1. Уводзіны ў літый-іённы акумулятар

1.1 Стан зарадкі (SOC)

Стан зарада можна вызначыць як стан даступнай электрычнай энергіі ў батарэі, звычайна выражаецца ў працэнтах. Паколькі даступная электрычная энергія вар’іруецца ў залежнасці ад току зарада і разраду, тэмпературы і з’яў старэння, вызначэнне стану зарада таксама дзеліцца на два тыпу: Абсалютны стан зараду (ASOC) і Адносны стан зараду (адносны стан ASOC) Зарадны стан; РПЦ). Звычайна дыяпазон адноснага стану зарада складае 0% -100%, у той час як батарэя складае 100% пры поўнай зарадцы і 0% пры поўнай разрадцы. Абсалютны стан зараду – гэта эталоннае значэнне, разлічанае ў адпаведнасці з распрацаваным значэннем фіксаванай ёмістасці пры вытворчасці акумулятара. Абсалютны стан зарада новага цалкам зараджанага акумулятара складае 100%; і нават калі стары акумулятар цалкам зараджаны, ён не можа дасягнуць 100% пры розных умовах зарадкі і разрадкі.

На малюнку ніжэй паказана ўзаемасувязь паміж напругай і ёмістасцю батарэі пры розных хуткасцях разраду. Чым вышэй хуткасць разраду, тым меншая ёмістасць акумулятара. Пры нізкай тэмпературы ёмістасць акумулятара таксама памяншаецца.

Малюнак 1.

Сувязь паміж напругай і магутнасцю пры розных хуткасцях разраду і тэмпературах

1.2 Максімальнае напружанне зарадкі

Максімальнае напружанне зарадкі звязана з хімічным складам і характарыстыкамі акумулятара. Напружанне зарадкі літыевай батарэі звычайна складае 4.2 У і 4.35 У, а значэнне напружання будзе розным, калі матэрыялы катода і анода адрозніваюцца.

1.3 Поўная зарадка

Калі розніца паміж напругай батарэі і самай высокай напругай зарадкі менш за 100 мВ, а ток зарадкі падае да C/10, акумулятар можна лічыць цалкам зараджаным. Характарыстыкі батарэі розныя, і ўмовы поўнай зарадкі таксама розныя.

На малюнку ніжэй паказаная характэрная крывая зарадкі літыевага акумулятара. Калі напружанне акумулятара роўна найвышэйшаму напрузе зарадкі, а ток зарадкі падае да C/10, акумулятар лічыцца цалкам зараджаным.

Малюнак 2. Характэрная крывая зарадкі літыевай батарэі

1.4 Міні разраднае напружанне

Мінімальнае напружанне разраду можа быць вызначана напружаннем разраду, якое звычайна з’яўляецца напругай, калі стан зарада складае 0%. Гэта значэнне напружання не з’яўляецца фіксаваным значэннем, але змяняецца ў залежнасці ад нагрузкі, тэмпературы, ступені старэння або іншых фактараў.

1.5 Поўны разрад

Калі напружанне акумулятара менш або роўна мінімальнаму напрузе разраду, гэта можна назваць поўным разрадам.

1.6 Хуткасць зарадкі і разраду (C-Rate)

Хуткасць зарада-разраду – гэта выраз току зарада-разраду адносна ёмістасці акумулятара. Напрыклад, калі 1С выкарыстоўваецца для разрадкі на працягу адной гадзіны, у ідэале акумулятар будзе цалкам разраджаны. Розная хуткасць зарада і разраду прывядзе да рознай карыснай магутнасці. Як правіла, чым больш хуткасць зарада-разраду, тым менш даступная магутнасць.

1.7 Жыццё цыклу

Колькасць цыклаў – гэта колькасць поўных зарадак і разрадак батарэі, якое можна ацаніць па фактычнай разраднай і праектнай ёмістасці. Кожны раз, калі назапашаная магутнасць разраду роўная праектнай магутнасці, колькасць цыклаў роўна адзін раз. Звычайна пасля 500 цыклаў зарадкі-разрадкі ёмістасць цалкам зараджанага акумулятара зніжаецца на 10% ~ 20%.

