تئوری شارژ و دشارژ لیتیوم و طراحی روش محاسبه برق (2)

تئوری شارژ و دشارژ لیتیوم و طراحی روش محاسبه برق

2. مقدمه ای بر باتری سنج

2.1 معرفی عملکرد کنتور برق

مدیریت باتری را می توان به عنوان بخشی از مدیریت انرژی در نظر گرفت.در مدیریت باتری، کنتور برق وظیفه تخمین ظرفیت باتری را بر عهده دارد.عملکرد اصلی آن نظارت بر ولتاژ، جریان شارژ/دشارژ و دمای باتری و تخمین وضعیت شارژ (SOC) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) باتری است.دو روش معمولی برای تخمین وضعیت شارژ باتری وجود دارد: روش ولتاژ مدار باز (OCV) و روش کولومتریک.روش دیگر الگوریتم ولتاژ دینامیکی است که توسط RICHTEK طراحی شده است.

2.2 روش ولتاژ مدار باز

با استفاده از روش ولتاژ مدار باز می توان به راحتی کنتور برق را فهمید که با بررسی وضعیت شارژ متناظر ولتاژ مدار باز می توان به دست آورد.زمانی که باتری بیش از 30 دقیقه در حال استراحت است، ولتاژ مدار باز ولتاژ پایانه باتری در نظر گرفته می شود.

منحنی ولتاژ باتری با بار، دما و پیری باتری متفاوت خواهد بود.بنابراین، یک ولت متر مدار باز ثابت نمی تواند وضعیت شارژ را به طور کامل نشان دهد.تنها با نگاه کردن به جدول نمی توان وضعیت هزینه را تخمین زد.به عبارت دیگر، اگر وضعیت شارژ تنها با نگاه کردن به جدول تخمین زده شود، خطا بزرگ خواهد بود.

شکل زیر نشان می دهد که وضعیت شارژ (SOC) ولتاژ باتری مشابه با روش ولتاژ مدار باز در هنگام شارژ و دشارژ بسیار متفاوت است.

شکل 5. ولتاژ باتری در شرایط شارژ و دشارژ

از شکل زیر می توان دریافت که وضعیت شارژ تحت بارهای مختلف در حین تخلیه بسیار متفاوت است.بنابراین اساساً روش ولتاژ مدار باز فقط برای سیستم‌هایی مناسب است که به دقت پایین وضعیت شارژ نیاز دارند، مانند خودروهایی که از باتری‌های سرب اسید یا منابع تغذیه بدون وقفه استفاده می‌کنند.

شکل 6. ولتاژ باتری تحت بارهای مختلف در هنگام تخلیه

2.3 روش کولومتریک

اصل کار کولومتری اتصال یک مقاومت تشخیص در مسیر شارژ/دشارژ باتری است.ADC ولتاژ مقاومت تشخیص را اندازه گیری می کند و آن را به مقدار فعلی باتری در حال شارژ یا دشارژ تبدیل می کند.شمارنده بلادرنگ (RTC) می تواند مقدار فعلی را با زمان ادغام کند تا بداند چند کولن جریان دارد.

شکل 7. حالت کار پایه روش اندازه گیری کولن

روش کولومتریک می تواند وضعیت لحظه ای شارژ را در هنگام شارژ یا دشارژ به طور دقیق محاسبه کند.با کولن شمارشگر شارژ و کولن شمارش تخلیه، می تواند ظرفیت الکتریکی باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) را محاسبه کند.در عین حال، ظرفیت شارژ باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) نیز می تواند برای محاسبه وضعیت شارژ (SOC=RM/FCC) استفاده شود.علاوه بر این، می‌تواند زمان باقی‌مانده مانند تخلیه انرژی (TTE) و کامل بودن توان (TTF) را نیز تخمین بزند.

شکل 8. فرمول محاسبه روش کولن

دو عامل اصلی وجود دارد که باعث انحراف دقت مترولوژی کولن می شود.اولین مورد تجمع خطای افست در سنجش جریان و اندازه گیری ADC است.اگرچه خطای اندازه گیری با فناوری فعلی نسبتاً کم است، اما اگر روش خوبی برای حذف آن وجود نداشته باشد، خطا با گذشت زمان افزایش می یابد.شکل زیر نشان می دهد که در کاربرد عملی، اگر اصلاحی در مدت زمان وجود نداشته باشد، خطای انباشته نامحدود است.

شکل 9. خطای تجمعی روش کولن

برای از بین بردن خطای انباشته شده، سه نقطه زمانی ممکن در عملکرد عادی باتری وجود دارد: پایان شارژ (EOC)، پایان تخلیه (EOD) و استراحت (Relax).باتری به طور کامل شارژ شده است و وضعیت شارژ (SOC) باید 100٪ زمانی که به شرایط پایان شارژ رسید.شرایط پایان تخلیه به این معنی است که باتری کاملاً دشارژ شده است و وضعیت شارژ (SOC) باید 0٪ باشد.این می تواند یک مقدار ولتاژ مطلق باشد یا با بار تغییر کند.با رسیدن به حالت استراحت باتری نه شارژ می شود و نه دشارژ می شود و مدت زیادی در این حالت باقی می ماند.اگر کاربر بخواهد از حالت استراحت باتری برای اصلاح خطای روش کولومتری استفاده کند، باید در این زمان از ولت متر مدار باز استفاده کند.شکل زیر نشان می دهد که خطای حالت شارژ در شرایط فوق قابل اصلاح است.

شکل 10. شرایط حذف خطای تجمعی روش کولومتری

دومین عامل اصلی که باعث انحراف دقت روش اندازه گیری کولن می شود، خطای ظرفیت شارژ کامل (FCC) است که تفاوت بین ظرفیت طراحی باتری و ظرفیت شارژ کامل واقعی باتری است.ظرفیت شارژ کامل (FCC) تحت تأثیر دما، پیری، بار و عوامل دیگر قرار خواهد گرفت.بنابراین، روش یادگیری مجدد و جبران ظرفیت شارژ کامل برای روش کولومتری بسیار مهم است.شکل زیر روند خطای SOC را در زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد تخمین زده شده و دست کم گرفته شده است نشان می دهد.

شکل 11. روند خطا زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد برآورد و دست کم گرفته شود