הערכת מצב הטעינה (SOC) של סוללת ליתיום היא קשה מבחינה טכנית, במיוחד ביישומים שבהם הסוללה אינה טעונה במלואה או ריקה לחלוטין. יישומים כאלה הם כלי רכב חשמליים היברידיים (HEVs). האתגר נובע ממאפייני פריקת המתח המאוד שטוחים של סוללות ליתיום. המתח כמעט ולא משתנה מ-70% SOC ל-20% SOC. למעשה, משתנה המתח עקב שינויי טמפרטורה דומה לשינוי המתח עקב פריקה, כך שאם ה-SOC אמור להיגזר מהמתח, יש לפצות על טמפרטורת התא.
אתגר נוסף הוא שקיבולת הסוללה נקבעת על פי הקיבולת של התא בעל הקיבולת הנמוכה ביותר, ולכן אין לשפוט את ה-SOC על סמך מתח המסוף של התא, אלא על סמך מתח המסוף של התא החלש ביותר. כל זה נשמע קצת קשה מדי. אז למה שלא נשמור על כמות הזרם הכוללת שזורמת לתא ונאזן אותה עם הזרם הזורם החוצה? זה ידוע בתור ספירה קולומטרית ונשמע פשוט מספיק, אבל יש הרבה קשיים בשיטה זו.
סוללותהם לא סוללות מושלמות. הם אף פעם לא מחזירים את מה שהכנסת לתוכם. קיים זרם דליפה במהלך הטעינה, אשר משתנה בהתאם לטמפרטורה, קצב הטעינה, מצב הטעינה וההזדקנות.
הקיבולת של סוללה משתנה גם באופן לא ליניארי עם קצב הפריקה. ככל שהפריקה מהירה יותר, כך הקיבולת נמוכה יותר. מפריקה של 0.5C לפריקה של 5C, ההפחתה יכולה להגיע עד 15%.
לסוללות יש זרם דליפה גבוה משמעותית בטמפרטורות גבוהות יותר. התאים הפנימיים בסוללה עשויים לפעול חם יותר מהתאים החיצוניים, כך שדליפת התאים דרך הסוללה תהיה לא שווה.
הקיבולת היא גם פונקציה של הטמפרטורה. כמה כימיקלים ליתיום מושפעים יותר מאחרים.
כדי לפצות על אי השוויון הזה, נעשה שימוש באיזון תאים בתוך הסוללה. זרם דליפה נוסף זה אינו ניתן למדידה מחוץ לסוללה.
קיבולת הסוללה יורדת בהתמדה לאורך חיי התא ולאורך זמן.
כל היסט קטן במדידה הנוכחית ישולב ועם הזמן עשוי להפוך למספר גדול, שישפיע באופן רציני על דיוק ה-SOC.
כל האמור לעיל יגרום לסחיפה בדיוק לאורך זמן אלא אם יתבצע כיול רגיל, אך הדבר אפשרי רק כאשר הסוללה כמעט ריקה או כמעט מלאה. ביישומי HEV עדיף לשמור את הסוללה בטעינה של כ-50%, כך שאחת הדרכים האפשריות לתקן בצורה מהימנה את דיוק המדידה היא לטעון את הסוללה במלואה מעת לעת. כלי רכב חשמליים טהורים נטענים באופן קבוע עד למלא או כמעט מלא, ולכן מדידה המבוססת על ספירות קולומטריות יכולה להיות מדויקת מאוד, במיוחד אם מפצות על בעיות סוללה אחרות.
המפתח לדיוק טוב בספירה קולומטרית הוא זיהוי זרם טוב בטווח דינמי רחב.
