يعد تقدير حالة الشحن (SOC) لبطارية الليثيوم أمرًا صعبًا من الناحية الفنية، خاصة في التطبيقات التي لا تكون فيها البطارية مشحونة بالكامل أو فارغة بالكامل.مثل هذه التطبيقات هي السيارات الكهربائية الهجينة (HEVs).وينبع التحدي من خصائص تفريغ الجهد المسطح للغاية لبطاريات الليثيوم.بالكاد يتغير الجهد من 70% SOC إلى 20% SOC.في الواقع، فإن تغير الجهد الناتج عن التغيرات في درجات الحرارة يشبه تغير الجهد الناتج عن التفريغ، لذلك إذا كان من المقرر اشتقاق SOC من الجهد، فيجب تعويض درجة حرارة الخلية.
التحدي الآخر هو أن سعة البطارية يتم تحديدها من خلال سعة الخلية الأقل سعة، لذلك لا ينبغي الحكم على SOC بناءً على الجهد الطرفي للخلية، ولكن على الجهد الطرفي للخلية الأضعف.كل هذا يبدو صعبا بعض الشيء.فلماذا لا نحتفظ ببساطة بالكمية الإجمالية للتيار المتدفق إلى الخلية ونوازنه مع التيار المتدفق للخارج؟يُعرف هذا بالعد الكولومتري ويبدو بسيطًا بما فيه الكفاية، ولكن هناك العديد من الصعوبات في هذه الطريقة.
البطارياتليست بطاريات مثالية.إنهم لا يعيدون أبدًا ما وضعته فيهم.يوجد تيار تسرب أثناء الشحن، والذي يختلف باختلاف درجة الحرارة ومعدل الشحن وحالة الشحن والعمر.
تختلف سعة البطارية أيضًا بشكل غير خطي مع معدل التفريغ.كلما كان التفريغ أسرع، انخفضت السعة.من تفريغ 0.5C إلى تفريغ 5C، يمكن أن يصل التخفيض إلى 15%.
تتمتع البطاريات بتيار تسرب أعلى بكثير عند درجات الحرارة المرتفعة.قد تكون الخلايا الداخلية في البطارية أكثر سخونة من الخلايا الخارجية، وبالتالي فإن تسرب الخلايا عبر البطارية سيكون غير متساوٍ.
القدرة هي أيضا وظيفة لدرجة الحرارة.تتأثر بعض المواد الكيميائية الليثيوم أكثر من غيرها.
للتعويض عن هذا التفاوت، يتم استخدام موازنة الخلايا داخل البطارية.لا يمكن قياس تيار التسرب الإضافي هذا خارج البطارية.
تتناقص سعة البطارية بشكل مطرد على مدار عمر الخلية ومع مرور الوقت.
سيتم دمج أي إزاحة صغيرة في القياس الحالي وقد تصبح مع مرور الوقت رقمًا كبيرًا، مما يؤثر بشكل خطير على دقة SOC.
سيؤدي كل ما سبق إلى حدوث انحراف في الدقة بمرور الوقت ما لم يتم إجراء معايرة منتظمة، ولكن هذا ممكن فقط عندما تكون البطارية فارغة تقريبًا أو ممتلئة تقريبًا.في تطبيقات الطاقة الكهربائية الهجينة (HEV)، من الأفضل الحفاظ على شحن البطارية بنسبة 50% تقريبًا، لذا فإن إحدى الطرق الممكنة لتصحيح دقة القياس بشكل موثوق هي شحن البطارية بالكامل بشكل دوري.يتم شحن السيارات الكهربائية النقية بشكل منتظم إلى كامل أو شبه كامل، لذا فإن القياس بناءً على أعداد قياس الكولوم يمكن أن يكون دقيقًا للغاية، خاصة إذا تم تعويض مشاكل البطارية الأخرى.
إن مفتاح الدقة الجيدة في العد الكولومتري هو الكشف الجيد عن التيار عبر نطاق ديناميكي واسع.
الطريقة التقليدية لقياس التيار بالنسبة لنا هي تحويلة، ولكن هذه الطرق تسقط عندما يتعلق الأمر بتيارات أعلى (250A+).بسبب استهلاك الطاقة، يجب أن تكون التحويلة ذات مقاومة منخفضة.إن التحويلات ذات المقاومة المنخفضة ليست مناسبة لقياس التيارات المنخفضة (50 مللي أمبير).وهذا يثير على الفور السؤال الأكثر أهمية: ما هو الحد الأدنى والحد الأقصى للتيارات التي يجب قياسها؟وهذا ما يسمى النطاق الديناميكي.
