Het schatten van de laadtoestand (SOC) van een lithiumbatterij is technisch moeilijk, vooral in toepassingen waarbij de batterij niet volledig is opgeladen of volledig ontladen. Dergelijke toepassingen zijn hybride elektrische voertuigen (HEV's). De uitdaging komt voort uit de zeer vlakke ontladingskarakteristieken van lithiumbatterijen. De spanning verandert nauwelijks van 70% SOC naar 20% SOC. In feite is de spanningsvariatie als gevolg van temperatuurveranderingen vergelijkbaar met de spanningsvariatie als gevolg van ontlading, dus als de SOC uit de spanning moet worden afgeleid, moet de celtemperatuur worden gecompenseerd.
Een andere uitdaging is dat de batterijcapaciteit wordt bepaald door de capaciteit van de cel met de laagste capaciteit, dus de SOC moet niet worden beoordeeld op basis van de klemspanning van de cel, maar op de klemspanning van de zwakste cel. Dit klinkt allemaal een beetje te moeilijk. Dus waarom houden we niet gewoon de totale hoeveelheid stroom die de cel binnenstroomt, en balanceren we deze met de stroom die eruit stroomt? Dit staat bekend als coulometrisch tellen en klinkt eenvoudig genoeg, maar er kleven veel problemen aan deze methode.
Batterijenzijn geen perfecte batterijen. Ze geven nooit terug wat je erin stopt. Tijdens het opladen ontstaat er lekstroom, die varieert afhankelijk van de temperatuur, de laadsnelheid, de laadtoestand en de veroudering.
De capaciteit van een batterij varieert ook niet-lineair met de ontladingssnelheid. Hoe sneller de ontlading, hoe lager de capaciteit. Van een ontlading van 0,5°C tot een ontlading van 5°C kan de reductie oplopen tot 15%.
Accu's hebben bij hogere temperaturen een aanzienlijk hogere lekstroom. De interne cellen in een batterij kunnen heter worden dan de externe cellen, waardoor de cellekkage door de batterij ongelijkmatig zal zijn.
Capaciteit is ook een functie van temperatuur. Sommige lithiumchemicaliën worden meer beïnvloed dan andere.
Om deze ongelijkheid te compenseren, wordt binnen de batterij gebruik gemaakt van celbalancering. Deze extra lekstroom is buiten de accu niet meetbaar.
De batterijcapaciteit neemt gestaag af gedurende de levensduur van de cel en in de loop van de tijd.
Elke kleine offset in de huidige meting zal worden geïntegreerd en kan na verloop van tijd een groot getal worden, wat de nauwkeurigheid van de SOC ernstig kan aantasten.
Al het bovenstaande zal in de loop van de tijd resulteren in een afname van de nauwkeurigheid, tenzij er regelmatig wordt gekalibreerd. Dit is echter alleen mogelijk als de batterij bijna leeg of bijna vol is. Bij HEV-toepassingen is het het beste om de batterij ongeveer 50% opgeladen te houden. Een mogelijke manier om de meetnauwkeurigheid betrouwbaar te corrigeren is dus om de batterij periodiek volledig op te laden. Puur elektrische voertuigen worden regelmatig volledig of bijna vol opgeladen, dus metingen op basis van coulometrische tellingen kunnen zeer nauwkeurig zijn, vooral als andere batterijproblemen worden gecompenseerd.
De sleutel tot een goede nauwkeurigheid bij coulometrisch tellen is een goede stroomdetectie over een breed dynamisch bereik.
De traditionele methode om stroom te meten is voor ons een shunt, maar deze methoden vallen weg als het om hogere (250A+) stromen gaat. Vanwege het stroomverbruik moet de shunt een lage weerstand hebben. Shunts met lage weerstand zijn niet geschikt voor het meten van lage stromen (50 mA). Dit roept meteen de belangrijkste vraag op: wat zijn de minimale en maximale stromen die gemeten moeten worden? Dit wordt het dynamisch bereik genoemd.
Uitgaande van een accucapaciteit van 100 Ah, een ruwe schatting van de aanvaardbare integratiefout.
Een fout van 4 Ampère zal 100% van de fouten per dag veroorzaken, terwijl een fout van 0,4 A 10% van de fouten per dag zal veroorzaken.
Een fout van 4/7A zal binnen een week 100% van de fouten veroorzaken, terwijl een fout van 60 mA binnen een week 10% van de fouten zal veroorzaken.
Een fout van 4/28 A zal binnen een maand een fout van 100% opleveren, of een fout van 15 mA zal binnen een maand een fout van 10% opleveren, wat waarschijnlijk de beste meting is die kan worden verwacht zonder herkalibratie vanwege opladen of bijna volledige ontlading.
Laten we nu eens kijken naar de shunt die de stroom meet. Voor 250A zal een shunt van 1m ohm aan de hoge kant zijn en 62,5W produceren. Bij 15 mA produceert hij echter slechts 15 microvolt, die verloren gaat in het achtergrondgeluid. Het dynamisch bereik bedraagt 250A/15mA = 17.000:1. Als een 14-bits A/D-omzetter het signaal echt kan "zien" in ruis, offset en drift, dan is een 14-bits A/D-omzetter vereist. Een belangrijke oorzaak van offset is de spannings- en aardlus-offset die door het thermokoppel wordt gegenereerd.
