A estimativa do estado de carga (SOC) de uma bateria de lítio é tecnicamente difícil, especialmente em aplicações onde a bateria não está totalmente carregada ou totalmente descarregada. Tais aplicações são veículos elétricos híbridos (HEVs). O desafio decorre das características de descarga de tensão muito planas das baterias de lítio. A tensão dificilmente muda de 70% SOC para 20% SOC. Na verdade, a variação de tensão devido a mudanças de temperatura é semelhante à variação de tensão devido à descarga, portanto, se o SOC for derivado da tensão, a temperatura da célula deverá ser compensada.
Outro desafio é que a capacidade da bateria é determinada pela capacidade da célula de menor capacidade, portanto o SOC não deve ser julgado com base na tensão terminal da célula, mas na tensão terminal da célula mais fraca. Tudo isso parece um pouco difícil. Então, por que não simplesmente mantemos a quantidade total de corrente que flui para dentro da célula e a equilibramos com a corrente que flui para fora? Isso é conhecido como contagem coulométrica e parece bastante simples, mas há muitas dificuldades com esse método.
Bateriasnão são baterias perfeitas. Eles nunca devolvem o que você investiu neles. Há corrente de fuga durante o carregamento, que varia com a temperatura, taxa de carga, estado de carga e envelhecimento.
A capacidade de uma bateria também varia de forma não linear com a taxa de descarga. Quanto mais rápida for a descarga, menor será a capacidade. De uma descarga de 0,5°C a uma descarga de 5°C, a redução pode chegar a 15%.
As baterias têm uma corrente de fuga significativamente maior em temperaturas mais altas. As células internas de uma bateria podem ficar mais quentes do que as células externas, portanto o vazamento das células através da bateria será desigual.
A capacidade também é uma função da temperatura. Alguns produtos químicos de lítio são mais afetados do que outros.
Para compensar esta desigualdade, o balanceamento de células é usado dentro da bateria. Esta corrente de fuga adicional não é mensurável fora da bateria.
A capacidade da bateria diminui continuamente ao longo da vida da célula e ao longo do tempo.
Qualquer pequeno deslocamento na medição atual será integrado e com o tempo poderá se tornar um grande número, afetando seriamente a precisão do SOC.
Todos os itens acima resultarão em um desvio na precisão ao longo do tempo, a menos que uma calibração regular seja realizada, mas isso só é possível quando a bateria está quase descarregada ou quase cheia. Em aplicações HEV, é melhor manter a bateria com aproximadamente 50% de carga, portanto, uma maneira possível de corrigir com segurança a precisão da medição é carregar totalmente a bateria periodicamente. Os veículos puramente eléctricos são regularmente carregados até à carga máxima ou quase completa, pelo que a medição baseada em contagens coulométricas pode ser muito precisa, especialmente se outros problemas da bateria forem compensados.
A chave para uma boa precisão na contagem coulométrica é uma boa detecção de corrente em uma ampla faixa dinâmica.
O método tradicional de medição de corrente é para nós um shunt, mas esses métodos falham quando estão envolvidas correntes mais altas (250A+). Devido ao consumo de energia, o shunt precisa ter baixa resistência. Os shunts de baixa resistência não são adequados para medir correntes baixas (50mA). Isto levanta imediatamente a questão mais importante: quais são as correntes mínimas e máximas a serem medidas? Isso é chamado de faixa dinâmica.
Assumindo uma capacidade de bateria de 100Ahr, uma estimativa aproximada do erro de integração aceitável.
Um erro de 4 Amp produzirá 100% dos erros em um dia ou um erro de 0,4A produzirá 10% dos erros em um dia.
Um erro de 4/7A produzirá 100% dos erros em uma semana ou um erro de 60mA produzirá 10% dos erros em uma semana.
Um erro de 4/28A produzirá um erro de 100% em um mês ou um erro de 15mA produzirá um erro de 10% em um mês, o que é provavelmente a melhor medição que pode ser esperada sem recalibração devido à carga ou descarga quase completa.
Agora vamos dar uma olhada no shunt que mede a corrente. Para 250A, um shunt de 1m ohm estará no lado alto e produzirá 62,5W. Porém, a 15mA produzirá apenas 15 microvolts, que serão perdidos no ruído de fundo. A faixa dinâmica é 250A/15mA = 17.000:1. Se um conversor A/D de 14 bits puder realmente "ver" o sinal em ruído, deslocamento e desvio, então será necessário um conversor A/D de 14 bits. Uma causa importante do deslocamento é o deslocamento da tensão e do circuito de terra gerado pelo termopar.