بافتراض أن سعة البطارية تبلغ 100 أمبير في الساعة، فهذا تقدير تقريبي لخطأ التكامل المقبول.
خطأ 4 أمبير سوف ينتج 100% من الأخطاء في يوم واحد أو خطأ 0.4 أمبير سوف ينتج 10% من الأخطاء في يوم واحد.
خطأ 4/7A سوف ينتج 100% من الأخطاء خلال أسبوع أو خطأ 60 مللي أمبير سوف ينتج 10% من الأخطاء خلال أسبوع.
سيؤدي الخطأ 4/28A إلى خطأ بنسبة 100% في شهر واحد أو خطأ 15 مللي أمبير سيؤدي إلى خطأ بنسبة 10% في شهر واحد، وهو على الأرجح أفضل قياس يمكن توقعه دون إعادة المعايرة بسبب الشحن أو قرب التفريغ الكامل.
الآن دعونا نلقي نظرة على التحويلة التي تقيس التيار.بالنسبة لـ 250 أمبير، ستكون هناك تحويلة 1 متر أوم على الجانب العلوي وتنتج 62.5 واط.ومع ذلك، عند 15 مللي أمبير، سوف ينتج فقط 15 ميكروفولت، والتي سيتم فقدها في ضجيج الخلفية.النطاق الديناميكي هو 250A/15mA = 17,000:1.إذا كان محول A/D 14 بت يمكنه حقًا "رؤية" الإشارة في الضوضاء والإزاحة والانجراف، فيجب استخدام محول A/D 14 بت.أحد الأسباب المهمة للإزاحة هو إزاحة الجهد والحلقة الأرضية الناتجة عن المزدوجة الحرارية.
في الأساس، لا يوجد مستشعر يمكنه قياس التيار في هذا النطاق الديناميكي.هناك حاجة إلى أجهزة استشعار ذات تيار عالٍ لقياس التيارات الأعلى من أمثلة الجر والشحن، بينما هناك حاجة إلى أجهزة استشعار ذات تيار منخفض لقياس التيارات، على سبيل المثال، من الملحقات وأي حالة تيار صفرية.نظرًا لأن مستشعر التيار المنخفض "يرى" أيضًا التيار العالي، فلا يمكن أن يتلف أو يفسد بسبب هذه الأشياء، باستثناء التشبع.هذا يحسب على الفور التحويلة الحالية.
حل
عائلة مناسبة جدًا من أجهزة الاستشعار هي أجهزة استشعار تيار تأثير هول ذات الحلقة المفتوحة.لن تتضرر هذه الأجهزة بسبب التيارات العالية، وقد طورت شركة Raztec نطاق مستشعر يمكنه بالفعل قياس التيارات في نطاق المللي أمبير من خلال موصل واحد.تعتبر وظيفة النقل 100 مللي فولت/AT عملية، لذا فإن تيار 15 مللي أمبير سينتج 1.5 مللي فولت قابل للاستخدام.ومن خلال استخدام أفضل المواد الأساسية المتاحة، يمكن أيضًا تحقيق بقاء منخفض جدًا في نطاق المللي أمبير الواحد.عند 100 مللي فولت/AT، سيحدث التشبع فوق 25 أمبير.إن مكاسب البرمجة المنخفضة بالطبع تسمح بتيارات أعلى.
يتم قياس التيارات العالية باستخدام أجهزة الاستشعار التقليدية ذات التيار العالي.يتطلب التبديل من مستشعر إلى آخر منطقًا بسيطًا.
تعد مجموعة Raztec الجديدة من أجهزة الاستشعار عديمة النواة خيارًا ممتازًا لأجهزة الاستشعار ذات التيار العالي.توفر هذه الأجهزة خطية واستقرارًا ممتازًا وصفر تباطؤ.إنها قابلة للتكيف بسهولة مع مجموعة واسعة من التكوينات الميكانيكية والنطاقات الحالية.أصبحت هذه الأجهزة عملية من خلال استخدام جيل جديد من أجهزة استشعار المجال المغناطيسي ذات الأداء الممتاز.
يظل كلا النوعين من أجهزة الاستشعار مفيدًا لإدارة نسب الإشارة إلى الضوضاء مع النطاق الديناميكي العالي جدًا للتيارات المطلوبة.
