Việc ước tính trạng thái sạc (SOC) của pin lithium rất khó về mặt kỹ thuật, đặc biệt là trong các ứng dụng mà pin chưa được sạc đầy hoặc xả hết. Những ứng dụng như vậy là xe điện hybrid (HEV). Thách thức bắt nguồn từ đặc tính phóng điện áp rất phẳng của pin lithium. Điện áp hầu như không thay đổi từ 70% SOC đến 20% SOC. Trên thực tế, sự biến đổi điện áp do thay đổi nhiệt độ cũng tương tự như sự biến đổi điện áp do phóng điện, vì vậy nếu SOC được lấy từ điện áp thì nhiệt độ tế bào phải được bù.
Một thách thức khác là dung lượng pin được xác định bởi dung lượng của ô có dung lượng thấp nhất, vì vậy SOC không nên đánh giá dựa trên điện áp đầu cuối của ô mà dựa trên điện áp đầu cuối của ô yếu nhất. Tất cả điều này nghe có vẻ hơi khó khăn. Vậy tại sao chúng ta không đơn giản giữ tổng dòng điện chạy vào tế bào và cân bằng nó với dòng điện đi ra? Điều này được gọi là phép đếm điện lượng và nghe có vẻ đơn giản, nhưng có rất nhiều khó khăn với phương pháp này.
Pinkhông phải là pin hoàn hảo. Họ không bao giờ trả lại những gì bạn đặt vào chúng. Có dòng điện rò rỉ trong quá trình sạc, dòng điện này thay đổi theo nhiệt độ, tốc độ sạc, trạng thái sạc và độ cũ.
Dung lượng của pin cũng thay đổi phi tuyến tính với tốc độ xả. Xả càng nhanh thì công suất càng thấp. Từ mức xả 0,5C đến mức xả 5C, mức giảm có thể lên tới 15%.
Pin có dòng rò cao hơn đáng kể ở nhiệt độ cao hơn. Các tế bào bên trong pin có thể nóng hơn các tế bào bên ngoài, do đó độ rò rỉ của tế bào qua pin sẽ không đồng đều.
Công suất cũng là một hàm của nhiệt độ. Một số hóa chất lithium bị ảnh hưởng nhiều hơn những hóa chất khác.
Để bù đắp cho sự bất bình đẳng này, việc cân bằng tế bào được sử dụng trong pin. Dòng điện rò rỉ bổ sung này không thể đo được bên ngoài pin.
Dung lượng pin giảm dần theo tuổi thọ của pin và theo thời gian.
Bất kỳ phần chênh lệch nhỏ nào trong phép đo hiện tại sẽ được tích hợp và theo thời gian có thể trở thành một con số lớn, ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của SOC.
Tất cả những điều trên sẽ dẫn đến độ chính xác bị thay đổi theo thời gian trừ khi tiến hành hiệu chuẩn thường xuyên, nhưng điều này chỉ có thể thực hiện được khi pin gần cạn hoặc gần đầy. Trong các ứng dụng HEV, tốt nhất là giữ pin ở mức sạc khoảng 50%, do đó, một cách khả thi để điều chỉnh độ chính xác đo sáng một cách đáng tin cậy là sạc đầy pin định kỳ. Xe điện thuần túy thường xuyên được sạc đầy hoặc gần đầy, do đó, việc đo sáng dựa trên số lượng điện lượng kế có thể rất chính xác, đặc biệt nếu các vấn đề khác về pin được bù đắp.
Chìa khóa để đạt được độ chính xác cao trong phép đếm điện lượng là khả năng phát hiện dòng điện tốt trên phạm vi động rộng.
Phương pháp đo dòng điện truyền thống đối với chúng ta là một shunt, nhưng các phương pháp này không còn phù hợp khi có dòng điện cao hơn (250A+). Do tiêu thụ điện năng nên shunt cần có điện trở thấp. Shunt điện trở thấp không thích hợp để đo dòng điện thấp (50mA). Điều này ngay lập tức đặt ra câu hỏi quan trọng nhất: dòng điện tối thiểu và tối đa cần đo là bao nhiêu? Đây được gọi là phạm vi năng động.