Fundamentalmente, não existe nenhum sensor que possa medir a corrente nesta faixa dinâmica. Sensores de alta corrente são necessários para medir correntes mais altas de exemplos de tração e carregamento, enquanto sensores de baixa corrente são necessários para medir correntes, por exemplo, de acessórios e qualquer estado de corrente zero. Como o sensor de corrente baixa também “vê” a corrente alta, ele não pode ser danificado ou corrompido por estas, exceto pela saturação. Isto calcula imediatamente a corrente de derivação.
Uma solução
Uma família de sensores muito adequada são os sensores de corrente de efeito Hall de malha aberta. Esses dispositivos não serão danificados por altas correntes e a Raztec desenvolveu uma linha de sensores que pode realmente medir correntes na faixa de miliamperes através de um único condutor. uma função de transferência de 100mV/AT é prática, portanto, uma corrente de 15mA produzirá 1,5mV utilizável. usando o melhor material de núcleo disponível, também pode ser alcançada uma remanência muito baixa na faixa de um único miliampere. Em 100mV/AT, a saturação ocorrerá acima de 25 Amps. O menor ganho de programação permite, obviamente, correntes mais altas.
Altas correntes são medidas usando sensores convencionais de alta corrente. Mudar de um sensor para outro requer uma lógica simples.
A nova linha de sensores sem núcleo da Raztec é uma excelente escolha para sensores de alta corrente. Esses dispositivos oferecem excelente linearidade, estabilidade e histerese zero. Eles são facilmente adaptáveis a uma ampla gama de configurações mecânicas e faixas de corrente. Esses dispositivos tornam-se práticos com o uso de uma nova geração de sensores de campo magnético com excelente desempenho.
Ambos os tipos de sensores permanecem benéficos para gerenciar relações sinal-ruído com a faixa dinâmica muito alta de correntes necessárias.
No entanto, a precisão extrema seria redundante, pois a bateria em si não é um contador de Coulomb preciso. Um erro de 5% entre carga e descarga é típico para baterias onde existem outras inconsistências. Com isto em mente, uma técnica relativamente simples usando um modelo básico de bateria pode ser usada. O modelo pode incluir tensão terminal sem carga versus capacidade, tensão de carga versus capacidade, resistências de descarga e carga que podem ser modificadas com capacidade e ciclos de carga/descarga. Constantes de tempo de tensão medidas adequadas precisam ser estabelecidas para acomodar as constantes de tempo de tensão de esgotamento e recuperação.
Uma vantagem significativa das baterias de lítio de boa qualidade é que elas perdem muito pouca capacidade em altas taxas de descarga. Este fato simplifica os cálculos. Eles também têm uma corrente de fuga muito baixa. O vazamento do sistema pode ser maior.
Esta técnica permite a estimativa do estado de carga dentro de alguns pontos percentuais da capacidade restante real após o estabelecimento dos parâmetros apropriados, sem a necessidade de contagem de Coulomb. A bateria se torna um contador de Coulomb.
Fontes de erro no sensor atual
Conforme mencionado acima, o erro de deslocamento é crítico para a contagem coulométrica e deve ser feita uma provisão no monitor SOC para calibrar o deslocamento do sensor para zero sob condições de corrente zero. Normalmente, isso só é viável durante a instalação de fábrica. No entanto, podem existir sistemas que determinem a corrente zero e, portanto, permitam a recalibração automática do deslocamento. Esta é uma situação ideal, pois a deriva pode ser acomodada.
Infelizmente, todas as tecnologias de sensores produzem desvios de compensação térmica e os sensores de corrente não são exceção. Podemos agora ver que esta é uma qualidade crítica. Usando componentes de qualidade e design cuidadoso na Raztec, desenvolvemos uma linha de sensores de corrente termicamente estáveis com uma faixa de desvio de <0,25mA/K. Para uma mudança de temperatura de 20K, isso pode produzir um erro máximo de 5mA.
Outra fonte comum de erro em sensores de corrente que incorporam um circuito magnético é o erro de histerese causado pelo magnetismo remanente. Geralmente, isso chega a 400 mA, o que torna esses sensores inadequados para monitoramento de bateria. Ao selecionar o melhor material magnético, a Raztec reduziu essa qualidade para 20mA e esse erro diminuiu com o tempo. Se forem necessários menos erros, a desmagnetização é possível, mas acrescenta uma complexidade considerável.
Um erro menor é o desvio da calibração da função de transferência com a temperatura, mas para sensores de massa esse efeito é muito menor que o desvio do desempenho da célula com a temperatura.
A melhor abordagem para a estimativa do SOC é usar uma combinação de técnicas como tensões estáveis sem carga, tensões de células compensadas por IXR, contagens coulométricas e compensação de temperatura de parâmetros. Por exemplo, erros de integração de longo prazo podem ser ignorados estimando-se o SOC para tensões de bateria sem carga ou com carga baixa.
Horário da postagem: 09/08/2022