ومع ذلك، فإن الدقة القصوى ستكون زائدة عن الحاجة لأن البطارية نفسها ليست عدادًا دقيقًا للكولوم.يعد الخطأ بنسبة 5% بين الشحن والتفريغ أمرًا نموذجيًا بالنسبة للبطاريات التي يوجد بها مزيد من التناقضات.ومع أخذ ذلك في الاعتبار، يمكن استخدام تقنية بسيطة نسبيًا باستخدام طراز البطارية الأساسي.يمكن أن يتضمن النموذج الجهد الطرفي بدون تحميل مقابل السعة، وجهد الشحن مقابل السعة، ومقاومات التفريغ والشحن التي يمكن تعديلها باستخدام السعة ودورات الشحن/التفريغ.يجب إنشاء ثوابت زمنية مناسبة للجهد المقاس لاستيعاب ثوابت زمن الجهد المستنزف والاسترداد.
من المزايا المهمة لبطاريات الليثيوم عالية الجودة أنها تفقد سعة قليلة جدًا بمعدلات تفريغ عالية.هذه الحقيقة تبسط الحسابات.لديهم أيضًا تيار تسرب منخفض جدًا.قد يكون تسرب النظام أعلى.
تتيح هذه التقنية تقدير حالة الشحن ضمن بضع نقاط مئوية من السعة الفعلية المتبقية بعد تحديد المعلمات المناسبة، دون الحاجة إلى حساب الكولوم.تصبح البطارية عداد كولوم.
مصادر الخطأ داخل المستشعر الحالي
كما هو مذكور أعلاه، يعد خطأ الإزاحة أمرًا بالغ الأهمية بالنسبة لعدد الكولومتري ويجب توفيره داخل شاشة SOC لمعايرة إزاحة المستشعر إلى الصفر في ظل الظروف الحالية الصفرية.عادةً ما يكون هذا ممكنًا فقط أثناء التثبيت في المصنع.ومع ذلك، قد توجد أنظمة تحدد التيار صفر، وبالتالي تسمح بإعادة المعايرة التلقائية للإزاحة.هذا هو الوضع المثالي حيث يمكن استيعاب الانجراف.
ولسوء الحظ، فإن جميع تقنيات الاستشعار تنتج انحرافًا حراريًا، وأجهزة الاستشعار الحالية ليست استثناءً.يمكننا الآن أن نرى أن هذه صفة حرجة.باستخدام مكونات عالية الجودة وتصميم دقيق في Raztec، قمنا بتطوير مجموعة من أجهزة استشعار التيار المستقر حرارياً مع نطاق انجراف يبلغ <0.25 مللي أمبير/ك.بالنسبة لتغير درجة الحرارة بمقدار 20 كلفن، يمكن أن ينتج عن ذلك خطأ بحد أقصى 5 مللي أمبير.
مصدر آخر شائع للخطأ في أجهزة الاستشعار الحالية التي تتضمن دائرة مغناطيسية هو خطأ التباطؤ الناجم عن المغناطيسية الدائمة.يصل هذا غالبًا إلى 400 مللي أمبير، مما يجعل هذه المستشعرات غير مناسبة لمراقبة البطارية.ومن خلال اختيار أفضل مادة مغناطيسية، قامت شركة Raztec بتخفيض هذه الجودة إلى 20 مللي أمبير وقد انخفض هذا الخطأ بالفعل بمرور الوقت.إذا كانت هناك حاجة إلى قدر أقل من الأخطاء، فمن الممكن إزالة المغناطيسية، ولكنها تضيف تعقيدًا كبيرًا.
الخطأ الأصغر هو انحراف معايرة وظيفة النقل مع درجة الحرارة، ولكن بالنسبة لأجهزة استشعار الكتلة يكون هذا التأثير أصغر بكثير من انحراف أداء الخلية مع درجة الحرارة.
أفضل طريقة لتقدير SOC هي استخدام مجموعة من التقنيات مثل الفولتية المستقرة بدون تحميل، وفولتية الخلية التي يتم تعويضها بواسطة IXR، والتعداد الكولومتري، وتعويض درجة حرارة المعلمات.على سبيل المثال، يمكن تجاهل أخطاء التكامل طويلة المدى من خلال تقدير SOC لجهد البطارية في حالة عدم التحميل أو الحمل المنخفض.
وقت النشر: 09 أغسطس 2022