Малюнак 3. Узаемасувязь паміж колькасцю цыклаў і ёмістасцю батарэі

1.8 Самаразрад

Самаразрад усіх акумулятараў павялічваецца пры павышэнні тэмпературы. Самаразрад – гэта ў асноўным не вытворчы дэфект, а характарыстыкі самой батарэі. Аднак няправільнае абыходжанне ў працэсе вытворчасці таксама можа выклікаць павелічэнне самаразраду. Як правіла, хуткасць самаразраду падвойваецца на кожныя 10°C павышэння тэмпературы батарэі. Штомесячны самаразрад літый-іённых акумулятараў складае каля 1~2%, у той час як штомесячны самаразрад розных акумулятараў на аснове нікелю складае 10-15%.

Малюнак 4. Прадукцыйнасць хуткасці самаразраду літыевых батарэй пры розных тэмпературах

2. Уводзіны ў датчык паліва батарэі

2.1 Уводзіны ў функцыю датчыка паліва

Кіраванне батарэяй можна разглядаць як частку кіравання харчаваннем. У кіраванні батарэяй датчык паліва адказвае за ацэнку ёмістасці батарэі. Яго асноўная функцыя – кантраляваць напружанне, ток зарадкі/разрадкі і тэмпературу акумулятара, а таксама ацэньваць стан зарада батарэі (SOC) і поўную ёмістасць батарэі (FCC). Існуюць два тыповых метаду ацэнкі стану зарада батарэі: метад напружання ў разомкнутым ланцугу (OCV) і кулонометрический метад. Іншы метад – гэта алгарытм дынамічнага напружання, распрацаваны RICHTEK.

2.2 Метад напружання размыкання ланцуга

Лічыльнік электраэнергіі з выкарыстаннем метаду напружання размыкання прасцей рэалізаваць, і яго можна атрымаць, пашукаўшы табліцу, якая адпавядае стану зарадкі напружання размыкання ланцуга. Гіпатэтычным умовай напружання размыкання ланцуга з’яўляецца напружанне на клемах акумулятара, калі батарэя адпачывае каля 30 хвілін.

Пры рознай нагрузцы, тэмпературы і старэння батарэі крывая напружання акумулятара будзе адрознівацца. Такім чынам, фіксаваны вальтметр размыкання не можа ў поўнай меры ўявіць стан зарада; стан зарадкі нельга ацаніць толькі па табліцы. Іншымі словамі, калі стан зарада ацэньваецца толькі па табліцы, памылка будзе вельмі вялікай.

Наступны малюнак паказвае, што аднолькавае напружанне батарэі знаходзіцца пад зарадкай і разрадкай, а стан зарада, знойдзенае метадам напружання размыкання ланцуга, моцна адрозніваецца.

Малюнак 5. Напружанне акумулятара пры зарадцы і разрадцы

На малюнку ніжэй паказана, што стан зарада моцна змяняецца пры розных нагрузках падчас разраду. Такім чынам, у прынцыпе, метад напружання адкрытай ланцуга падыходзіць толькі для сістэм з нізкімі патрабаваннямі да дакладнасці стану зарада, такіх як выкарыстанне свінцова-кіслотных акумулятараў або крыніц бесперабойнага харчавання ў аўтамабілях.

Малюнак 6. Напружанне акумулятара пры розных нагрузках падчас разраду

2.3 Кулонаўскі метад вымярэння

Прынцып дзеяння кулонаўскага метаду вымярэння заключаецца ў падключэнні рэзістара выяўлення на шляху зарадкі/разрадкі акумулятара. АЦП вымярае напружанне на рэзістары выяўлення і пераўтворыць яго ў бягучае значэнне акумулятара, які зараджаецца або разраджаецца. Лічыльнік рэальнага часу (RTC) забяспечвае інтэграцыю бягучага значэння з часам, каб ведаць, колькі кулонаў працякае.

