Az akkumulátormérők bemutatása

Az akkumulátormérők bemutatása

1.1 Bevezetés a villanyóra funkcióiba

Az akkumulátorkezelés az energiagazdálkodás részének tekinthető. Az akkumulátorkezelésben a villamosenergia-mérő feladata az akkumulátor kapacitásának becslése. Alapvető funkciója a feszültség, a töltő/kisütési áram és az akkumulátor hőmérsékletének figyelése, valamint az akkumulátor töltöttségi állapotának (SOC) és teljes töltési kapacitásának (FCC) becslése. Két tipikus módszer létezik az akkumulátor töltöttségi állapotának becslésére: a nyitott áramköri feszültség módszer (OCV) és a coulombos mérési módszer. Egy másik módszer a RICHTEK által tervezett dinamikus feszültség algoritmus.

1.2 Nyitott áramköri feszültség módszer

A nyitott áramköri feszültség módszerének megvalósítási módja egy villamosenergia-mérő esetében viszonylag egyszerű, és a nyitott áramköri feszültség megfelelő töltöttségi állapotának ellenőrzésével érhető el. A nyitott áramköri feszültség feltételezett feltétele az akkumulátor kapocsfeszültsége, amikor az akkumulátor körülbelül 30 percig pihen.

Az akkumulátor feszültséggörbéje a terheléstől, a hőmérséklettől és az akkumulátor öregedésétől függően változik. Ezért a rögzített, szakadt áramkörű Voltmérő nem képes teljes mértékben megjeleníteni a töltöttségi állapotot; A töltöttségi állapot becslése nem lehetséges pusztán a táblázatok felkutatásával. Más szóval, ha a töltöttségi állapotot pusztán egy táblázat felkutatásával becsüljük meg, a hiba jelentős lesz.

A következő ábra azt mutatja, hogy azonos akkumulátorfeszültség mellett jelentős különbség van a nyitott áramköri feszültség módszerrel kapott töltési állapotban.

        5. ábra Az akkumulátor feszültsége töltési és kisütési körülmények között

Amint az alábbi ábrán látható, a kisütés során a különböző terhelések alatti töltöttségi állapotban is jelentős különbség van. Tehát alapvetően a nyitott áramkörű feszültség módszer csak olyan rendszerekben alkalmazható, amelyeknél a töltöttségi állapotra vonatkozóan alacsony a pontosság követelmény, mint például az ólom-savas akkumulátort vagy szünetmentes tápegységet használó autók.

            2. ábra Akkumulátorfeszültség különböző terheléseknél kisütés közben

1.3 Kulonmetrológia

A Coulomb metrológia működési elve az, hogy az akkumulátor töltési/kisütési útvonalára érzékelő ellenállást kell csatlakoztatni. Az ADC méri az érzékelési ellenállás feszültségét, és átalakítja azt a töltő vagy lemerülő akkumulátor aktuális értékévé. A valós idejű számláló (RTC) biztosítja az aktuális érték és az idő integrálását, hogy meghatározza, hány Coulomb áramlik.

               3. ábra A Coulomb mérési módszer alapvető működési módja

A coulombos metrológia pontosan tudja kiszámítani a valós idejű töltöttségi állapotot a töltési vagy kisütési folyamat során. Egy töltő Coulomb-számláló és egy kisütő Coulomb-számláló segítségével ki tudja számítani a fennmaradó elektromos kapacitást (RM) és a teljes töltési kapacitást (FCC). Ugyanakkor a fennmaradó töltési kapacitás (RM) és a teljesen feltöltött kapacitás (FCC) is felhasználható a töltöttségi állapot kiszámításához, azaz (SOC=RM/FCC). Ezenkívül meg tudja becsülni a hátralévő időt is, például a teljesítménycsökkenést (TTE) és az újratöltést (TTF).

                    4. ábra: Számítási képlet a Coulomb-metrológiához

Két fő tényező okozza a Coulomb-metrológia pontossági eltérését. Az első az eltolási hibák felhalmozódása az áramérzékelés és az ADC mérés során. Bár a mérési hiba viszonylag kicsi a jelenlegi technológiával, jó módszer hiányában ez a hiba idővel növekedni fog. A következő ábra azt mutatja, hogy a gyakorlati alkalmazásokban, ha nincs korrekció az időtartamban, a halmozott hiba korlátlan.

              5. ábra Coulomb mérési módszer halmozott hibája

A halmozott hibák kiküszöbölésére három lehetséges időpont használható az akkumulátor normál működése során: töltés vége (EOC), kisütés vége (EOD) és pihenés (relax). Ha a töltés befejezésének feltétele teljesül, az azt jelzi, hogy az akkumulátor teljesen fel van töltve, és a töltési állapotnak (SOC) 100%-nak kell lennie. A kisülés végének állapota azt jelzi, hogy az akkumulátor teljesen lemerült, és a töltési állapotnak (SOC) 0%-nak kell lennie; Ez lehet abszolút feszültségérték, vagy a terhelés függvényében változhat. Nyugalmi állapot elérésekor az akkumulátor nem töltődik és nem merül le, és hosszú ideig ebben az állapotban marad. Ha a felhasználó az akkumulátor nyugalmi állapotát szeretné használni a coulometriás módszer hibájának kijavításához, akkor ebben az időben szakadt áramkörű voltmérőt kell használni. A következő ábra azt mutatja, hogy a töltési állapot hiba a fenti állapotokban javítható.

