Johdatus akkumittareihin

Johdatus akkumittareihin

1.1 Sähkömittarin toimintojen esittely

Akun hallintaa voidaan pitää osana virranhallintaa. Akunhallinnassa sähkömittari vastaa akun kapasiteetin arvioinnista. Sen perustoiminto on valvoa jännitettä, lataus-/purkausvirtaa ja akun lämpötilaa sekä arvioida akun lataustilaa (SOC) ja täyttä latauskapasiteettia (FCC). Akun varaustilan arvioimiseen on kaksi tyypillistä menetelmää: avoimen piirin jännitemenetelmä (OCV) ja Coulombic-mittausmenetelmä. Toinen menetelmä on RICHTEKin suunnittelema dynaaminen jännitealgoritmi.

1.2 Avoimen piirin jännitemenetelmä

Toteutusmenetelmä avoimen piirin jännitemenetelmän käyttämiselle sähkömittarille on suhteellisen helppo, ja se voidaan saada tarkistamalla avoimen piirin jännitteen vastaava varaustila. Avoimen piirin jännitteen oletettu ehto on akun napajännite, kun akku on lepotilassa noin 30 minuuttia.

Akun jännitekäyrä vaihtelee kuormituksen, lämpötilan ja akun ikääntymisen mukaan. Siksi kiinteä avoimen piirin volttimittari ei voi täysin edustaa lataustilaa; Varaustilaa ei voida arvioida pelkästään taulukoita etsimällä. Toisin sanoen, jos varaustila arvioidaan pelkästään etsimällä taulukkoa, virhe on merkittävä.

Seuraava kuva osoittaa, että samalla akkujännitteellä on merkittävä ero avoimen piirin jännitemenetelmällä saadussa varaustilassa.

        Kuva 5. Akun jännite lataus- ja purkuolosuhteissa

Kuten alla olevasta kuvasta näkyy, varaustilassa on myös merkittävä ero eri kuormituksissa purkauksen aikana. Pohjimmiltaan avoimen piirin jännitemenetelmä soveltuu siis vain järjestelmiin, joiden lataustilan tarkkuusvaatimukset ovat alhaiset, kuten autoihin, joissa käytetään lyijyakkuja tai keskeytymättömiä virtalähteitä.

            Kuva 2. Akun jännite eri kuormituksissa purkauksen aikana

1.3 Kuloninen metrologia

Coulombin metrologian toimintaperiaate on kytkeä tunnistusvastus akun lataus-/purkausreitille. ADC mittaa tunnistusvastuksen jännitteen ja muuntaa sen ladattavan tai purettavan akun virta-arvoksi. Reaaliaikainen laskuri (RTC) integroi nykyisen arvon ajan kanssa sen määrittämiseksi, kuinka monta Coulombia virtaa.

               Kuva 3. Coulombin mittausmenetelmän perustoimintatapa

Coulombic metrologia voi laskea tarkasti reaaliaikaisen lataustilan lataus- tai purkuprosessin aikana. Käyttämällä latautuvaa Coulomb-laskuria ja purkautuvaa Coulomb-laskuria se voi laskea jäljellä olevan sähkökapasiteetin (RM) ja täyden latauskapasiteetin (FCC). Samalla jäljellä olevaa latauskapasiteettia (RM) ja täyteen ladattua kapasiteettia (FCC) voidaan käyttää myös lataustilan laskemiseen eli (SOC=RM/FCC). Lisäksi se voi myös arvioida jäljellä olevan ajan, kuten virrankulutuksen (TTE) ja virranlatauksen (TTF).

                    Kuva 4. Coulombin metrologian laskentakaava

On kaksi päätekijää, jotka aiheuttavat Coulombin metrologian tarkkuuspoikkeaman. Ensimmäinen on offset-virheiden kertyminen virrantunnistukseen ja ADC-mittaukseen. Vaikka mittausvirhe on suhteellisen pieni nykytekniikalla, ilman hyvää menetelmää sen poistamiseksi tämä virhe kasvaa ajan myötä. Seuraava kuva osoittaa, että käytännön sovelluksissa, jos ajan kestoon ei tehdä korjausta, kertyvä virhe on rajoittamaton.

              Kuva 5. Coulombin mittausmenetelmän kumuloitunut virhe

Kumulatiivisten virheiden eliminoimiseksi on kolme mahdollista aikapistettä, joita voidaan käyttää normaalin akun toiminnan aikana: latauksen loppu (EOC), purkamisen loppu (EOD) ja lepo (relax). Kun latauksen päättymisehto täyttyy, se osoittaa, että akku on ladattu täyteen ja lataustilan (SOC) pitäisi olla 100 %. Purkautumistila osoittaa, että akku on täysin tyhjä ja lataustilan (SOC) pitäisi olla 0 %; Se voi olla absoluuttinen jännitearvo tai se voi vaihdella kuorman mukaan. Kun akku saavutetaan lepotilaan, se ei lataudu eikä purkaudu, ja se pysyy tässä tilassa pitkän aikaa. Jos käyttäjä haluaa korjata kulometrisen menetelmän virheen akun lepotilan avulla, on tässä vaiheessa käytettävä avoimen piirin volttimittaria. Seuraava kuva osoittaa, että lataustilavirhe voidaan korjata yllä olevissa tiloissa.

