Теория заряда и разряда лития и разработка метода расчета электричества
2. Введение в измеритель батареи
2.1 Описание функций счетчика электроэнергии
Управление батареями можно рассматривать как часть управления питанием.При управлении батареями счетчик электроэнергии отвечает за оценку емкости батареи.Его основная функция заключается в отслеживании напряжения, тока заряда/разряда и температуры батареи, а также в оценке состояния заряда (SOC) и полной емкости заряда (FCC) батареи.Существует два типичных метода оценки состояния заряда батареи: метод напряжения холостого хода (OCV) и кулонометрический метод.Другой метод — алгоритм динамического напряжения, разработанный RICHTEK.
2.2 Метод напряжения холостого хода
Счетчик электроэнергии легко реализовать методом напряжения холостого хода, который можно получить, проверив соответствующее состояние заряда напряжения холостого хода.Предполагается, что напряжение холостого хода равно напряжению на клеммах аккумулятора, когда аккумулятор находится в состоянии покоя более 30 минут.
Кривая напряжения батареи будет меняться в зависимости от нагрузки, температуры и старения батареи.Следовательно, фиксированный вольтметр холостого хода не может полностью отображать состояние заряда;Состояние заряда нельзя оценить, взглянув только на таблицу.Другими словами, если состояние заряда оценивается только по таблице, ошибка будет большой.
На рисунке ниже показано, что состояние заряда (SOC) одного и того же напряжения батареи сильно различается по методу измерения напряжения холостого хода при зарядке и разрядке.
Рисунок 5. Напряжение аккумулятора в условиях зарядки и разрядки
Из рисунка ниже видно, что состояние заряда сильно меняется при разных нагрузках во время разряда.Таким образом, в основном метод напряжения холостого хода подходит только для систем, требующих низкой точности состояния заряда, таких как автомобили, использующие свинцово-кислотные аккумуляторы или источники бесперебойного питания.
Рисунок 6. Напряжение аккумулятора при различных нагрузках во время разряда
2.3 Кулонометрический метод
Принцип работы кулонометрии заключается в подключении детекторного резистора к пути зарядки/разрядки аккумулятора.АЦП измеряет напряжение на сопротивлении обнаружения и преобразует его в текущее значение заряжаемой или разряжаемой батареи.Счетчик реального времени (RTC) может интегрировать текущее значение со временем, чтобы узнать, сколько кулонов течет.
Рис. 7. Основной режим работы кулоновского метода измерения
Кулонометрический метод позволяет точно рассчитать состояние заряда в реальном времени во время зарядки или разрядки.С помощью счетчика кулона заряда и счетчика кулона разряда можно рассчитать остаточную электрическую емкость (RM) и полную емкость заряда (FCC).В то же время оставшаяся емкость заряда (RM) и полная емкость заряда (FCC) также могут использоваться для расчета состояния заряда (SOC=RM/FCC).Кроме того, он также может оценивать оставшееся время, например, исчерпание мощности (TTE) и полную мощность (TTF).
Рис. 8. Расчетная формула кулоновского метода
Есть два основных фактора, которые вызывают отклонение точности кулоновской метрологии.Во-первых, это накопление ошибки смещения при измерении тока и измерении АЦП.Хотя погрешность измерения при использовании современной технологии относительно мала, если нет хорошего метода ее устранения, погрешность со временем будет увеличиваться.На приведенном ниже рисунке показано, что при практическом применении, если нет коррекции длительности времени, накопленная ошибка неограничена.
Рисунок 9. Суммарная ошибка кулоновского метода
Чтобы устранить накопленную ошибку, в нормальной работе батареи есть три возможных временных момента: окончание заряда (EOC), окончание разряда (EOD) и отдых (Relax).Аккумулятор полностью заряжен, и уровень заряда (SOC) должен составлять 100 %, когда достигается условие окончания зарядки.Состояние завершения разрядки означает, что батарея полностью разряжена, а уровень заряда (SOC) должен составлять 0%;Это может быть абсолютное значение напряжения или изменение в зависимости от нагрузки.При достижении состояния покоя аккумулятор ни заряжается, ни разряжается, и остается в этом состоянии длительное время.Если пользователь хочет использовать состояние покоя батареи для исправления погрешности кулонометрического метода, он должен в это время использовать вольтметр с разомкнутой цепью.На рисунке ниже показано, что ошибка состояния заряда при указанных выше условиях может быть исправлена.
Рис. 10. Условия исключения суммарной погрешности кулонометрического метода
Вторым основным фактором, вызывающим отклонение точности метода кулоновского измерения, является ошибка полной емкости заряда (FCC), которая представляет собой разницу между расчетной емкостью батареи и реальной емкостью полной зарядки батареи.Полная зарядная емкость (FCC) зависит от температуры, старения, нагрузки и других факторов.Поэтому метод переобучения и компенсации полностью заряженной емкости очень важен для кулонометрического метода.На рисунке ниже показана тенденция ошибки SOC при завышении и занижении полной емкости заряда.
Рис. 11. Тенденция ошибок при завышении и занижении полной емкости заряда
Время публикации: 15 февраля 2023 г.