Εισαγωγή στους μετρητές μπαταριών

Εισαγωγή στους μετρητές μπαταριών

1.1 Εισαγωγή στις λειτουργίες του μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας

Η διαχείριση της μπαταρίας μπορεί να θεωρηθεί ως μέρος της διαχείρισης ενέργειας. Στη διαχείριση της μπαταρίας, ο μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας είναι υπεύθυνος για την εκτίμηση της χωρητικότητας της μπαταρίας. Η βασική του λειτουργία είναι να παρακολουθεί την τάση, το ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης και τη θερμοκρασία της μπαταρίας και να εκτιμά την κατάσταση φόρτισης (SOC) και τη χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) της μπαταρίας. Υπάρχουν δύο τυπικές μέθοδοι για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης μιας μπαταρίας: η μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος (OCV) και η μέθοδος μέτρησης Coulombic. Μια άλλη μέθοδος είναι ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης που σχεδίασε η RICHTEK.

1.2 Μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος

Η μέθοδος εφαρμογής της χρήσης μιας μεθόδου τάσης ανοιχτού κυκλώματος για έναν μετρητή ηλεκτρικής ενέργειας είναι σχετικά εύκολη και μπορεί να επιτευχθεί ελέγχοντας την αντίστοιχη κατάσταση φόρτισης της τάσης ανοιχτού κυκλώματος. Η υποτιθέμενη συνθήκη για την τάση ανοιχτού κυκλώματος είναι η τάση του ακροδέκτη της μπαταρίας όταν η μπαταρία βρίσκεται σε ηρεμία για περίπου 30 λεπτά.

Η καμπύλη τάσης της μπαταρίας ποικίλλει ανάλογα με το φορτίο, τη θερμοκρασία και τη γήρανση της μπαταρίας. Επομένως, ένα σταθερό βολτόμετρο ανοιχτού κυκλώματος δεν μπορεί να αντιπροσωπεύει πλήρως την κατάσταση φόρτισης. Δεν είναι δυνατός ο υπολογισμός της κατάστασης χρέωσης μόνο με την αναζήτηση πινάκων. Με άλλα λόγια, εάν η κατάσταση φόρτισης εκτιμάται αποκλειστικά με την αναζήτηση ενός πίνακα, το σφάλμα θα είναι σημαντικό.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι με την ίδια τάση μπαταρίας, υπάρχει σημαντική διαφορά στην κατάσταση φόρτισης που επιτυγχάνεται μέσω της μεθόδου τάσης ανοιχτού κυκλώματος.

        Εικόνα 5. Τάση μπαταρίας υπό συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης

Όπως φαίνεται στο παρακάτω σχήμα, υπάρχει επίσης σημαντική διαφορά στην κατάσταση φόρτισης υπό διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση. Επομένως, βασικά, η μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος είναι κατάλληλη μόνο για συστήματα με χαμηλές απαιτήσεις ακρίβειας για κατάσταση φόρτισης, όπως αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν μπαταρίες μολύβδου-οξέος ή αδιάλειπτα τροφοδοτικά.

            Εικόνα 2. Τάση μπαταρίας υπό διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση

1.3 Κουλομβική μετρολογία

Η αρχή λειτουργίας της μετρολογίας Coulomb είναι η σύνδεση μιας αντίστασης ανίχνευσης στη διαδρομή φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας. Το ADC μετρά την τάση στην αντίσταση ανίχνευσης και τη μετατρέπει στην τρέχουσα τιμή της μπαταρίας που φορτίζεται ή αποφορτίζεται. Ο μετρητής πραγματικού χρόνου (RTC) παρέχει ενοποίηση της τρέχουσας τιμής με το χρόνο για να προσδιορίσει πόσα Coulomb ρέουν.

               Εικόνα 3. Βασικός τρόπος λειτουργίας της μεθόδου μέτρησης Coulomb

Η κουλομβική μετρολογία μπορεί να υπολογίσει με ακρίβεια την κατάσταση φόρτισης σε πραγματικό χρόνο κατά τη διάρκεια της διαδικασίας φόρτισης ή εκφόρτισης. Χρησιμοποιώντας έναν μετρητή Coulomb φόρτισης και έναν μετρητή Coulomb εκφόρτισης, μπορεί να υπολογίσει την υπολειπόμενη ηλεκτρική χωρητικότητα (RM) και την πλήρη χωρητικότητα φόρτισης (FCC). Ταυτόχρονα, η υπολειπόμενη χωρητικότητα φόρτισης (RM) και η πλήρως φορτισμένη χωρητικότητα (FCC) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της κατάστασης φόρτισης, δηλαδή (SOC=RM/FCC). Επιπλέον, μπορεί επίσης να εκτιμήσει τον υπολειπόμενο χρόνο, όπως εξάντληση ισχύος (TTE) και επαναφόρτιση ισχύος (TTF).