            Kuva 6. Edellytykset kumuloituneiden virheiden eliminoimiseksi coulombic-metrologiassa

Toinen päätekijä, joka aiheuttaa Coulombin metrologian tarkkuuspoikkeaman, on Full Charge Capacity (FCC) -virhe, joka on ero akun suunnitellun kapasiteetin ja akun todellisen täyden latauskapasiteetin välillä. Täysin ladattuun kapasiteettiin (FCC) vaikuttavat sellaiset tekijät kuin lämpötila, ikääntyminen ja kuormitus. Siksi täysin ladatun kapasiteetin uudelleenoppimis- ja kompensointimenetelmät ovat ratkaisevia Coulombic-metrologiassa. Seuraava kuva esittää lataustilavirheen trendiilmiötä, kun täyteen ladattu kapasiteetti on yli- ja aliarvioitu.

             Kuva 7: Virhetrendi, kun täyteen ladattu kapasiteetti on yli- ja aliarvioitu

1.4 Dynaaminen jännitealgoritmi sähkömittari

Dynaaminen jännitealgoritmi voi laskea litiumakun varaustilan pelkästään akun jännitteen perusteella. Tämä menetelmä arvioi lataustilan lisäyksen tai laskun akun jännitteen ja akun avoimen piirin jännitteen välisen eron perusteella. Dynaamiset jännitetiedot voivat simuloida tehokkaasti litiumakkujen käyttäytymistä ja määrittää lataustilan (SOC) (%), mutta tällä menetelmällä ei voida arvioida akun kapasiteetin arvoa (mAh).

Sen laskentamenetelmä perustuu akun jännitteen ja avoimen piirin jännitteen väliseen dynaamiseen eroon, ja se arvioi lataustilan iteratiivisten algoritmien avulla laskeakseen jokaisen lataustilan nousun tai laskun. Verrattuna Coulombin menetelmän sähkömittareiden ratkaisuun dynaamiset jännitealgoritmi sähkömittarit eivät kerää virheitä ajan ja virran mukaan. Kulonmittausmittareilla on usein epätarkka varaustilan estimointi virrantunnistusvirheiden ja akun itsepurkauksen vuoksi. Vaikka virran tunnistusvirhe olisi hyvin pieni, Coulombin laskuri kerää edelleen virheitä, jotka voidaan poistaa vasta täydellisen latauksen tai purkamisen jälkeen.

Dynaamista jännitealgoritmia käytetään akun varaustilan arvioimiseen pelkästään jännitetietojen perusteella; Koska sitä ei ole arvioitu akun nykyisten tietojen perusteella, virheitä ei kerry. Lataustilan tarkkuuden parantamiseksi dynaamisen jännitealgoritmin on käytettävä todellista laitetta optimoidun algoritmin parametrien säätämiseksi todellisen akun jännitekäyrän perusteella täyteen ladattuna ja täysin purkautuneissa olosuhteissa.

     Kuva 8. Dynaamisen jännitealgoritmin suorituskyky sähkömittarille ja vahvistuksen optimoinnille

Seuraavassa on dynaamisen jännitealgoritmin suorituskyky eri purkausnopeusolosuhteissa varaustilan suhteen. Kuten kuvasta näkyy, sen lataustilan tarkkuus on hyvä. Huolimatta purkausolosuhteista C/2, C/4, C/7 ja C/10, tämän menetelmän kokonaislatausvirhe on alle 3 %.

      Kuva 9. Dynaamisen jännite-algoritmin lataustilan suorituskyky erilaisissa purkausnopeusolosuhteissa

Seuraavassa kuvassa näkyy akun lataustila lyhytlataus- ja purkautumisolosuhteissa. Varaustilan virhe on edelleen hyvin pieni, ja suurin virhe on vain 3%.

       Kuva 10. Dynaamisen jännite-algoritmin lataustilan suorituskyky akkujen lyhyen latauksen ja purkamisen yhteydessä

Verrattuna Coulombin mittausmenetelmään, joka yleensä johtaa epätarkkaan lataustilaan virrantunnistusvirheiden ja akun itsepurkauksen vuoksi, dynaaminen jännitealgoritmi ei kerää virheitä ajan ja virran myötä, mikä on suuri etu. Varaus-/purkausvirtojen tiedon puutteen vuoksi dynaamisella jännitealgoritmilla on heikko lyhytaikainen tarkkuus ja hidas vasteaika. Lisäksi se ei pysty arvioimaan täyttä latauskapasiteettia. Se toimii kuitenkin hyvin pitkän aikavälin tarkkuuden kannalta, koska akun jännite heijastaa lopulta suoraan sen lataustilaa.