La stima dello stato di carica (SOC) di una batteria al litio è tecnicamente difficile, soprattutto nelle applicazioni in cui la batteria non è completamente carica o completamente scarica. Tali applicazioni sono i veicoli elettrici ibridi (HEV). La sfida deriva dalle caratteristiche di scarica a tensione molto piatta delle batterie al litio. La tensione difficilmente cambia dal 70% SOC al 20% SOC. Infatti, la variazione di tensione dovuta alle variazioni di temperatura è simile alla variazione di tensione dovuta alla scarica, quindi se si vuole ricavare il SOC dalla tensione, è necessario compensare la temperatura della cella.
Un'altra sfida è che la capacità della batteria è determinata dalla capacità della cella con la capacità più bassa, quindi il SOC non dovrebbe essere giudicato in base alla tensione terminale della cella, ma alla tensione terminale della cella più debole. Sembra tutto un po' troppo difficile. Allora perché non manteniamo semplicemente la quantità totale di corrente che scorre nella cella e la bilanciamo con la corrente che scorre fuori? Questo è noto come conteggio coulometrico e sembra abbastanza semplice, ma presenta molte difficoltà con questo metodo.
Batterienon sono batterie perfette. Non restituiscono mai ciò che ci metti dentro. Durante la carica si verifica una corrente di dispersione che varia in base alla temperatura, alla velocità di carica, allo stato di carica e all'invecchiamento.
La capacità di una batteria varia anche in modo non lineare con la velocità di scarica. Più veloce è lo scarico, minore è la capacità. Da una scarica di 0,5°C a una di 5°C, la riduzione può arrivare fino al 15%.
Le batterie hanno una corrente di dispersione significativamente più elevata a temperature più elevate. Le celle interne di una batteria potrebbero diventare più calde di quelle esterne, quindi la perdita di celle attraverso la batteria sarà diversa.
La capacità è anche una funzione della temperatura. Alcune sostanze chimiche al litio sono colpite più di altre.
Per compensare questa disuguaglianza, all'interno della batteria viene utilizzato il bilanciamento delle celle. Questa corrente di dispersione aggiuntiva non è misurabile all'esterno della batteria.
La capacità della batteria diminuisce costantemente nel corso della vita della cella e nel tempo.
Qualsiasi piccolo spostamento nella misurazione corrente verrà integrato e nel tempo potrebbe diventare un numero elevato, compromettendo seriamente la precisione del SOC.
Tutto quanto sopra comporterà una variazione della precisione nel tempo a meno che non venga eseguita una calibrazione regolare, ma ciò è possibile solo quando la batteria è quasi scarica o quasi piena. Nelle applicazioni HEV è meglio mantenere la batteria a circa il 50% di carica, quindi un modo possibile per correggere in modo affidabile la precisione della misurazione è caricare periodicamente completamente la batteria. I veicoli elettrici puri vengono regolarmente caricati completamente o quasi, quindi la misurazione basata sui conteggi coulometrici può essere molto accurata, soprattutto se vengono compensati altri problemi della batteria.
La chiave per una buona precisione nel conteggio coulometrico è un buon rilevamento della corrente su un ampio intervallo dinamico.
Per noi il metodo tradizionale di misurazione della corrente è uno shunt, ma questi metodi falliscono quando sono coinvolte correnti più elevate (250 A+). A causa del consumo energetico, lo shunt deve avere una bassa resistenza. Gli shunt a bassa resistenza non sono adatti per misurare correnti basse (50 mA). Ciò solleva immediatamente la domanda più importante: quali sono le correnti minime e massime da misurare? Questa è chiamata gamma dinamica.
Supponendo una capacità della batteria di 100 Ah, una stima approssimativa dell'errore di integrazione accettabile.
Un errore di 4 A produrrà il 100% degli errori in un giorno oppure un errore di 0,4 A produrrà il 10% degli errori in un giorno.
Un errore da 4/7 A produrrà il 100% degli errori entro una settimana oppure un errore da 60 mA produrrà il 10% degli errori entro una settimana.
Un errore di 4/28 A produrrà un errore del 100% in un mese oppure un errore di 15 mA produrrà un errore del 10% in un mese, che è probabilmente la migliore misurazione che ci si può aspettare senza ricalibrazione a causa della carica o della scarica quasi completa.
Ora diamo un'occhiata allo shunt che misura la corrente. Per 250 A, uno shunt da 1 m ohm sarà sul lato alto e produrrà 62,5 W. Tuttavia, a 15 mA produrrà solo 15 microvolt, che andranno persi nel rumore di fondo. La gamma dinamica è 250 A/15 mA = 17.000:1. Se un convertitore A/D a 14 bit può davvero "vedere" il segnale in termini di rumore, offset e deriva, allora è necessario un convertitore A/D a 14 bit. Una causa importante di offset è l'offset della tensione e del circuito di terra generato dalla termocoppia.
