Einführung in Batteriemessgeräte

Einführung in Batteriemessgeräte

1.1 Einführung in die Funktionen 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, Spannung, Lade-/Entladestrom und 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 Coulomb-Messmethode. Eine weitere Methode ist der von RICHTEK entwickelte dynamische Spannungsalgorithmus.

1.2 Leerlaufspannungsmethode

Die Implementierung der Leerlaufspannungsmethode für einen Stromzähler ist relativ einfach und kann durch Überprüfen des entsprechenden Ladezustands der Leerlaufspannung ermittelt werden. Der angenommene Zustand für die Leerlaufspannung ist die Batterieklemmenspannung, wenn die Batterie etwa 30 Minuten lang ruht.

Der Spannungsverlauf der Batterie variiert je nach Belastung, Temperatur und Alterung der Batterie. Daher kann ein festes Leerlauf-Voltmeter den Ladezustand nicht vollständig darstellen; Es ist nicht möglich, den Ladezustand allein anhand von Tabellen abzuschätzen. Mit anderen Worten: Wenn der Ladezustand ausschließlich durch Nachschlagen in einer Tabelle geschätzt wird, ist der Fehler erheblich.

Die folgende Abbildung zeigt, dass es bei gleicher Batteriespannung einen erheblichen Unterschied im Ladezustand gibt, der durch die Leerlaufspannungsmethode ermittelt wird.

        Abbildung 5. Batteriespannung unter Lade- und Entladebedingungen

Wie die folgende Abbildung zeigt, gibt es auch beim Entladen einen deutlichen Unterschied im Ladezustand bei verschiedenen Belastungen. Grundsätzlich eignet sich die Leerlaufspannungsmethode also nur für Systeme mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit des Ladezustands, wie beispielsweise Autos, die Blei-Säure-Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen verwenden.

            Abbildung 2. Batteriespannung unter verschiedenen Belastungen während der Entladung

1.3 Coulombsche Metrologie

Das Funktionsprinzip der Coulomb-Messtechnik 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) ermöglicht die Integration des aktuellen Werts über die Zeit, um zu bestimmen, wie viele Coulomb fließen.

               Abbildung 3. Grundlegende Arbeitsweise der Coulomb-Messmethode

Die Coulomb-Messtechnik kann den Ladezustand während des Lade- oder Entladevorgangs in Echtzeit genau berechnen. Durch die Verwendung eines Lade-Coulomb-Zählers und eines Entlade-Coulomb-Zählers können die verbleibende elektrische Kapazität (RM) und die volle Ladekapazität (FCC) berechnet werden. Gleichzeitig kann auch die verbleibende Ladekapazität (RM) und die vollständig geladene Kapazität (FCC) zur Berechnung des Ladezustands herangezogen werden, d. h. (SOC=RM/FCC). Darüber hinaus kann es auch die verbleibende Zeit abschätzen, z. B. den Stromverbrauch (TTE) und den Ladevorgang (TTF).

                    Abbildung 4. Berechnungsformel für die Coulomb-Metrologie

Es gibt zwei Hauptfaktoren, die die Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messtechnik verursachen. Der erste Grund ist die Anhäufung von Offset-Fehlern bei der Stromerfassung und der ADC-Messung. Obwohl der Messfehler mit der aktuellen Technologie relativ gering ist, wird dieser Fehler ohne eine gute Methode zu seiner Beseitigung mit der Zeit zunehmen. Die folgende Abbildung zeigt, dass in praktischen Anwendungen der akkumulierte Fehler unbegrenzt ist, wenn keine Korrektur der Zeitdauer erfolgt.

              Abbildung 5. Kumulierter Fehler der Coulomb-Messmethode

Um kumulative Fehler zu vermeiden, gibt es drei mögliche Zeitpunkte, die während des normalen Batteriebetriebs verwendet werden können: Ende des Ladevorgangs (EOC), Ende der Entladung (EOD) und Ruhezustand (Relax). Wenn die Ladeendebedingung erfüllt ist, zeigt dies an, dass die Batterie vollständig geladen ist und der Ladezustand (State of Charge, SOC) 100 % betragen sollte. Der Entladeendzustand zeigt an, dass die Batterie vollständig entladen ist und der Ladezustand (SOC) 0 % betragen sollte; Es kann ein absoluter Spannungswert sein oder je nach Last variieren. Beim Erreichen eines Ruhezustandes wird der Akku weder geladen noch entladen und bleibt über einen längeren Zeitraum in diesem Zustand. Wenn der Benutzer den Batterieruhezustand verwenden möchte, um den Fehler der coulometrischen Methode zu korrigieren, muss zu diesem Zeitpunkt ein Voltmeter mit offenem Stromkreis verwendet werden. Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustandsfehler in den oben genannten Zuständen korrigiert werden kann.

