Introduzione ai misuratori di batterie

Introduzione ai misuratori di batterie

1.1 Introduzione alle funzioni del contatore elettrico

La gestione della batteria può essere considerata parte della gestione dell’energia. Nella gestione della batteria, il contatore elettrico è responsabile della stima della capacità della batteria. La sua funzione di base è monitorare la tensione, la corrente di carica/scarica e la temperatura della batteria e stimare lo stato di carica (SOC) e la capacità di carica completa (FCC) della batteria. Esistono due metodi tipici per stimare lo stato di carica di una batteria: il metodo della tensione a circuito aperto (OCV) e il metodo di misurazione Coulombiano. Un altro metodo è l'algoritmo di tensione dinamica progettato da RICHTEK.

1.2 Metodo della tensione a circuito aperto

Il metodo di implementazione dell'utilizzo del metodo della tensione a circuito aperto per un contatore elettrico è relativamente semplice e può essere ottenuto controllando il corrispondente stato di carica della tensione a circuito aperto. La condizione presupposta per la tensione a circuito aperto è la tensione ai terminali della batteria quando la batteria rimane a riposo per circa 30 minuti.

La curva di tensione della batteria varia a seconda del carico, della temperatura e dell'invecchiamento della batteria. Pertanto un Voltmetro fisso a circuito aperto non può rappresentare completamente lo stato di carica; Non è possibile stimare lo stato di carica unicamente consultando le tabelle. In altre parole, se lo stato di carica viene stimato esclusivamente consultando una tabella, l’errore sarà significativo.

La figura seguente mostra che, a parità di tensione della batteria, esiste una differenza significativa nello stato di carica ottenuto con il metodo della tensione a circuito aperto.

        Figura 5. Tensione della batteria in condizioni di carica e scarica

Come mostrato nella figura seguente, c'è anche una differenza significativa nello stato di carica sotto carichi diversi durante la scarica. Quindi, in sostanza, il metodo della tensione a circuito aperto è adatto solo per sistemi con bassi requisiti di precisione per lo stato di carica, come le automobili che utilizzano batterie al piombo o gruppi di continuità.

            Figura 2. Tensione della batteria sotto carichi diversi durante la scarica

1.3 Metrologia Coulombiana

Il principio di funzionamento della metrologia Coulomb è collegare un resistore di rilevamento sul percorso di carica/scarica della batteria. L'ADC misura la tensione sul resistore di rilevamento e la converte nel valore corrente della batteria da caricare o scaricare. Il contatore in tempo reale (RTC) fornisce l'integrazione del valore corrente con il tempo per determinare quanti Coulomb stanno scorrendo.

               Figura 3. Modalità operativa di base del metodo di misurazione Coulomb

La metrologia Coulombica può calcolare con precisione lo stato di carica in tempo reale durante il processo di carica o scarica. Utilizzando un contatore Coulomb di carica e un contatore Coulomb di scarica, è possibile calcolare la capacità elettrica rimanente (RM) e la capacità di carica completa (FCC). Allo stesso tempo, per calcolare lo stato di carica è possibile utilizzare anche la capacità di carica rimanente (RM) e la capacità completamente carica (FCC), ovvero (SOC=RM/FCC). Inoltre, può anche stimare il tempo rimanente, come l'esaurimento dell'energia (TTE) e la ricarica dell'energia (TTF).

                    Figura 4. Formula di calcolo per la metrologia di Coulomb

Ci sono due fattori principali che causano la deviazione della precisione della metrologia di Coulomb. Il primo è l'accumulo di errori di offset nel rilevamento della corrente e nella misurazione dell'ADC. Sebbene l’errore di misurazione sia relativamente piccolo con la tecnologia attuale, senza un buon metodo per eliminarlo, questo errore aumenterà nel tempo. La figura seguente mostra che nelle applicazioni pratiche, se non vi è alcuna correzione nella durata del tempo, l'errore accumulato è illimitato.

              Figura 5. Errore accumulato del metodo di misurazione di Coulomb

Per eliminare errori cumulativi, sono tre i possibili punti temporali che possono essere utilizzati durante il normale funzionamento della batteria: Fine carica (EOC), Fine scarica (EOD) e Riposo (Relax). Quando la condizione di fine ricarica è soddisfatta, indica che la batteria è completamente carica e lo stato di carica (SOC) dovrebbe essere al 100%. La condizione di fine scarica indica che la batteria è completamente scarica e lo stato di carica (SOC) dovrebbe essere 0%; Può essere un valore di tensione assoluto o può variare con il carico. Quando raggiunge lo stato di riposo, la batteria non viene né caricata né scaricata e rimane in questo stato per un lungo periodo di tempo. Se l'utente desidera utilizzare lo stato di riposo della batteria per correggere l'errore del metodo coulometrico, in questo momento deve essere utilizzato un voltmetro a circuito aperto. La figura seguente mostra che l'errore dello stato di carica può essere corretto negli stati sopra indicati.