Fondamentalmente non esiste alcun sensore in grado di misurare la corrente in questo intervallo dinamico. Sono necessari sensori ad alta corrente per misurare le correnti più elevate provenienti da esempi di trazione e ricarica, mentre sono necessari sensori a bassa corrente per misurare le correnti, ad esempio, provenienti da accessori e qualsiasi stato di corrente zero. Poiché il sensore di bassa corrente "vede" anche l'alta corrente, non può essere danneggiato o corrotto da queste, tranne che in caso di saturazione. Questo calcola immediatamente la corrente di shunt.
Una soluzione
Una famiglia di sensori molto adatta è quella dei sensori di corrente ad effetto Hall ad anello aperto. Questi dispositivi non verranno danneggiati da correnti elevate e Raztec ha sviluppato una gamma di sensori in grado di misurare correnti nell'ordine dei milliampere attraverso un singolo conduttore. una funzione di trasferimento di 100 mV/AT è pratica, quindi una corrente di 15 mA produrrà 1,5 mV utilizzabili. utilizzando il miglior materiale del nucleo disponibile, è possibile ottenere anche una rimanenza molto bassa nell'intervallo di singoli milliampere. A 100 mV/AT, la saturazione si verificherà al di sopra di 25 A. Il guadagno di programmazione più basso ovviamente consente correnti più elevate.
Le correnti elevate vengono misurate utilizzando sensori convenzionali per correnti elevate. Il passaggio da un sensore all'altro richiede una logica semplice.
La nuova gamma di sensori coreless di Raztec è una scelta eccellente per i sensori ad alta corrente. Questi dispositivi offrono eccellente linearità, stabilità e isteresi pari a zero. Sono facilmente adattabili ad un'ampia gamma di configurazioni meccaniche e gamme di corrente. Questi dispositivi sono resi pratici dall'utilizzo di una nuova generazione di sensori di campo magnetico dalle prestazioni eccellenti.
Entrambi i tipi di sensore rimangono utili per la gestione dei rapporti segnale-rumore con l'altissimo intervallo dinamico delle correnti richieste.
Tuttavia, la precisione estrema sarebbe ridondante poiché la batteria stessa non è un contatore di Coulomb accurato. Un errore del 5% tra carica e scarica è tipico per le batterie in cui esistono ulteriori incongruenze. Tenendo presente questo, è possibile utilizzare una tecnica relativamente semplice che utilizza un modello di batteria base. Il modello può includere tensione del terminale a vuoto rispetto alla capacità, tensione di carica rispetto alla capacità, resistenze di scarica e carica che possono essere modificate con capacità e cicli di carica/scarica. È necessario stabilire adeguate costanti di tempo della tensione misurata per accogliere le costanti di tempo della tensione di esaurimento e di ripristino.
Un vantaggio significativo delle batterie al litio di buona qualità è che perdono pochissima capacità con velocità di scarica elevate. Questo fatto semplifica i calcoli. Hanno anche una corrente di dispersione molto bassa. La perdita del sistema potrebbe essere maggiore.
Questa tecnica consente la stima dello stato di carica entro pochi punti percentuali dell'effettiva capacità rimanente dopo aver stabilito i parametri appropriati, senza la necessità di contare i Coulomb. La batteria diventa un contatore di Coulomb.
Fonti di errore all'interno del sensore di corrente
Come accennato in precedenza, l'errore di offset è fondamentale per il conteggio coulometrico e nel monitor SOC è necessario provvedere a calibrare l'offset del sensore su zero in condizioni di corrente zero. Normalmente ciò è possibile solo durante l'installazione in fabbrica. Possono tuttavia esistere sistemi che determinano la corrente zero e quindi consentono la ricalibrazione automatica dell'offset. Questa è una situazione ideale in quanto è possibile compensare la deriva.
Sfortunatamente, tutte le tecnologie dei sensori producono una deriva dello spostamento termico e i sensori attuali non fanno eccezione. Ora possiamo vedere che questa è una qualità critica. Utilizzando componenti di qualità e un'attenta progettazione, Raztec ha sviluppato una gamma di sensori di corrente termicamente stabili con un intervallo di deriva <0,25 mA/K. Per una variazione di temperatura di 20K, ciò può produrre un errore massimo di 5mA.
Un'altra comune fonte di errore nei sensori di corrente che incorporano un circuito magnetico è l'errore di isteresi causato dal magnetismo rimanente. Spesso arriva fino a 400 mA, il che rende tali sensori inadatti al monitoraggio della batteria. Selezionando il miglior materiale magnetico, Raztec ha ridotto questa qualità a 20 mA e questo errore si è effettivamente ridotto nel tempo. Se sono richiesti meno errori, la smagnetizzazione è possibile, ma aggiunge una notevole complessità.
Un errore minore è la deriva della calibrazione della funzione di trasferimento con la temperatura, ma per i sensori di massa questo effetto è molto più piccolo della deriva delle prestazioni della cella con la temperatura.
L'approccio migliore alla stima del SOC consiste nell'utilizzare una combinazione di tecniche come tensioni stabili a vuoto, tensioni di cella compensate da IXR, conteggi coulometrici e compensazione della temperatura dei parametri. Ad esempio, gli errori di integrazione a lungo termine possono essere ignorati stimando il SOC per tensioni della batteria a vuoto o a basso carico.
Orario di pubblicazione: 09-ago-2022