Малюнак 7. Асноўны метад працы метаду кулонаўскага вымярэння

Кулонаўскі метад вымярэння дазваляе дакладна разлічыць стан зарада ў рэжыме рэальнага часу падчас зарадкі або разрадкі. З дапамогай лічыльніка кулона зарада і лічыльніка кулона разраду ён можа вылічыць астатнюю ёмістасць (RM) і поўную ёмістасць зарада (FCC). У той жа час, астатняя ёмістасць (RM) і поўная ёмістасць зарада (FCC) таксама могуць быць выкарыстаны для разліку стану зарада, гэта значыць (SOC = RM / FCC). Акрамя таго, ён таксама можа ацэньваць час, які застаўся, напрыклад, вычарпаная магутнасць (TTE) і поўная магутнасць (TTF).

Малюнак 8. Формула разліку кулонаўскага метаду вымярэння

Ёсць два асноўных фактару, якія выклікаюць адхіленні ў дакладнасці кулонаўскага метаду вымярэнняў. Першы – гэта назапашванне памылак зруху пры зандзіраванні току і вымярэнні АЦП. Нягледзячы на ​​тое, што хібнасць вымярэння з сучаснай тэхналогіяй па-ранейшаму невялікая, калі няма добрага спосабу яе ліквідацыі, хібнасць будзе павялічвацца з часам. На малюнку ніжэй паказана, што ў практычных ужываннях, калі няма карэкцыі ў працягласці часу, назапашаная памылка неабмежаваная.

Малюнак 9. Сукупная памылка кулонаўскага метаду вымярэння

Каб ліквідаваць назапашаную памылку, пры нармальнай працы батарэі можна выкарыстоўваць тры моманты часу: канец зарадкі (EOC), канец разраду (EOD) і адпачынак (Relax). Калі стан канца зарадкі дасягнуты, гэта азначае, што акумулятар цалкам зараджаны і стан зарадкі (SOC) павінен быць 100%. Умова канца разраду азначае, што акумулятар быў цалкам разраджаны, а стан зарада (SOC) павінен быць 0%; гэта можа быць абсалютнае значэнне напружання або змяняцца ў залежнасці ад нагрузкі. Калі ён дасягае стану спакою, батарэя не зараджаецца і не разраджаецца, і яна застаецца ў гэтым стане на працягу доўгага часу. Калі карыстальнік хоча выкарыстаць стан спакою батарэі для выпраўлення хібнасці кулоновавага метаду вымярэння, у гэты час неабходна выкарыстоўваць вальтметр разомкнутай ланцуга. На малюнку ніжэй паказана, што памылка стану зарадкі можа быць выпраўлена ў вышэйзгаданым стане.

Малюнак 10. Умовы ліквідацыі кумулятыўнай хібнасці кулонаўскага метаду вымярэння

Другім сур’ёзным фактарам, які выклікае адхіленне дакладнасці кулоновавага метаду вымярэння, з’яўляецца памылка поўнай зараднай ёмістасці (FCC), якая з’яўляецца розніцай паміж значэннем праектнай ёмістасці батарэі і сапраўднай поўнай ёмістасцю зарадкі акумулятара. На поўную ёмістасць зарадкі (FCC) будуць уплываць тэмпература, старэнне, нагрузка і іншыя фактары. Такім чынам, метад паўторнага навучання і кампенсацыі поўнай зараднай ёмістасці вельмі важны для кулонаўскага метаду вымярэння. Наступны малюнак паказвае тэндэнцыю з’явы памылкі стану зарадкі, калі поўная ёмістасць зарадкі завышаная і заніжаная.