In principe is er geen sensor die stroom in dit dynamische bereik kan meten. Hogestroomsensoren zijn nodig om de hogere stromen uit tractie- en laadvoorbeelden te meten, terwijl lagestroomsensoren nodig zijn om stromen te meten van bijvoorbeeld accessoires en eventuele nulstroomtoestanden. Omdat de laagstroomsensor ook de hoge stroom "ziet", kan deze hierdoor, behalve door verzadiging, niet worden beschadigd of beschadigd. Deze berekent onmiddellijk de shuntstroom.
Een oplossing
Een zeer geschikte familie van sensoren zijn Hall-effectstroomsensoren met open lus. Deze apparaten zullen niet beschadigd raken door hoge stromen en Raztec heeft een sensorreeks ontwikkeld die daadwerkelijk stromen in het milliampère-bereik door één enkele geleider kan meten. een overdrachtsfunctie van 100mV/AT is praktisch, dus een stroom van 15mA zal een bruikbare 1,5mV produceren. door het beste beschikbare kernmateriaal te gebruiken, kan ook een zeer lage remanentie in het bereik van enkele milliampère worden bereikt. Bij 100mV/AT zal er boven 25 Ampère verzadiging optreden. De lagere programmeerversterking maakt uiteraard hogere stromen mogelijk.
Hoge stromen worden gemeten met conventionele hogestroomsensoren. Het overschakelen van de ene sensor naar de andere vereist eenvoudige logica.
Raztec's nieuwe reeks kernloze sensoren is een uitstekende keuze voor sensoren met hoge stroomsterkte. Deze apparaten bieden uitstekende lineariteit, stabiliteit en nulhysterese. Ze zijn eenvoudig aan te passen aan een breed scala aan mechanische configuraties en stroombereiken. Deze apparaten zijn praktisch gemaakt door het gebruik van een nieuwe generatie magnetische veldsensoren met uitstekende prestaties.
Beide sensortypen blijven gunstig voor het beheren van signaal-ruisverhoudingen met het zeer hoge dynamische stroombereik dat vereist is.
Extreme nauwkeurigheid zou echter overbodig zijn, aangezien de batterij zelf geen nauwkeurige coulombteller is. Een fout van 5% tussen opladen en ontladen is typisch voor batterijen waar nog meer inconsistenties bestaan. Met dit in gedachten kan een relatief eenvoudige techniek met behulp van een basisbatterijmodel worden gebruikt. Het model kan onbelaste klemspanning versus capaciteit, laadspanning versus capaciteit, ontlaad- en laadweerstanden omvatten die kunnen worden aangepast met capaciteit en laad-/ontlaadcycli. Er moeten geschikte gemeten spanningstijdconstanten worden vastgesteld om tegemoet te komen aan de uitputtings- en herstelspanningstijdconstanten.
Een belangrijk voordeel van lithiumbatterijen van goede kwaliteit is dat ze bij hoge ontladingssnelheden zeer weinig capaciteit verliezen. Dit feit vereenvoudigt berekeningen. Ze hebben ook een zeer lage lekstroom. Systeemlekkage kan groter zijn.
Deze techniek maakt een schatting van de ladingstoestand mogelijk binnen een paar procentpunten van de werkelijke resterende capaciteit na het vaststellen van de juiste parameters, zonder dat coulomb-telling nodig is. De batterij wordt een coulombteller.
Foutbronnen binnen de stroomsensor
Zoals hierboven vermeld, is de offsetfout van cruciaal belang voor de coulometrische telling en moeten er voorzieningen worden getroffen binnen de SOC-monitor om de sensoroffset naar nul te kalibreren onder nulstroomomstandigheden. Dit is normaal gesproken alleen mogelijk tijdens de fabrieksinstallatie. Er kunnen echter systemen bestaan die nulstroom bepalen en daardoor automatische herkalibratie van de offset mogelijk maken. Dit is een ideale situatie omdat drift kan worden opgevangen.
Helaas produceren alle sensortechnologieën thermische offsetdrift, en stroomsensoren vormen hierop geen uitzondering. We kunnen nu zien dat dit een cruciale kwaliteit is. Door het gebruik van kwaliteitscomponenten en een zorgvuldig ontwerp bij Raztec hebben we een reeks thermisch stabiele stroomsensoren ontwikkeld met een driftbereik van <0,25 mA/K. Bij een temperatuurverandering van 20K kan dit een maximale fout van 5mA opleveren.
Een andere veel voorkomende foutbron bij stroomsensoren met een magnetisch circuit is de hysteresisfout die wordt veroorzaakt door remanent magnetisme. Vaak is dit maximaal 400mA, wat dergelijke sensoren ongeschikt maakt voor batterijmonitoring. Door het beste magnetische materiaal te selecteren heeft Raztec deze kwaliteit teruggebracht tot 20 mA en deze fout is in de loop van de tijd zelfs verminderd. Als er minder fouten nodig zijn, is demagnetisatie mogelijk, maar dit voegt een aanzienlijke complexiteit toe.
Een kleinere fout is de drift van de kalibratie van de overdrachtsfunctie met de temperatuur, maar voor massasensoren is dit effect veel kleiner dan de drift van de celprestaties met de temperatuur.
De beste benadering voor het schatten van de SOC is het gebruik van een combinatie van technieken zoals stabiele nullastspanningen, celspanningen gecompenseerd door IXR, coulometrische tellingen en temperatuurcompensatie van parameters. Integratiefouten op de lange termijn kunnen bijvoorbeeld worden genegeerd door de SOC te schatten voor accuspanningen bij nullast of lage belasting.
Posttijd: 09-aug-2022