                    Σχήμα 4. Τύπος Υπολογισμού για Μετρολογία Coulomb

Υπάρχουν δύο κύριοι παράγοντες που προκαλούν την απόκλιση ακρίβειας της μετρολογίας Coulomb. Το πρώτο είναι η συσσώρευση σφαλμάτων μετατόπισης στην ανίχνευση ρεύματος και στη μέτρηση ADC. Αν και το σφάλμα μέτρησης είναι σχετικά μικρό με την τρέχουσα τεχνολογία, χωρίς μια καλή μέθοδο για την εξάλειψή του, αυτό το σφάλμα θα αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι σε πρακτικές εφαρμογές, εάν δεν υπάρχει διόρθωση στη διάρκεια του χρόνου, το συσσωρευμένο σφάλμα είναι απεριόριστο.

              Σχήμα 5. Συσσωρευμένο σφάλμα μεθόδου μέτρησης Coulomb

Για την εξάλειψη σωρευτικών σφαλμάτων, υπάρχουν τρία πιθανά χρονικά σημεία που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κατά την κανονική λειτουργία της μπαταρίας: Τέλος φόρτισης (EOC), Τέλος εκφόρτισης (EOD) και Ξεκούραση (Χαλάρωση). Όταν πληρούται η συνθήκη λήξης φόρτισης, υποδεικνύει ότι η μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη και ότι η κατάσταση φόρτισης (SOC) πρέπει να είναι 100%. Η συνθήκη τέλους αποφόρτισης υποδεικνύει ότι η μπαταρία έχει αποφορτιστεί πλήρως και η κατάσταση φόρτισης (SOC) πρέπει να είναι 0%. Μπορεί να είναι μια απόλυτη τιμή τάσης ή μπορεί να ποικίλλει ανάλογα με το φορτίο. Όταν φτάσει σε κατάσταση ηρεμίας, η μπαταρία δεν φορτίζεται ούτε αποφορτίζεται και παραμένει σε αυτή την κατάσταση για μεγάλο χρονικό διάστημα. Εάν ο χρήστης θέλει να χρησιμοποιήσει την κατάσταση ηρεμίας της μπαταρίας για να διορθώσει το σφάλμα της κουλομετρικής μεθόδου, πρέπει να χρησιμοποιηθεί ένα βολτόμετρο ανοιχτού κυκλώματος αυτήν τη στιγμή. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι το σφάλμα κατάστασης φόρτισης μπορεί να διορθωθεί στις παραπάνω καταστάσεις.

            Εικόνα 6. Προϋποθέσεις για την εξάλειψη συσσωρευμένων σφαλμάτων στην κουλομβική μετρολογία

Ο δεύτερος κύριος παράγοντας που προκαλεί την απόκλιση ακρίβειας της μετρολογίας Coulomb είναι το σφάλμα Full Charge Capacity (FCC), το οποίο είναι η διαφορά μεταξύ της σχεδιασμένης χωρητικότητας της μπαταρίας και της πραγματικής χωρητικότητας πλήρους φόρτισης της μπαταρίας. Η πλήρως φορτισμένη χωρητικότητα (FCC) επηρεάζεται από παράγοντες όπως η θερμοκρασία, η γήρανση και το φορτίο. Ως εκ τούτου, οι μέθοδοι εκμάθησης και αντιστάθμισης για πλήρως φορτισμένη χωρητικότητα είναι ζωτικής σημασίας για την κουλομβική μετρολογία. Το παρακάτω σχήμα δείχνει το φαινόμενο τάσης του σφάλματος κατάστασης φόρτισης όταν η πλήρως φορτισμένη χωρητικότητα υπερεκτιμάται και υποτιμάται.

             Εικόνα 7: Τάση σφάλματος όταν η πλήρως φορτισμένη χωρητικότητα υπερεκτιμάται και υποτιμάται

1.4 Μετρητής ηλεκτρικής ενέργειας με αλγόριθμο δυναμικής τάσης

Ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης μπορεί να υπολογίσει την κατάσταση φόρτισης μιας μπαταρίας λιθίου με βάση αποκλειστικά την τάση της μπαταρίας. Αυτή η μέθοδος εκτιμά την αύξηση ή τη μείωση της κατάστασης φόρτισης με βάση τη διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας. Οι πληροφορίες δυναμικής τάσης μπορούν να προσομοιώσουν αποτελεσματικά τη συμπεριφορά των μπαταριών λιθίου και να καθορίσουν την κατάσταση φόρτισης (SOC) (%), αλλά αυτή η μέθοδος δεν μπορεί να εκτιμήσει την τιμή χωρητικότητας της μπαταρίας (mAh).