Giả sử dung lượng pin là 100Ahr, ước tính sơ bộ về lỗi tích hợp có thể chấp nhận được.
Lỗi 4 Amp sẽ gây ra 100% lỗi trong một ngày hoặc lỗi 0,4A sẽ tạo ra 10% lỗi trong một ngày.
Lỗi 4/7A sẽ gây ra 100% lỗi trong vòng một tuần hoặc lỗi 60mA sẽ tạo ra 10% lỗi trong vòng một tuần.
Lỗi 4/28A sẽ tạo ra lỗi 100% trong một tháng hoặc lỗi 15mA sẽ tạo ra lỗi 10% trong một tháng, đây có lẽ là phép đo tốt nhất có thể mong đợi mà không cần hiệu chỉnh lại do sạc hoặc gần xả hoàn toàn.
Bây giờ chúng ta hãy nhìn vào shunt đo dòng điện. Đối với 250A, shunt ohm 1m sẽ ở mức cao và tạo ra 62,5W. Tuy nhiên, ở 15mA, nó sẽ chỉ tạo ra 15 microvolt, sẽ bị mất trong tiếng ồn xung quanh. Dải động là 250A/15mA = 17.000:1. Nếu bộ chuyển đổi A/D 14 bit thực sự có thể "nhìn thấy" tín hiệu ở dạng nhiễu, bù và lệch thì cần phải có bộ chuyển đổi A/D 14 bit. Một nguyên nhân quan trọng của độ lệch là độ lệch điện áp và vòng nối đất do cặp nhiệt điện tạo ra.
Về cơ bản, không có cảm biến nào có thể đo dòng điện trong dải động này. Cần có cảm biến dòng điện cao để đo dòng điện cao hơn từ các ví dụ về lực kéo và sạc, trong khi cần có cảm biến dòng điện thấp để đo dòng điện, chẳng hạn như từ phụ kiện và bất kỳ trạng thái dòng điện nào bằng 0. Vì cảm biến dòng điện thấp cũng "nhìn thấy" dòng điện cao nên nó không thể bị hỏng hoặc hỏng bởi những thứ này, ngoại trừ độ bão hòa. Điều này ngay lập tức tính toán dòng điện shunt.
Một giải pháp
Một dòng cảm biến rất phù hợp là cảm biến dòng điện hiệu ứng Hall vòng hở. Các thiết bị này sẽ không bị hư hỏng do dòng điện cao và Raztec đã phát triển một loại cảm biến có thể thực sự đo dòng điện trong phạm vi milliamp thông qua một dây dẫn duy nhất. hàm truyền 100mV/AT là thực tế, do đó dòng điện 15mA sẽ tạo ra 1,5mV có thể sử dụng được. bằng cách sử dụng vật liệu lõi tốt nhất hiện có, cũng có thể đạt được lượng dư rất thấp trong phạm vi milliamp đơn. Ở 100mV/AT, độ bão hòa sẽ xảy ra trên 25 Amps. Tất nhiên, mức tăng lập trình thấp hơn cho phép dòng điện cao hơn.
Dòng điện cao được đo bằng cảm biến dòng điện cao thông thường. Việc chuyển đổi từ cảm biến này sang cảm biến khác đòi hỏi logic đơn giản.
Dòng cảm biến không lõi mới của Raztec là sự lựa chọn tuyệt vời cho cảm biến dòng điện cao. Những thiết bị này cung cấp độ tuyến tính, độ ổn định tuyệt vời và độ trễ bằng không. Chúng có thể dễ dàng thích ứng với nhiều cấu hình cơ học và phạm vi dòng điện. Những thiết bị này trở nên thiết thực bằng cách sử dụng thế hệ cảm biến từ trường mới với hiệu suất tuyệt vời.