Малюнак 11. Тэндэнцыя памылкі, калі поўная ёмістасць зарадкі завышаная і заніжаная

2.4 Алгарытм дынамічнага напружання датчык паліва

Алгарытм дынамічнага напружання датчык паліва можа разлічыць стан зарада літыевай батарэі толькі на аснове напружання батарэі. Гэты метад заключаецца ў ацэнцы павелічэння або памяншэння стану зарада на аснове розніцы паміж напругай батарэі і напругай размыкання батарэі. Інфармацыя аб дынамічным напрузе можа эфектыўна мадэляваць паводзіны літыевай батарэі для вызначэння стану зарада SOC (%), але гэты метад не можа ацаніць значэнне ёмістасці батарэі (мАг).

Яго метад разліку заснаваны на дынамічнай розніцы паміж напругай батарэі і напругай размыкання ланцуга з дапамогай ітэрацыйнага алгарытму для разліку кожнага павелічэння або памяншэння стану зарада для ацэнкі стану зарада. У параўнанні з рашэннем кулонаўскіх датчыкаў паліва, алгарытм дынамічнага напружання паліўных датчыкаў не будзе назапашваць памылак з цягам часу і току. Кулонаўскія датчыкі паліва звычайна выклікаюць недакладную ацэнку стану зарада з-за памылак зандзіравання току і самаразраду батарэі. Нават калі памылка зандзіравання току вельмі малая, кулоновскі лічыльнік будзе працягваць назапашваць памылку, і назапашаную памылку можна ліквідаваць толькі тады, калі ён цалкам зараджаны або цалкам разраджаны.

Алгарытм дынамічнага напружання датчык паліва ацэньвае стан зарада акумулятара толькі па інфармацыі аб напрузе; таму што ён не ацэньваецца па бягучай інфармацыі аб акумулятары, ён не назапашвае памылак. Для таго, каб павысіць дакладнасць стану зарадкі, алгарытм дынамічнага напружання павінен выкарыстоўваць сапраўдную прыладу і наладзіць параметры аптымізаванага алгарытму ў адпаведнасці з фактычнай крывой напружання акумулятара, калі ён цалкам зараджаны і цалкам разраджаны.

Малюнак 12. Прадукцыйнасць алгарытму дынамічнага напружання датчык паліва і аптымізацыя ўзмацнення

Ніжэй прыведзена праца алгарытму дынамічнага напружання пры розных умовах хуткасці разраду. На малюнку відаць, што яго стан зарада мае добрую дакладнасць. Незалежна ад умоў разраду C/2, C/4, C/7 і C/10, агульная хібнасць стану зарада гэтага метаду складае менш за 3%.

Малюнак 13. Прадукцыйнасць стану зарадкі алгарытму дынамічнага напружання пры розных умовах хуткасці разраду

На малюнку ніжэй паказаны паказчыкі стану зарадкі, калі батарэя зараджана і каротка разраджана. Памылка стану зарада ўсё яшчэ вельмі малая, а максімальная памылка складае ўсяго 3%.

Малюнак 14. Прадукцыйнасць стану зарадкі алгарытму дынамічнага напружання пры кароткай зарадцы і кароткачасовай разрадцы батарэі

У параўнанні з сітуацыяй, калі кулонаўскі датчык паліва звычайна выклікае недакладны стан зарадкі з-за памылак зандзіравання току і самаразраду батарэі, алгарытм дынамічнага напружання не назапашвае памылак з часам і токам, што з’яўляецца вялікай перавагай. Паколькі інфармацыі аб току зарада/разраду няма, алгарытм дынамічнага напружання мае нізкую кароткатэрміновую дакладнасць і павольны час рэагавання. Акрамя таго, ён не можа ацаніць поўную ёмістасць зарадкі. Тым не менш, ён добра працуе з пункту гледжання доўгатэрміновай дакладнасці, таму што напружанне батарэі ў канчатковым выніку будзе непасрэдна адлюстроўваць яе стан зарада.