Lityum pilin şarj durumunun (SOC) tahmini, özellikle pilin tamamen şarj olmadığı veya tamamen boşalmadığı uygulamalarda teknik olarak zordur.Bu tür uygulamalar hibrit elektrikli araçlardır (HEV'ler).Buradaki zorluk, lityum pillerin çok düz voltaj deşarj özelliklerinden kaynaklanmaktadır.Voltaj %70 SOC'den %20 SOC'ye neredeyse hiç değişmiyor.Aslında sıcaklık değişimlerinden kaynaklanan voltaj değişimi, deşarjdan kaynaklanan voltaj değişimine benzer, dolayısıyla SOC'nin voltajdan türetilmesi gerekiyorsa hücre sıcaklığının telafi edilmesi gerekir.
Diğer bir zorluk ise akü kapasitesinin en düşük kapasiteli hücrenin kapasitesine göre belirlenmesidir; dolayısıyla SOC, hücrenin terminal voltajına göre değil, en zayıf hücrenin terminal voltajına göre değerlendirilmelidir.Bütün bunlar kulağa biraz fazla zor geliyor.Öyleyse neden hücrenin içine akan toplam akım miktarını tutmuyoruz ve bunu dışarı akan akımla dengelemiyoruz?Bu, kulometrik sayma olarak bilinir ve yeterince basit gibi görünür, ancak bu yöntemle ilgili pek çok zorluk vardır.
Pillermükemmel piller değildir.İçine koyduğunuz şeyi asla geri vermezler.Şarj sırasında sıcaklığa, şarj oranına, şarj durumuna ve eskimeye bağlı olarak değişen bir kaçak akım vardır.
Pilin kapasitesi de deşarj hızına göre doğrusal olmayan bir şekilde değişir.Deşarj ne kadar hızlı olursa kapasite o kadar düşük olur.0,5C'lik bir deşarjdan 5C'lik bir deşarja kadar azalma %15'e kadar çıkabilir.
Piller, yüksek sıcaklıklarda önemli ölçüde daha yüksek bir kaçak akıma sahiptir.Pilin iç hücreleri dış hücrelerden daha sıcak çalışabilir, dolayısıyla pilden hücre sızıntısı eşit olmayacaktır.
Kapasite aynı zamanda sıcaklığın bir fonksiyonudur.Bazı lityum kimyasalları diğerlerinden daha fazla etkilenir.
Bu eşitsizliği telafi etmek için pil içerisinde hücre dengeleme kullanılır.Bu ek kaçak akım akünün dışında ölçülemez.
Pil kapasitesi, hücrenin ömrü boyunca ve zamanla sürekli olarak azalır.
Mevcut ölçümdeki herhangi bir küçük sapma entegre edilecek ve zamanla büyük bir sayıya dönüşerek SOC'nin doğruluğunu ciddi şekilde etkileyecektir.
Yukarıdakilerin tümü, düzenli kalibrasyon yapılmadığı sürece zamanla doğrulukta bir kaymaya neden olacaktır, ancak bu yalnızca pil neredeyse boşaldığında veya dolmaya yakın olduğunda mümkündür.HEV uygulamalarında pili yaklaşık %50 şarjda tutmak en iyisidir; dolayısıyla ölçüm doğruluğunu güvenilir bir şekilde düzeltmenin olası bir yolu, pili periyodik olarak tam olarak şarj etmektir.Tamamen elektrikli araçlar düzenli olarak tam veya neredeyse tamamen şarj edilir, bu nedenle kulometrik sayımlara dayalı ölçüm, özellikle diğer pil sorunları telafi edilirse çok doğru olabilir.
Kulometrik sayımda iyi doğruluğun anahtarı, geniş bir dinamik aralıkta iyi akım tespitidir.