Cả hai loại cảm biến vẫn có lợi cho việc quản lý tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu với dòng điện yêu cầu có dải động rất cao.
Tuy nhiên, độ chính xác cực cao sẽ là dư thừa vì bản thân pin không phải là bộ đếm Coulomb chính xác. Sai số 5% giữa sạc và xả là điển hình đối với pin có sự không nhất quán hơn nữa. Với suy nghĩ này, có thể sử dụng một kỹ thuật tương đối đơn giản sử dụng mẫu pin cơ bản. Mô hình này có thể bao gồm điện áp đầu cuối không tải so với công suất, điện áp sạc so với công suất, điện trở phóng điện và sạc có thể được sửa đổi theo công suất và chu kỳ sạc/xả. Hằng số thời gian điện áp đo phù hợp cần được thiết lập để phù hợp với hằng số thời gian điện áp suy giảm và phục hồi.
Một lợi thế đáng kể của pin lithium chất lượng tốt là chúng mất rất ít dung lượng ở tốc độ xả cao. Thực tế này đơn giản hóa việc tính toán. Chúng cũng có dòng rò rất thấp. Rò rỉ hệ thống có thể cao hơn.
Kỹ thuật này cho phép ước tính trạng thái điện tích trong phạm vi một vài điểm phần trăm của dung lượng thực tế còn lại sau khi thiết lập các thông số thích hợp mà không cần đếm Coulomb. Pin trở thành một máy đếm Coulomb.
Nguồn lỗi trong cảm biến hiện tại
Như đã đề cập ở trên, sai số bù rất quan trọng đối với phép đếm điện lượng và phải được cung cấp trong bộ giám sát SOC để hiệu chỉnh độ lệch cảm biến về 0 trong điều kiện dòng điện bằng 0. Điều này thường chỉ khả thi trong quá trình lắp đặt tại nhà máy. Tuy nhiên, có thể tồn tại các hệ thống xác định dòng điện bằng 0 và do đó cho phép tự động hiệu chỉnh lại phần bù. Đây là một tình huống lý tưởng vì sự trôi dạt có thể được điều chỉnh.
Thật không may, tất cả các công nghệ cảm biến đều tạo ra độ lệch nhiệt và cảm biến hiện tại cũng không ngoại lệ. Bây giờ chúng ta có thể thấy rằng đây là một phẩm chất quan trọng. Bằng cách sử dụng các thành phần chất lượng và thiết kế cẩn thận tại Raztec, chúng tôi đã phát triển một loạt cảm biến dòng điện ổn định nhiệt với phạm vi lệch <0,25mA/K. Đối với sự thay đổi nhiệt độ 20K, điều này có thể tạo ra sai số tối đa là 5mA.
Một nguồn lỗi phổ biến khác trong các cảm biến dòng điện có mạch từ là lỗi trễ do từ trường dư gây ra. Dòng điện này thường lên tới 400mA, khiến những cảm biến như vậy không phù hợp để theo dõi pin. Bằng cách lựa chọn vật liệu từ tính tốt nhất, Raztec đã giảm chất lượng này xuống còn 20mA và lỗi này thực tế đã giảm dần theo thời gian. Nếu cần ít lỗi hơn thì có thể khử từ nhưng sẽ phức tạp hơn đáng kể.
Một lỗi nhỏ hơn là độ lệch của hiệu chuẩn hàm truyền theo nhiệt độ, nhưng đối với cảm biến khối lượng, hiệu ứng này nhỏ hơn nhiều so với độ lệch của hiệu suất tế bào theo nhiệt độ.
Cách tiếp cận tốt nhất để ước tính SOC là sử dụng kết hợp các kỹ thuật như điện áp không tải ổn định, điện áp di động được bù bằng IXR, số lượng điện lượng và bù nhiệt độ của các tham số. Ví dụ: có thể bỏ qua các lỗi tích hợp dài hạn bằng cách ước tính SOC cho điện áp pin không tải hoặc tải thấp.
Thời gian đăng: 09/08/2022