            6. ábra: A felgyülemlett hibák kiküszöbölésének feltételei a coulombos metrológiában

A második fő tényező, amely a Coulomb metrológia pontossági eltérését okozza, a Full Charge Capacity (FCC) hiba, amely az akkumulátor tervezett kapacitása és az akkumulátor valódi teljes töltési kapacitása közötti különbség. A teljesen feltöltött kapacitást (FCC) olyan tényezők befolyásolják, mint a hőmérséklet, az öregedés és a terhelés. Ezért a teljesen feltöltött kapacitás újratanulási és kompenzációs módszerei kulcsfontosságúak a Coulombic metrológiában. A következő ábra a töltöttségi állapot hiba trendjelenségét mutatja, amikor a teljesen feltöltött kapacitást túl- vagy alulbecsülik.

             7. ábra: Hibatrend a teljesen feltöltött kapacitás túl- és alulbecslése esetén

1.4 Dinamikus feszültség-algoritmus elektromos fogyasztásmérő

A dinamikus feszültség-algoritmus kizárólag az akkumulátor feszültsége alapján képes kiszámítani a lítium akkumulátor töltöttségi állapotát. Ez a módszer megbecsüli a töltöttségi állapot növekedését vagy csökkenését az akkumulátor feszültsége és az akkumulátor nyitott áramköri feszültsége közötti különbség alapján. A dinamikus feszültséginformáció hatékonyan képes szimulálni a lítium akkumulátorok viselkedését és meghatározni a töltöttségi állapotot (SOC) (%), de ez a módszer nem tudja megbecsülni az akkumulátor kapacitás értékét (mAh).

Számítási módszere az akkumulátorfeszültség és a nyitott áramköri feszültség közötti dinamikus különbségen alapul, és iteratív algoritmusok segítségével becsüli meg a töltöttségi állapotot a töltöttségi állapot minden növekedésének vagy csökkenésének kiszámításához. A Coulomb-módszeres árammérők megoldásához képest a dinamikus feszültség-algoritmusos villamosenergia-mérők nem halmozzák fel az idő és az áram múlásával kapcsolatos hibákat. A coulombos mérőórák gyakran pontatlan becslést adnak a töltöttségi állapotról az áramérzékelési hibák és az akkumulátor önkisülése miatt. Még ha az aktuális érzékelési hiba nagyon kicsi is, a Coulomb-számláló továbbra is gyűjti a hibákat, amelyeket csak a teljes töltés vagy kisütés után lehet kiküszöbölni.

A dinamikus feszültség-algoritmus az akkumulátor töltöttségi állapotának becslésére szolgál, kizárólag a feszültséginformációk alapján; Mivel nem az akkumulátor aktuális információi alapján becsülik meg, nem halmozódnak fel hibák. A töltési állapot pontosságának javítása érdekében a dinamikus feszültség-algoritmusnak tényleges eszközt kell használnia egy optimalizált algoritmus paramétereinek beállításához a tényleges akkumulátorfeszültség-görbe alapján teljesen feltöltött és teljesen lemerült körülmények között.

     8. ábra: A dinamikus feszültség-algoritmus teljesítménye a villamosenergia-mérőhöz és az erősítési optimalizáláshoz

Az alábbiakban a dinamikus feszültség-algoritmus teljesítményét mutatjuk be különböző kisütési sebességi feltételek mellett a töltési állapot tekintetében. Amint az ábrán is látható, töltési állapotának pontossága jó. A C/2, C/4, C/7 és C/10 kisütési körülményeitől függetlenül ennek a módszernek a teljes töltési állapotának hibája kevesebb, mint 3%.

      9. ábra: A dinamikus feszültség algoritmus töltési állapotának teljesítménye különböző kisülési sebességi feltételek mellett

Az alábbi ábra az akkumulátor töltöttségi állapotát mutatja rövid töltési és kisütési körülmények között. A töltési állapot hibája továbbra is nagyon kicsi, a maximális hiba pedig mindössze 3%.

       10. ábra A dinamikus feszültség algoritmus töltési állapotának teljesítménye akkumulátorok rövid töltése és kisütése esetén

A Coulomb mérési módszerhez képest, amely általában pontatlan töltöttségi állapotot eredményez az áramérzékelési hibák és az akkumulátor önkisülése miatt, a dinamikus feszültség-algoritmus nem halmoz fel hibákat az idő és az áram múlásával, ami jelentős előny. A töltő/kisütési áramokra vonatkozó információk hiánya miatt a dinamikus feszültség algoritmus rövid távú pontossága és lassú válaszideje gyenge. Ezenkívül nem tudja megbecsülni a teljes töltési kapacitást. A hosszú távú pontosság szempontjából azonban jól teljesít, mivel az akkumulátor feszültsége végső soron közvetlenül tükrözi a töltöttségi állapotát.