Η μέθοδος υπολογισμού του βασίζεται στη δυναμική διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος και εκτιμά την κατάσταση φόρτισης χρησιμοποιώντας επαναληπτικούς αλγόριθμους για τον υπολογισμό κάθε αύξησης ή μείωσης στην κατάσταση φόρτισης. Σε σύγκριση με τη λύση των μετρητών ηλεκτρικής ενέργειας της μεθόδου Coulomb, οι μετρητές ηλεκτρικής ενέργειας με αλγόριθμο δυναμικής τάσης δεν συσσωρεύουν σφάλματα με την πάροδο του χρόνου και του ρεύματος. Οι μετρητές κουλόμπης συχνά έχουν ανακριβή εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης λόγω σφαλμάτων ανίχνευσης ρεύματος και αυτοεκφόρτισης μπαταρίας. Ακόμα κι αν το τρέχον σφάλμα ανίχνευσης είναι πολύ μικρό, ο μετρητής Coulomb θα συνεχίσει να συγκεντρώνει σφάλματα, τα οποία μπορούν να εξαλειφθούν μόνο μετά από πλήρη φόρτιση ή αποφόρτιση.

Ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης χρησιμοποιείται για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης μιας μπαταρίας με βάση αποκλειστικά τις πληροφορίες τάσης. Επειδή δεν υπολογίζεται με βάση τις τρέχουσες πληροφορίες της μπαταρίας, δεν υπάρχει συσσώρευση σφαλμάτων. Για να βελτιωθεί η ακρίβεια της κατάστασης φόρτισης, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης πρέπει να χρησιμοποιήσει μια πραγματική συσκευή για να προσαρμόσει τις παραμέτρους ενός βελτιστοποιημένου αλγορίθμου με βάση την πραγματική καμπύλη τάσης μπαταρίας υπό συνθήκες πλήρους φόρτισης και πλήρους εκφόρτισης.

     Σχήμα 8. Απόδοση Αλγόριθμου Δυναμικής Τάσης για Βελτιστοποίηση Μετρητών Ηλεκτρικής Ενέργειας και Απολαβής

Ακολουθεί η απόδοση του αλγορίθμου δυναμικής τάσης υπό διαφορετικές συνθήκες ρυθμού εκφόρτισης ως προς την κατάσταση φόρτισης. Όπως φαίνεται στο σχήμα, η ακρίβεια φόρτισής του είναι καλή. Ανεξάρτητα από τις συνθήκες εκφόρτισης των C/2, C/4, C/7 και C/10, το συνολικό σφάλμα κατάστασης φόρτισης αυτής της μεθόδου είναι μικρότερο από 3%.

      Σχήμα 9. Απόδοση της κατάστασης φόρτισης του αλγόριθμου δυναμικής τάσης υπό διαφορετικές συνθήκες ρυθμού εκφόρτισης

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας σε συνθήκες σύντομης φόρτισης και σύντομης εκφόρτισης. Το σφάλμα της κατάστασης φόρτισης εξακολουθεί να είναι πολύ μικρό και το μέγιστο σφάλμα είναι μόνο 3%.

       Εικόνα 10. Απόδοση της κατάστασης φόρτισης του αλγόριθμου δυναμικής τάσης σε περίπτωση βραχείας φόρτισης και βραχείας εκφόρτισης μπαταριών

Σε σύγκριση με τη μέθοδο μέτρησης Coulomb, η οποία συνήθως οδηγεί σε ανακριβή κατάσταση φόρτισης λόγω σφαλμάτων ανίχνευσης ρεύματος και αυτοεκφόρτισης της μπαταρίας, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης δεν συσσωρεύει σφάλματα με την πάροδο του χρόνου και του ρεύματος, κάτι που αποτελεί σημαντικό πλεονέκτημα. Λόγω της έλλειψης πληροφοριών σχετικά με τα ρεύματα φόρτισης/εκφόρτισης, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης έχει χαμηλή βραχυπρόθεσμη ακρίβεια και αργό χρόνο απόκρισης. Επιπλέον, δεν μπορεί να εκτιμήσει την πλήρη χωρητικότητα φόρτισης. Ωστόσο, αποδίδει καλά όσον αφορά τη μακροπρόθεσμη ακρίβεια, καθώς η τάση της μπαταρίας αντανακλά τελικά άμεσα την κατάσταση φόρτισής της.