárganse regularmente ata o máximo ou case completo, polo que a medición baseada nos recontos coulométricos pode ser moi precisa, especialmente se se compensan outros problemas de batería.
A clave para unha boa precisión no reconto coulométrico é unha boa detección de corrente nun amplo rango dinámico.
O método tradicional de medir a corrente é para nós unha derivación, pero estes métodos caen cando se trata de correntes máis altas (250 A+).Debido ao consumo de enerxía, a derivación debe ser de baixa resistencia.As derivacións de baixa resistencia non son adecuadas para medir correntes baixas (50 mA).Isto suscita inmediatamente a pregunta máis importante: cales son as correntes mínimas e máximas que se deben medir?Isto chámase rango dinámico.
Asumindo unha capacidade da batería de 100 Ah, unha estimación aproximada do erro de integración aceptable.
Un erro de 4 amperios producirá o 100 % dos erros nun día ou un erro de 0,4 A producirá o 10 % dos erros nun día.
Un erro de 4/7A producirá o 100% dos erros nunha semana ou un erro de 60mA producirá o 10% dos erros nunha semana.
Un erro de 4/28 A producirá un erro do 100 % nun mes ou un erro de 15 mA producirá un erro do 10 % nun mes, que probablemente sexa a mellor medida que se pode esperar sen recalibración debido á carga ou á descarga case completa.
Vexamos agora a derivación que mide a corrente.Para 250 A, unha derivación de 1 m ohmio estará no lado alto e producirá 62,5 W.Non obstante, a 15 mA só producirá 15 microvoltios, que se perderán no ruído de fondo.O rango dinámico é 250A/15mA = 17.000:1.Se un conversor A/D de 14 bits pode realmente "ver" o sinal en ruído, compensación e deriva, entón é necesario un conversor A/D de 14 bits.Unha causa importante de compensación é a compensación de voltaxe e do bucle de terra xerada polo termopar.
Fundamentalmente, non hai ningún sensor que poida medir a corrente neste rango dinámico.Son necesarios sensores de alta corrente para medir as correntes máis altas dos exemplos de tracción e carga, mentres que os sensores de baixa intensidade son necesarios para medir correntes de, por exemplo, accesorios e calquera estado de corrente cero.Dado que o sensor de baixa corrente tamén "ve" a alta corrente, non pode ser danado nin corrompido por estes, excepto pola saturación.Isto calcula inmediatamente a corrente de derivación.
Unha solución
Unha familia de sensores moi adecuada son os sensores de corrente de efecto Hall de bucle aberto.Estes dispositivos non serán danados por altas correntes e Raztec desenvolveu un rango de sensores que realmente poden medir correntes no rango de miliamperios a través dun só condutor.unha función de transferencia de 100 mV/AT é práctica, polo que unha corrente de 15 mA producirá un 1,5 mV utilizable.empregando o mellor material de núcleo dispoñible, tamén se pode conseguir unha remanencia moi baixa no rango de miliamperios único.A 100 mV/AT, a saturación producirase por riba dos 25 amperios.A menor ganancia de programación, por suposto, permite correntes máis altas.
As altas correntes mídense mediante sensores convencionais de alta corrente.Cambiar dun sensor a outro require unha lóxica sinxela.
A nova gama de sensores sen núcleo de Raztec é unha excelente opción para sensores de alta corrente.Estes dispositivos ofrecen unha excelente linealidade, estabilidade e histérese cero.Son facilmente adaptables a unha ampla gama de configuracións mecánicas e rangos de corrente.Estes dispositivos fanse prácticos mediante o uso dunha nova xeración de sensores de campo magnético cun excelente rendemento.
Ambos os tipos de sensor seguen sendo beneficiosos para xestionar as relacións sinal-ruído co rango dinámico moi elevado de correntes necesarios.
Non obstante, a precisión extrema sería redundante xa que a propia batería non é un contador de coulomb precisos.Un erro do 5 % entre a carga e a descarga é típico para as baterías onde existen máis inconsistencias.Tendo isto en conta, pódese utilizar unha técnica relativamente sinxela que utiliza un modelo básico de batería.O modelo pode incluír tensión de terminal sen carga fronte á capacidade, tensión de carga fronte á capacidade, descarga e resistencias de carga que se poden modificar coa capacidade e os ciclos de carga/descarga.É necesario establecer constantes de tempo de voltaxe medida adecuadas para acomodar as constantes de tempo de voltaxe de esgotamento e recuperación.
Unha vantaxe significativa das baterías de litio de boa calidade é que perden moi pouca capacidade a altas taxas de descarga.Este feito simplifica os cálculos.Tamén teñen unha corrente de fuga moi baixa.A fuga do sistema pode ser maior.
Esta técnica permite estimar o estado de carga dentro duns poucos puntos porcentuais da capacidade remanente real despois de establecer os parámetros axeitados, sen necesidade de contar coulombios.A batería convértese nun contador de coulombs.
Fontes de erro dentro do sensor actual
Como se mencionou anteriormente, o erro de compensación é fundamental para o reconto coulométrico e débese prever no monitor SOC para calibrar a compensación do sensor a cero en condicións de corrente cero.Isto normalmente só é posible durante a instalación de fábrica.Non obstante, poden existir sistemas que determinan a corrente cero e, polo tanto, permiten a recalibración automática da compensación.Esta é unha situación ideal xa que se pode acomodar a deriva.
Desafortunadamente, todas as tecnoloxías de sensores producen deriva térmica, e os sensores actuais non son unha excepción.Agora podemos ver que esta é unha calidade crítica.Ao usar compoñentes de calidade e un deseño coidadoso en Raztec, desenvolvemos unha gama de sensores de corrente térmicamente estables cun rango de deriva <0,25 mA/K.Para un cambio de temperatura de 20 K, isto pode producir un erro máximo de 5 mA.
Outra fonte común de erro nos sensores de corrente que incorporan un circuíto magnético é o erro de histérese causado polo magnetismo remanente.Adoita ser de ata 400 mA, o que fai que estes sensores non sexan adecuados para a monitorización da batería.Ao seleccionar o mellor material magnético, Raztec reduciu esta calidade a 20 mA e este erro reduciuse co paso do tempo.Se se require menos erro, é posible a desmagnetización, pero engade unha complexidade considerable.
Un erro menor é a deriva da calibración da función de transferencia coa temperatura, pero para os sensores de masa este efecto é moito menor que a deriva do rendemento da célula coa temperatura.
O mellor enfoque para a estimación de SOC é utilizar unha combinación de técnicas como tensións estables sen carga, tensións das células compensadas por IXR, recontos coulométricos e compensación de parámetros de temperatura.Por exemplo, os erros de integración a longo prazo poden ignorarse estimando o SOC para voltaxes de batería sen carga ou de baixa carga.
Hora de publicación: 09-08-2022