            Abbildung 6. Bedingungen zur Beseitigung akkumulierter Fehler in der Coulomb-Metrologie

Der zweite Hauptfaktor, der die Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messtechnik verursacht, ist der Full Charge Capacity (FCC)-Fehler, der die Differenz zwischen der vorgesehenen Kapazität der Batterie und der tatsächlichen Vollladekapazität der Batterie darstellt. Die Vollladungskapazität (FCC) wird durch Faktoren wie Temperatur, Alterung und Last beeinflusst. Daher sind die Umlern- und Kompensationsmethoden für die voll geladene Kapazität von entscheidender Bedeutung für die Coulomb-Metrologie. Die folgende Abbildung zeigt das Trendphänomen des Ladezustandsfehlers, wenn die voll geladene Kapazität über- und unterschätzt wird.

             Abbildung 7: Fehlertrend bei Über- und Unterschätzung der voll geladenen Kapazität

1.4 Stromzähler mit dynamischem Spannungsalgorithmus

Der dynamische Spannungsalgorithmus kann den Ladezustand einer Lithiumbatterie ausschließlich auf Basis der Batteriespannung berechnen. Diese Methode schätzt die Zunahme oder Abnahme des Ladezustands basierend auf der Differenz zwischen der Batteriespannung und der Leerlaufspannung der Batterie. Die dynamischen Spannungsinformationen können das Verhalten von Lithiumbatterien effektiv simulieren und den Ladezustand (SOC) (%) bestimmen, aber diese Methode kann den Batteriekapazitätswert (mAh) nicht schätzen.

Seine Berechnungsmethode basiert auf der dynamischen Differenz zwischen Batteriespannung und Leerlaufspannung und schätzt den Ladezustand mithilfe iterativer Algorithmen, um jeden Anstieg oder Abfall des Ladezustands zu berechnen. Im Vergleich zur Lösung von Stromzählern nach der Coulomb-Methode akkumulieren Stromzähler mit dynamischem Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom. Coulomb-Messgeräte schätzen den Ladezustand aufgrund von Strommessfehlern und Selbstentladung der Batterie häufig ungenau ein. Selbst wenn der Stromerfassungsfehler sehr klein ist, sammelt der Coulomb-Zähler weiterhin Fehler an, die erst nach vollständigem Laden oder Entladen behoben werden können.

Der dynamische Spannungsalgorithmus wird verwendet, um den Ladezustand einer Batterie ausschließlich auf der Grundlage von Spannungsinformationen abzuschätzen; Da die Schätzung nicht auf der Grundlage der aktuellen Informationen zur Batterie erfolgt, kommt es nicht zu einer Fehlerhäufung. Um die Genauigkeit des Ladezustands zu verbessern, muss der dynamische Spannungsalgorithmus ein tatsächliches Gerät verwenden, um die Parameter eines optimierten Algorithmus basierend auf der tatsächlichen Batteriespannungskurve unter vollständig geladenen und vollständig entladenen Bedingungen anzupassen.

     Abbildung 8. Leistung des dynamischen Spannungsalgorithmus zur Stromzähler- und Verstärkungsoptimierung

Das Folgende ist die Leistung des dynamischen Spannungsalgorithmus unter verschiedenen Entladeratenbedingungen in Bezug auf den Ladezustand. Wie in der Abbildung gezeigt, ist die Genauigkeit des Ladezustands gut. Unabhängig von den Entladebedingungen C/2, C/4, C/7 und C/10 beträgt der Gesamtladezustandsfehler dieser Methode weniger als 3 %.

      Abbildung 9. Leistung des Ladezustands des dynamischen Spannungsalgorithmus unter verschiedenen Entladeratenbedingungen

Die folgende Abbildung zeigt den Ladezustand der Batterie bei kurzen Lade- und kurzen Entladebedingungen. Der Fehler des Ladezustands ist immer noch sehr gering und der maximale Fehler beträgt nur 3 %.

       Abbildung 10. Verhalten des Ladezustands des dynamischen Spannungsalgorithmus bei Kurzladung und Kurzentladung von Batterien

Im Vergleich zur Coulomb-Messmethode, die aufgrund von Strommessfehlern und Selbstentladung der Batterie normalerweise zu einem ungenauen Ladezustand führt, akkumuliert der dynamische Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom, was ein großer Vorteil ist. Aufgrund fehlender Informationen zu Lade-/Entladeströmen weist der dynamische Spannungsalgorithmus eine schlechte Kurzzeitgenauigkeit und eine langsame Reaktionszeit auf. Darüber hinaus kann die volle Ladekapazität nicht abgeschätzt werden. Allerdings schneidet es hinsichtlich der Langzeitgenauigkeit gut ab, da die Batteriespannung letztlich direkt den Ladezustand widerspiegelt.