Akımı ölçmenin geleneksel yöntemi bizim için şönttür, ancak daha yüksek (250A+) akımlar söz konusu olduğunda bu yöntemler geçerliliğini yitirir.Güç tüketimi nedeniyle şantın düşük dirençli olması gerekir.Düşük dirençli şöntler düşük (50mA) akımları ölçmek için uygun değildir.Bu hemen en önemli soruyu gündeme getiriyor: Ölçülecek minimum ve maksimum akımlar nelerdir?Buna dinamik aralık denir.
Akü kapasitesinin 100 Ahr olduğunu varsayarsak, kabul edilebilir entegrasyon hatasının kaba bir tahminidir.
4 Amp'lik bir hata, bir günde %100 hata üretecektir veya 0,4A'lik bir hata, bir günde %10 hata üretecektir.
4/7A hatası bir hafta içinde %100 hata üretir veya 60mA hatası bir hafta içinde %10 hata üretir.
4/28A hatası bir ayda %100 hata üretecektir veya 15mA hatası bir ayda %10 hata üretecektir; bu muhtemelen şarj veya neredeyse tamamen boşalma nedeniyle yeniden kalibrasyon yapılmadan beklenebilecek en iyi ölçümdür.
Şimdi akımı ölçen şanta bakalım.250A için 1m ohm'luk şant yüksek tarafta olacak ve 62,5W üretecektir.Ancak 15mA'de yalnızca 15 mikrovolt üretecek ve bu da arka plandaki gürültüde kaybolacaktır.Dinamik aralık 250A/15mA = 17.000:1'dir.14 bitlik bir A/D dönüştürücü, sinyali gürültüde, ofsette ve sapmada gerçekten "görebiliyorsa", o zaman 14 bitlik bir A/D dönüştürücü gerekir.Ofsetin önemli bir nedeni, termokupl tarafından üretilen voltaj ve toprak döngüsü ofsetidir.
Temel olarak bu dinamik aralıkta akımı ölçebilecek bir sensör yoktur.Çekiş ve şarj örneklerinden gelen yüksek akımları ölçmek için yüksek akım sensörlerine ihtiyaç duyulurken, örneğin aksesuarlardan ve herhangi bir sıfır akım durumundan gelen akımları ölçmek için düşük akım sensörlerine ihtiyaç vardır.Düşük akım sensörü yüksek akımı da "gördüğü" için doygunluk dışında bunlardan zarar görmez veya bozulmaz.Bu hemen şönt akımını hesaplar.
Bir çözüm
Çok uygun bir sensör ailesi açık çevrim Hall etkili akım sensörleridir.Bu cihazlar yüksek akımlardan zarar görmeyecek ve Raztec, tek bir iletken üzerinden miliamper aralığındaki akımları gerçekten ölçebilen bir sensör serisi geliştirdi.100mV/AT'lik bir transfer fonksiyonu pratiktir, dolayısıyla 15mA'lık bir akım kullanılabilir 1,5mV üretecektir.Mevcut en iyi çekirdek malzemesi kullanılarak tek miliamper aralığında çok düşük kalıcılık elde edilebilir.100mV/AT'de 25 Amperin üzerinde doygunluk meydana gelecektir.Daha düşük programlama kazancı elbette daha yüksek akımlara izin verir.
Yüksek akımlar, geleneksel yüksek akım sensörleri kullanılarak ölçülür.Bir sensörden diğerine geçiş basit bir mantık gerektirir.
Raztec'in yeni çekirdeksiz sensör serisi, yüksek akım sensörleri için mükemmel bir seçimdir.Bu cihazlar mükemmel doğrusallık, kararlılık ve sıfır histerezis sunar.Çok çeşitli mekanik konfigürasyonlara ve mevcut aralıklara kolayca uyarlanabilirler.Bu cihazlar, mükemmel performansa sahip yeni nesil manyetik alan sensörlerinin kullanılmasıyla pratik hale getirilmiştir.
Her iki sensör tipi de, gereken çok yüksek dinamik akım aralığıyla sinyal-gürültü oranlarının yönetilmesinde faydalı olmaya devam ediyor.
