Teorie nabíjení a vybíjení lithia a návrh metody výpočtu elektřiny
2. Úvod do měřiče baterií
2.1 Zavedení funkce elektroměru
Správa baterie může být považována za součást správy napájení.Při správě baterií je elektroměr zodpovědný za odhad kapacity baterie.Jeho základní funkcí je sledování napětí, nabíjecího/vybíjecího proudu a teploty baterie a odhad stavu nabití (SOC) a plné kapacity nabití (FCC) baterie.Existují dvě typické metody odhadu stavu nabití baterie: metoda napětí naprázdno (OCV) a metoda coulometrická.Druhou metodou je dynamický napěťový algoritmus navržený RICHTEKEM.
2.2 Metoda napětí naprázdno
Elektroměr je snadné realizovat metodou napětí naprázdno, kterou lze získat kontrolou odpovídajícího stavu nabití napětí naprázdno.Za napětí naprázdno se považuje napětí na svorce baterie, když je baterie v klidu déle než 30 minut.
Křivka napětí baterie se bude měnit s různým zatížením, teplotou a stárnutím baterie.Proto pevný voltmetr s otevřeným obvodem nemůže plně reprezentovat stav nabití;Stav nabití nelze odhadnout pouze pohledem do tabulky.Jinými slovy, pokud je stav nabití odhadnut pouze pohledem do tabulky, bude chyba velká.
Obrázek níže ukazuje, že stav nabití (SOC) stejného napětí baterie se velmi liší podle metody napětí naprázdno při nabíjení a vybíjení.
Obrázek 5. Napětí baterie za podmínek nabíjení a vybíjení
Z obrázku níže je vidět, že stav nabití se při různé zátěži během vybíjení velmi liší.V zásadě je tedy metoda napětí naprázdno vhodná pouze pro systémy, které vyžadují nízkou přesnost stavu nabití, jako jsou automobily používající olověné baterie nebo nepřerušitelné zdroje napájení.
Obrázek 6. Napětí baterie při různém zatížení během vybíjení
2.3 Coulometrická metoda
Princip činnosti coulometrie spočívá v připojení detekčního odporu na nabíjecí/vybíjecí dráhu baterie.ADC měří napětí na detekčním odporu a převádí ho na aktuální hodnotu nabíjené nebo vybíjené baterie.Čítač v reálném čase (RTC) dokáže integrovat aktuální hodnotu s časem, aby věděl, kolik coulombů teče.
Obrázek 7. Základní pracovní režim coulombovské metody měření
Coulometrická metoda dokáže přesně vypočítat stav nabití v reálném čase během nabíjení nebo vybíjení.Pomocí počítadla coulombů nabití a počítadla coulombů vybití může vypočítat zbytkovou elektrickou kapacitu (RM) a kapacitu plného nabití (FCC).Současně lze zbývající kapacitu nabití (RM) a kapacitu plného nabití (FCC) použít také pro výpočet stavu nabití (SOC=RM/FCC).Kromě toho dokáže odhadnout i zbývající čas, jako je vyčerpání energie (TTE) a plnost energie (TTF).
Obrázek 8. Výpočtový vzorec coulombovské metody
Existují dva hlavní faktory, které způsobují odchylku přesnosti coulombovské metrologie.Prvním je akumulace chyby offsetu při snímání proudu a měření ADC.I když je chyba měření při současné technologii relativně malá, pokud neexistuje dobrá metoda, jak ji odstranit, chyba se časem zvýší.Obrázek níže ukazuje, že v praktické aplikaci, pokud nedojde ke korekci doby trvání, je akumulovaná chyba neomezená.
Obrázek 9. Kumulativní chyba coulombovy metody
Aby se eliminovala nahromaděná chyba, existují tři možné časové body v normálním provozu baterie: konec nabíjení (EOC), konec vybíjení (EOD) a klid (relax).Baterie je plně nabitá a stav nabití (SOC) by měl být 100 %, když je dosaženo podmínky konce nabíjení.Stav konce vybití znamená, že baterie byla zcela vybitá a stav nabití (SOC) by měl být 0 %;Může to být absolutní hodnota napětí nebo se může měnit se zátěží.Při dosažení klidového stavu se baterie nenabíjí ani nevybíjí a v tomto stavu zůstává dlouhou dobu.Pokud chce uživatel využít klidový stav baterie k nápravě chyby coulometrické metody, musí v tuto chvíli použít voltmetr naprázdno.Obrázek níže ukazuje, že stav chyby nabití za výše uvedených podmínek lze opravit.
Obrázek 10. Podmínky pro eliminaci kumulativní chyby coulometrické metody
Druhým hlavním faktorem způsobujícím odchylku přesnosti coulombovské metody měření je chyba plné kapacity nabití (FCC), což je rozdíl mezi návrhovou kapacitou baterie a skutečnou kapacitou plného nabití baterie.Kapacita plného nabití (FCC) bude ovlivněna teplotou, stárnutím, zatížením a dalšími faktory.Proto je pro coulometrickou metodu velmi důležitá metoda přeučení a kompenzace plně nabité kapacity.Obrázek níže ukazuje trend chyby SOC, když je kapacita plného nabití nadhodnocena a podhodnocena.
Obrázek 11. Chybový trend, když je kapacita plného nabití nadhodnocena a podhodnocena
Čas odeslání: 15. února 2023