            Figura 6. Condizioni per eliminare gli errori accumulati nella metrologia coulombiana

Il secondo fattore principale che causa la deviazione della precisione della metrologia di Coulomb è l'errore FCC (Full Charge Capacità), che è la differenza tra la capacità progettata della batteria e la reale capacità di carica completa della batteria. La capacità completamente carica (FCC) è influenzata da fattori quali temperatura, invecchiamento e carico. Pertanto, i metodi di riapprendimento e compensazione per la capacità completamente carica sono cruciali per la metrologia Coulombiana. La figura seguente mostra il fenomeno tendenziale dell'errore dello stato di carica quando la capacità completamente carica è sovrastimata e sottostimata.

             Figura 7: Andamento dell'errore quando la capacità completamente carica viene sovrastimata e sottostimata

1.4 Contatore elettrico con algoritmo di tensione dinamica

L'algoritmo della tensione dinamica può calcolare lo stato di carica di una batteria al litio basandosi esclusivamente sulla tensione della batteria. Questo metodo stima l'incremento o il decremento dello stato di carica in base alla differenza tra la tensione della batteria e la tensione a circuito aperto della batteria. Le informazioni sulla tensione dinamica possono simulare efficacemente il comportamento delle batterie al litio e determinare lo stato di carica (SOC) (%), ma questo metodo non può stimare il valore della capacità della batteria (mAh).

Il suo metodo di calcolo si basa sulla differenza dinamica tra la tensione della batteria e la tensione a circuito aperto e stima lo stato di carica utilizzando algoritmi iterativi per calcolare ogni aumento o diminuzione dello stato di carica. Rispetto alla soluzione dei contatori elettrici con metodo Coulomb, i contatori elettrici con algoritmo di tensione dinamica non accumulano errori nel tempo e nella corrente. I misuratori Coulombiani spesso hanno una stima imprecisa dello stato di carica a causa di errori di rilevamento della corrente e dell'autoscarica della batteria. Anche se l'errore di rilevamento della corrente è molto piccolo, il contatore di Coulomb continuerà ad accumulare errori, che possono essere eliminati solo dopo una carica o una scarica completa.

L'algoritmo della tensione dinamica viene utilizzato per stimare lo stato di carica di una batteria basandosi esclusivamente sulle informazioni sulla tensione; Poiché la stima non si basa sulle informazioni attuali della batteria, non si accumulano errori. Per migliorare la precisione dello stato di carica, l'algoritmo della tensione dinamica deve utilizzare un dispositivo reale per regolare i parametri di un algoritmo ottimizzato in base alla curva di tensione effettiva della batteria in condizioni completamente carica e completamente scarica.

     Figura 8. Prestazioni dell'algoritmo di tensione dinamica per il contatore elettrico e ottimizzazione del guadagno

Di seguito sono riportate le prestazioni dell'algoritmo di tensione dinamica in diverse condizioni di velocità di scarica in termini di stato di carica. Come mostrato nella figura, la precisione dello stato di carica è buona. Indipendentemente dalle condizioni di scarica di C/2, C/4, C/7 e C/10, l'errore complessivo dello stato di carica di questo metodo è inferiore al 3%.

      Figura 9. Prestazioni dello stato di carica dell'algoritmo di tensione dinamica in diverse condizioni di velocità di scarica

La figura seguente mostra lo stato di carica della batteria in condizioni di carica e scarica brevi. L'errore dello stato di carica è ancora molto piccolo e l'errore massimo è solo del 3%.

       Figura 10. Andamento dello stato di carica dell'algoritmo della tensione dinamica in caso di carica breve e scarica breve delle batterie

Rispetto al metodo di misurazione di Coulomb, che solitamente determina uno stato di carica impreciso a causa di errori di rilevamento della corrente e di autoscarica della batteria, l'algoritmo di tensione dinamica non accumula errori nel tempo e nella corrente, il che rappresenta un grande vantaggio. A causa della mancanza di informazioni sulle correnti di carica/scarica, l'algoritmo della tensione dinamica ha una scarsa precisione a breve termine e tempi di risposta lenti. Inoltre, non è possibile stimare la capacità di ricarica completa. Tuttavia, si comporta bene in termini di precisione a lungo termine, poiché la tensione della batteria riflette direttamente il suo stato di carica.