Ancak pilin kendisi doğru bir Coulomb sayacı olmadığı için aşırı doğruluk gereksiz olacaktır.Daha fazla tutarsızlığın mevcut olduğu piller için şarj ve deşarj arasında %5'lik bir hata tipiktir.Bunu akılda tutarak, temel pil modelini kullanan nispeten basit bir teknik kullanılabilir.Model, kapasiteye ve şarj/deşarj döngülerine göre değiştirilebilen yüksüz terminal voltajına karşı kapasiteyi, şarj voltajına karşı kapasiteyi, deşarj ve şarj dirençlerini içerebilir.Tükenme ve toparlanma voltajı zaman sabitlerini karşılamak için uygun ölçülen voltaj zaman sabitlerinin oluşturulması gerekir.
Kaliteli lityum pillerin önemli bir avantajı, yüksek deşarj hızlarında çok az kapasite kaybetmeleridir.Bu gerçek hesaplamaları basitleştirir.Ayrıca çok düşük bir kaçak akıma sahiptirler.Sistem sızıntısı daha yüksek olabilir.
Bu teknik, uygun parametreleri belirledikten sonra, Coulomb sayımına gerek kalmadan, gerçek kalan kapasitenin birkaç yüzde puanı dahilinde şarj durumu tahminine olanak sağlar.Pil bir Coulomb sayacına dönüşür.
Akım sensöründeki hata kaynakları
Yukarıda bahsedildiği gibi ofset hatası kulometrik sayım için kritik öneme sahiptir ve sıfır akım koşulları altında sensör ofsetini sıfıra kalibre etmek için SOC monitöründe hazırlık yapılmalıdır.Bu normalde yalnızca fabrika kurulumu sırasında mümkündür.Ancak sıfır akımı belirleyen ve dolayısıyla ofsetin otomatik olarak yeniden kalibre edilmesine izin veren sistemler mevcut olabilir.Bu, sürüklenmenin karşılanabileceği ideal bir durumdur.
Ne yazık ki tüm sensör teknolojileri termal sapma sapması üretir ve mevcut sensörler de istisna değildir.Artık bunun kritik bir nitelik olduğunu görebiliyoruz.Raztec'te kaliteli bileşenler ve dikkatli tasarım kullanarak, <0,25mA/K sapma aralığına sahip bir dizi termal olarak kararlı akım sensörü geliştirdik.20K'lık bir sıcaklık değişimi için bu, maksimum 5mA'lik bir hata üretebilir.
Manyetik devre içeren akım sensörlerindeki diğer bir yaygın hata kaynağı, kalıcı mıknatıslığın neden olduğu histerezis hatasıdır.Bu genellikle 400 mA'ya kadar çıkar ve bu da bu tür sensörleri pil izleme için uygunsuz hale getirir.Raztec en iyi manyetik malzemeyi seçerek bu kaliteyi 20mA'ya düşürmüş ve aslında zamanla bu hata da azalmıştır.Daha az hata gerekiyorsa, mıknatıslığın giderilmesi mümkündür, ancak önemli ölçüde karmaşıklık katar.
Daha küçük bir hata, transfer fonksiyonu kalibrasyonunun sıcaklıkla kaymasıdır, ancak kütle sensörleri için bu etki, hücre performansının sıcaklıkla kaymasından çok daha küçüktür.
SOC tahminine en iyi yaklaşım, kararlı yüksüz voltajlar, IXR tarafından telafi edilen hücre voltajları, kulometrik sayımlar ve parametrelerin sıcaklık telafisi gibi tekniklerin bir kombinasyonunun kullanılmasıdır.Örneğin, uzun vadeli entegrasyon hataları, yüksüz veya düşük yüklü akü voltajları için SOC'nin tahmin edilmesiyle göz ardı edilebilir.
Gönderim zamanı: Ağu-09-2022