השיטה המסורתית של מדידת זרם היא עבורנו shunt, אך שיטות אלו נופלות כאשר מעורבים זרמים גבוהים יותר (250A+). בשל צריכת החשמל, ה-shunt צריך להיות בעל התנגדות נמוכה. shunts התנגדות נמוכה אינם מתאימים למדידת זרמים נמוכים (50mA). זה מעלה מיד את השאלה החשובה ביותר: מהם הזרמים המינימליים והמקסימליים שיש למדוד? זה נקרא הטווח הדינמי.
בהנחה של קיבולת סוללה של 100Ahr, הערכה גסה של שגיאת האינטגרציה המקובלת.
שגיאה של 4 אמפר תייצר 100% מהשגיאות ביום או שגיאה של 0.4A תייצר 10% מהשגיאות ביום.
שגיאה של 4/7A תייצר 100% מהשגיאות תוך שבוע או שגיאה של 60mA תייצר 10% מהשגיאות תוך שבוע.
שגיאה של 4/28A תיצור שגיאה של 100% בחודש או שגיאה של 15mA תיצור שגיאה של 10% בחודש, וזו כנראה המדידה הטובה ביותר שניתן לצפות ללא כיול מחדש עקב טעינה או כמעט פריקה מלאה.
עכשיו בואו נסתכל על ה-shunt שמודד את הזרם. עבור 250A, shunt של 1 מטר אוהם יהיה בצד הגבוה ויפיק 62.5W. עם זאת, ב-15mA הוא יפיק רק 15 מיקרו-וולט, שיאבדו ברעשי הרקע. הטווח הדינמי הוא 250A/15mA = 17,000:1. אם ממיר A/D של 14 סיביות באמת יכול "לראות" את האות ברעש, היסט וסחיפה, אז נדרש ממיר A/D של 14 סיביות. גורם חשוב לקיזוז הוא היסט לולאת המתח והארקה שנוצר על ידי הצמד התרמי.
ביסודו של דבר, אין חיישן שיכול למדוד זרם בטווח דינמי זה. יש צורך בחיישני זרם גבוה כדי למדוד את הזרמים הגבוהים יותר מדוגמאות מתיחה וטעינה, בעוד שחיישני זרם נמוך נדרשים למדידת זרמים, למשל, מאביזרים ומכל מצב זרם אפס. מכיוון שגם חיישן הזרם הנמוך "רואה" את הזרם הגבוה, הוא לא יכול להינזק או להשחית על ידי אלה, למעט רוויה. זה מיד מחשב את זרם ה-shunt.
פתרון
משפחה מתאימה מאוד של חיישנים הם חיישני זרם של אפקט Hall. מכשירים אלו לא ייפגעו מזרמים גבוהים ו-Raztec פיתחה טווח חיישנים שיכול למעשה למדוד זרמים בטווח המיליאמפר דרך מוליך בודד. פונקציית העברה של 100mV/AT היא מעשית, כך שזרם של 15mA יפיק 1.5mV שמיש. על ידי שימוש בחומר הליבה הטוב ביותר הזמין, ניתן להשיג גם רמנציה נמוכה מאוד בטווח מיליאמפר בודד. ב-100mV/AT, הרוויה תתרחש מעל 25 אמפר. רווח התכנות הנמוך מאפשר כמובן זרמים גבוהים יותר.
זרמים גבוהים נמדדים באמצעות חיישני זרם גבוה קונבנציונליים. מעבר מחישן אחד לאחר דורש היגיון פשוט.
המגוון החדש של חיישנים ללא ליבה של Raztec הם בחירה מצוינת עבור חיישני זרם גבוה. מכשירים אלה מציעים ליניאריות מצוינת, יציבות ואפס היסטרזיס. הם ניתנים להתאמה בקלות למגוון רחב של תצורות מכניות וטווחי זרם. מכשירים אלה נעשים מעשיים על ידי שימוש בדור חדש של חיישני שדה מגנטי עם ביצועים מצוינים.
שני סוגי החיישנים נשארים מועילים לניהול יחסי אות לרעש עם טווח דינמי גבוה מאוד של זרמים הנדרש.
