Die Theorie des Ladens und Entladens von Lithium und das Design der Elektrizitätsberechnungsmethode(2)

Die Theorie des Ladens und Entladens von Lithium und das Design der Elektrizitätsberechnungsmethode

2. Einführung in das Batteriemessgerät

2.1 Funktionseinführung des Stromzählers

Das Batteriemanagement kann als Teil des Energiemanagements betrachtet werden.Im Batteriemanagement ist der Stromzähler für die Schätzung der Batteriekapazität verantwortlich.Seine Grundfunktion besteht darin, die Spannung, den Lade-/Entladestrom und die Batterietemperatur zu überwachen und den Ladezustand (SOC) und die volle Ladekapazität (FCC) der Batterie abzuschätzen.Es gibt zwei typische Methoden zur Schätzung des Ladezustands einer Batterie: die Leerlaufspannungsmethode (OCV) und die coulometrische Methode.Die andere Methode ist der von RICHTEK entwickelte dynamische Spannungsalgorithmus.

2.2 Leerlaufspannungsmethode

Es ist einfach, den Stromzähler mit der Leerlaufspannungsmethode zu realisieren, die durch Überprüfung des entsprechenden Ladezustands der Leerlaufspannung ermittelt werden kann.Als Leerlaufspannung wird die Batterieklemmenspannung angenommen, wenn die Batterie länger als 30 Minuten im Ruhezustand ist.

Die Batteriespannungskurve variiert je nach Belastung, Temperatur und Batteriealterung.Daher kann ein fest installiertes Leerlaufvoltmeter den Ladezustand nicht vollständig darstellen;Der Ladezustand kann nicht allein anhand der Tabelle abgeschätzt werden.Mit anderen Worten: Wenn der Ladezustand nur durch Nachschlagen in der Tabelle geschätzt wird, ist der Fehler groß.

Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustand (SOC) derselben Batteriespannung bei der Leerlaufspannungsmethode beim Laden und Entladen sehr unterschiedlich ist.

Abbildung 5. Batteriespannung unter Lade- und Entladebedingungen

Aus der folgenden Abbildung ist ersichtlich, dass der Ladezustand bei unterschiedlicher Belastung beim Entladen stark variiert.Grundsätzlich eignet sich die Leerlaufspannungsmethode also nur für Systeme, die eine geringe Genauigkeit des Ladezustands erfordern, wie beispielsweise Autos mit Blei-Säure-Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen.

Abbildung 6. Batteriespannung unter verschiedenen Belastungen während der Entladung

2.3 Coulometrische Methode

Das Funktionsprinzip der Coulometrie besteht darin, einen Erkennungswiderstand an den Lade-/Entladepfad der Batterie anzuschließen.Der ADC misst die Spannung am Erkennungswiderstand und wandelt sie in den aktuellen Wert der Batterie um, die geladen oder entladen wird.Der Echtzeitzähler (RTC) kann den aktuellen Wert mit der Zeit integrieren, um zu wissen, wie viele Coulomb fließen.

Abbildung 7. Grundlegende Arbeitsweise der Coulomb-Messmethode

Mit der coulometrischen Methode kann der Ladezustand während des Ladens oder Entladens in Echtzeit genau berechnet werden.Mit dem Ladungs-Coulomb-Zähler und dem Entladungs-Coulomb-Zähler können die elektrische Restkapazität (RM) und die volle Ladungskapazität (FCC) berechnet werden.Gleichzeitig können die verbleibende Ladekapazität (RM) und die volle Ladekapazität (FCC) auch zur Berechnung des Ladezustands (SOC=RM/FCC) herangezogen werden.Darüber hinaus kann es auch die verbleibende Zeit abschätzen, z. B. Power Exhaustion (TTE) und Power Fullness (TTF).

Abbildung 8. Berechnungsformel der Coulomb-Methode

Es gibt zwei Hauptfaktoren, die die Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messtechnik verursachen.Der erste ist die Anhäufung von Offsetfehlern bei der Stromerfassung und ADC-Messung.Obwohl der Messfehler bei der aktuellen Technologie relativ gering ist, wird der Fehler mit der Zeit zunehmen, wenn es keine gute Methode gibt, ihn zu beseitigen.Die folgende Abbildung zeigt, dass in der praktischen Anwendung der akkumulierte Fehler unbegrenzt ist, wenn keine Korrektur der Zeitdauer erfolgt.

Abbildung 9. Kumulativer Fehler der Coulomb-Methode

Um den akkumulierten Fehler zu beseitigen, gibt es im normalen Batteriebetrieb drei mögliche Zeitpunkte: Ende des Ladevorgangs (EOC), Ende der Entladung (EOD) und Ruhezustand (Relax).Der Akku ist vollständig geladen und der Ladezustand (SOC) sollte 100 % betragen, wenn der Ladeendzustand erreicht ist.Die Entladeendbedingung bedeutet, dass die Batterie vollständig entladen wurde und der Ladezustand (SOC) 0 % betragen sollte;Es kann ein absoluter Spannungswert sein oder sich mit der Last ändern.Beim Erreichen des Ruhezustandes wird der Akku weder geladen noch entladen und verbleibt für längere Zeit in diesem Zustand.Möchte der Anwender den Ruhezustand der Batterie nutzen, um den Fehler der coulometrischen Methode zu korrigieren, muss er zu diesem Zeitpunkt ein Leerlaufvoltmeter verwenden.Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustandsfehler unter den oben genannten Bedingungen korrigiert werden kann.

Abbildung 10. Bedingungen zur Eliminierung des kumulativen Fehlers der coulometrischen Methode

Der zweite Hauptfaktor, der die Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messmethode verursacht, ist der Fehler der vollen Ladekapazität (FCC), der die Differenz zwischen der Auslegungskapazität der Batterie und der tatsächlichen vollen Ladekapazität der Batterie darstellt.Die volle Ladekapazität (FCC) wird durch Temperatur, Alterung, Last und andere Faktoren beeinflusst.Daher ist die Neulern- und Kompensationsmethode der voll geladenen Kapazität für die coulometrische Methode sehr wichtig.Die folgende Abbildung zeigt den Trend des SOC-Fehlers, wenn die volle Ladekapazität über- und unterschätzt wird.

Abbildung 11. Fehlertrend, wenn die volle Ladekapazität über- und unterschätzt wird