Litiumin varauksen ja purkauksen teoria ja sähkön laskentamenetelmän suunnittelu
2. Johdatus akkumittariin
2.1 Sähkömittarin toiminnan käyttöönotto
Akun hallintaa voidaan pitää osana virranhallintaa.Akunhallinnassa sähkömittari vastaa akun kapasiteetin arvioinnista.Sen perustoiminto on seurata 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 kulometrinen menetelmä.Toinen menetelmä on RICHTEKin suunnittelema dynaaminen jännitealgoritmi.
2.2 Avoimen piirin jännitemenetelmä
Sähkömittari on helppo toteuttaa avoimen piirin jännitemenetelmällä, joka saadaan tarkistamalla avoimen piirin jännitteen vastaava varaustila.Avoimen piirin jännitteen oletetaan olevan akun napajännite, kun akku on lepotilassa yli 30 minuuttia.
Akun jännitekäyrä vaihtelee kuormituksen, lämpötilan ja akun ikääntymisen mukaan.Siksi kiinteä avoimen piirin volttimittari ei voi täysin edustaa lataustilaa;Lataustilaa ei voi arvioida pelkällä taulukosta katsomalla.Toisin sanoen, jos varaustila arvioidaan vain etsimällä taulukkoa, virhe on suuri.
Alla olevasta kuvasta nähdään, että saman akun jännitteen lataustila (SOC) on hyvin erilainen avoimen piirin jännitemenetelmällä latauksen ja purkamisen aikana.
Kuva 5. Akun jännite lataus- ja purkuolosuhteissa
Alla olevasta kuvasta nähdään, että varaustila vaihtelee suuresti eri kuormituksissa purkauksen aikana.Pohjimmiltaan avoimen piirin jännitemenetelmä soveltuu siis vain järjestelmiin, jotka vaativat alhaista lataustilan tarkkuutta, kuten autoihin, joissa käytetään lyijyakkuja tai keskeytymättömiä virtalähteitä.
Kuva 6. Akun jännite eri kuormituksissa purkauksen aikana
2.3 Kulometrinen menetelmä
Kulometrian toimintaperiaate on kytkeä tunnistusvastus akun lataus-/purkausreitille.ADC mittaa tunnistusvastuksen jännitteen ja muuntaa sen ladattavan tai purettavan akun virta-arvoksi.Reaaliaikainen laskuri (RTC) voi integroida nykyisen arvon ajan kanssa tietääkseen, kuinka monta coulombia virtaa.
Kuva 7. Kulonimittausmenetelmän perustoimintatapa
Kulometrinen menetelmä voi laskea tarkasti reaaliaikaisen lataustilan latauksen tai purkauksen aikana.Latauscoulomb-laskurilla ja purkukuulilaskurilla se voi laskea jäännössähkökapasiteetin (RM) ja täyden latauskapasiteetin (FCC).Samalla jäljellä olevaa latauskapasiteettia (RM) ja täyttä latauskapasiteettia (FCC) voidaan käyttää myös lataustilan laskemiseen (SOC=RM/FCC).Lisäksi se voi myös arvioida jäljellä olevan ajan, kuten tehon loppumisen (TTE) ja tehon täyteen (TTF).
Kuva 8. Coulomb-menetelmän laskentakaava
On olemassa kaksi päätekijää, jotka aiheuttavat kulonin metrologian tarkkuuspoikkeaman.Ensimmäinen on offset-virheen kertyminen virrantunnistuksessa ja ADC-mittauksessa.Vaikka mittausvirhe on nykytekniikalla suhteellisen pieni, virhe kasvaa ajan myötä, jos sen poistamiseksi ei ole hyvää tapaa.Alla olevasta kuvasta käy ilmi, että käytännön sovelluksessa, jos ajan kestoon ei tehdä korjausta, kertyvä virhe on rajaton.
Kuva 9. Coulomb-menetelmän kumulatiivinen virhe
Kertyneen virheen eliminoimiseksi normaalissa akun käytössä on kolme mahdollista aikapistettä: latauksen loppu (EOC), purkautumisen loppu (EOD) ja lepo (Relax).Akku on ladattu täyteen ja lataustilan (SOC) tulee olla 100 %, kun lataus loppuu.Purkautumistila tarkoittaa, että akku on täysin tyhjä ja lataustilan (SOC) tulee olla 0 %;Se voi olla absoluuttinen jännitearvo tai muuttua kuorman mukana.Lepotilaan päästyään akku ei lataudu eikä purkaudu, ja se pysyy tässä tilassa pitkään.Jos käyttäjä haluaa käyttää akun lepotilaa kulometrisen menetelmän virheen korjaamiseen, on hänen käytettävä tässä vaiheessa avoimen piirin volttimittaria.Alla olevasta kuvasta näkyy, että lataustilavirhe yllä mainituissa olosuhteissa voidaan korjata.
Kuva 10. Kulonometrisen menetelmän kumulatiivisen virheen eliminointiehdot
Toinen päätekijä, joka aiheuttaa kulonimittausmenetelmän tarkkuuspoikkeaman, on täyden latauskapasiteetin (FCC) virhe, joka on akun suunnittelukapasiteetin ja akun todellisen täyden latauskapasiteetin välinen ero.Täyteen latauskapasiteettiin (FCC) vaikuttavat lämpötila, ikääntyminen, kuormitus ja muut tekijät.Siksi täysin ladatun kapasiteetin uudelleenoppiminen ja kompensointimenetelmä on erittäin tärkeä kulometriselle menetelmälle.Alla oleva kuva näyttää SOC-virheen trendin, kun täysi latauskapasiteetti on yli- ja aliarvioitu.
Kuva 11. Virhetrendi, kun täysi latauskapasiteetti on yli- ja aliarvioitu
Postitusaika: 15.2.2023