עם זאת, דיוק קיצוני יהיה מיותר מכיוון שהסוללה עצמה אינה מונה קולומב מדויק. שגיאה של 5% בין טעינה לפריקה אופיינית לסוללות שבהן קיימות אי עקביות נוספות. עם זאת בחשבון, ניתן להשתמש בטכניקה פשוטה יחסית באמצעות דגם סוללה בסיסי. הדגם יכול לכלול מתח מסוף ללא עומס מול קיבולת, מתח טעינה מול קיבולת, התנגדויות פריקה וטעינה הניתנות לשינוי עם קיבולת ומחזורי טעינה/פריקה. יש לקבוע קבועי זמן מתח נמדדים מתאימים כדי להתאים את קבועי זמן הדלדול וההתאוששות.
יתרון משמעותי של סוללות ליתיום באיכות טובה הוא שהן מאבדות מעט מאוד קיבולת בקצבי פריקה גבוהים. עובדה זו מפשטת את החישובים. יש להם גם זרם דליפה נמוך מאוד. דליפת המערכת עלולה להיות גבוהה יותר.
טכניקה זו מאפשרת הערכת מצב טעינה בתוך כמה נקודות אחוז מהקיבולת שנותרה בפועל לאחר קביעת הפרמטרים המתאימים, ללא צורך בספירת קולומב. הסוללה הופכת למונה קולומב.
מקורות שגיאה בתוך החיישן הנוכחי
כפי שהוזכר לעיל, שגיאת ההיסט היא קריטית לספירה הקולומטרית ויש לבצע הסדר בתוך צג ה-SOC כדי לכייל את היסט החיישן לאפס בתנאי זרם אפס. זה בדרך כלל אפשרי רק במהלך התקנת המפעל. עם זאת, עשויות להתקיים מערכות הקובעות זרם אפס ולכן מאפשרות כיול מחדש אוטומטי של ההיסט. זהו מצב אידיאלי שכן ניתן להכיל סחף.
למרבה הצער, כל טכנולוגיות החיישנים מייצרות סחיפה תרמית, וחיישני זרם אינם יוצאי דופן. כעת אנו יכולים לראות שזו תכונה קריטית. על ידי שימוש ברכיבים איכותיים ותכנון קפדני ב-Raztec, פיתחנו מגוון חיישני זרם יציבים תרמית עם טווח סחיפה של <0.25mA/K. עבור שינוי טמפרטורה של 20K, זה יכול לייצר שגיאה מקסימלית של 5mA.
מקור שגיאה נפוץ נוסף בחיישני זרם המשלבים מעגל מגנטי הוא שגיאת ההיסטרזיס הנגרמת על ידי מגנטיות רמננטית. לרוב מדובר ב-400mA, מה שהופך חיישנים כאלה ללא מתאימים לניטור סוללה. על ידי בחירת החומר המגנטי הטוב ביותר, Raztec הפחיתה איכות זו ל-20mA ושגיאה זו למעשה פחתה עם הזמן. אם נדרשת פחות שגיאה, דה-מגנטיזציה אפשרית, אך מוסיפה מורכבות ניכרת.
שגיאה קטנה יותר היא הסחף של כיול פונקציית ההעברה עם הטמפרטורה, אך עבור חיישני מסה השפעה זו קטנה בהרבה מהסחיפה של ביצועי התא עם הטמפרטורה.
הגישה הטובה ביותר להערכת SOC היא להשתמש בשילוב של טכניקות כגון מתחי ללא עומס יציבים, מתחי תאים מפוצים על ידי IXR, ספירות קולומטריות ופיצוי טמפרטורה של פרמטרים. לדוגמה, ניתן להתעלם משגיאות אינטגרציה ארוכות טווח על ידי הערכת ה-SOC עבור מתחי סוללה ללא עומס או עומס נמוך.
זמן פרסום: אוגוסט-09-2022