آشنایی با کنتورهای باتری

آشنایی با کنتورهای باتری

1.1 مقدمه ای بر عملکرد کنتور برق

مدیریت باتری را می توان به عنوان بخشی از مدیریت انرژی در نظر گرفت. در مدیریت باتری، کنتور برق وظیفه تخمین ظرفیت باتری را بر عهده دارد. عملکرد اصلی آن نظارت بر ولتاژ، جریان شارژ/دشارژ و دمای باتری و تخمین وضعیت شارژ (SOC) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) باتری است. دو روش معمولی برای تخمین وضعیت شارژ باتری وجود دارد: روش ولتاژ مدار باز (OCV) و روش اندازه گیری کولمبیک. روش دیگر الگوریتم ولتاژ دینامیکی است که توسط RICHTEK طراحی شده است.

1.2 روش ولتاژ مدار باز

روش اجرای استفاده از روش ولتاژ مدار باز برای کنتور برق نسبتا آسان است و می توان با بررسی وضعیت شارژ متناظر ولتاژ مدار باز به دست آورد. شرط فرض شده برای ولتاژ مدار باز، ولتاژ پایانه باتری زمانی است که باتری حدود 30 دقیقه در حال استراحت است.

منحنی ولتاژ باتری بسته به بار، دما و کهنه شدن باتری متفاوت است. بنابراین، یک ولت متر مدار باز ثابت نمی تواند وضعیت شارژ را به طور کامل نشان دهد. تخمین وضعیت شارژ تنها با جستجوی جداول امکان پذیر نیست. به عبارت دیگر، اگر وضعیت شارژ صرفاً با جستجوی جدول برآورد شود، خطا قابل توجه خواهد بود.

شکل زیر نشان می دهد که تحت ولتاژ یکسان باتری، تفاوت قابل توجهی در حالت شارژ حاصل از روش ولتاژ مدار باز وجود دارد.

        شکل 5. ولتاژ باتری در شرایط شارژ و دشارژ

همانطور که در شکل زیر نشان داده شده است، در زمان تخلیه نیز تفاوت معنی داری در وضعیت شارژ تحت بارهای مختلف وجود دارد. بنابراین اساساً، روش ولتاژ مدار باز فقط برای سیستم‌هایی با دقت پایین برای وضعیت شارژ مناسب است، مانند خودروهایی که از باتری‌های سرب اسید یا منابع تغذیه بدون وقفه استفاده می‌کنند.

            شکل 2. ولتاژ باتری تحت بارهای مختلف در هنگام تخلیه

1.3 مترولوژی کولمبیک

اصل عملکرد مترولوژی کولن اتصال یک مقاومت تشخیص در مسیر شارژ/دشارژ باتری است. ADC ولتاژ مقاومت تشخیص را اندازه گیری می کند و آن را به مقدار فعلی باتری در حال شارژ یا دشارژ تبدیل می کند. شمارنده زمان واقعی (RTC) یکپارچه سازی مقدار فعلی با زمان را برای تعیین تعداد کولن در حال جریان فراهم می کند.

               شکل 3. حالت کار پایه روش اندازه گیری کولن

مترولوژی کولمبیک می تواند به طور دقیق وضعیت زمان واقعی شارژ را در طول فرآیند شارژ یا دشارژ محاسبه کند. با استفاده از شمارنده کولن شارژ و کولن شمار تخلیه کننده، می تواند ظرفیت الکتریکی باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) را محاسبه کند. در همان زمان، ظرفیت شارژ باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) نیز می تواند برای محاسبه وضعیت شارژ استفاده شود، یعنی (SOC=RM/FCC). علاوه بر این، همچنین می‌تواند زمان باقی‌مانده مانند تخلیه برق (TTE) و شارژ مجدد برق (TTF) را تخمین بزند.

                    شکل 4. فرمول محاسبه برای اندازه گیری کولن

دو عامل اصلی وجود دارد که باعث انحراف دقت مترولوژی کولن می شود. اولین مورد انباشته شدن خطاهای افست در سنجش جریان و اندازه گیری ADC است. اگرچه خطای اندازه گیری با فناوری فعلی نسبتاً کم است، اما بدون روش مناسب برای حذف آن، این خطا به مرور زمان افزایش خواهد یافت. شکل زیر نشان می دهد که در کاربردهای عملی، در صورت عدم اصلاح در مدت زمان، خطای انباشته نامحدود است.

              شکل 5. خطای انباشته روش اندازه گیری کولن

برای حذف خطاهای تجمعی، سه نقطه زمانی ممکن وجود دارد که می‌توان در طول کارکرد عادی باتری از آنها استفاده کرد: پایان شارژ (EOC)، پایان تخلیه (EOD) و استراحت (آرامش). هنگامی که شرط پایان شارژ برآورده می شود، نشان می دهد که باتری کاملاً شارژ شده است و وضعیت شارژ (SOC) باید 100٪ باشد. شرایط پایان تخلیه نشان می دهد که باتری کاملاً تخلیه شده است و وضعیت شارژ (SOC) باید 0٪ باشد. این می تواند یک مقدار ولتاژ مطلق باشد یا می تواند با بار تغییر کند. با رسیدن به حالت استراحت باتری نه شارژ می شود و نه دشارژ می شود و برای مدت طولانی در این حالت باقی می ماند. اگر کاربر بخواهد از حالت استراحت باتری برای اصلاح خطای روش کولومتری استفاده کند، در این زمان باید از ولت متر مدار باز استفاده شود. شکل زیر نشان می دهد که خطای حالت شارژ در حالت های فوق قابل اصلاح است.

            شکل 6. شرایط حذف خطاهای انباشته در مترولوژی کولمبیک

دومین عامل اصلی که باعث انحراف دقت مترولوژی کولن می شود، خطای ظرفیت شارژ کامل (FCC) است که تفاوت بین ظرفیت طراحی شده باتری و ظرفیت شارژ کامل واقعی باتری است. ظرفیت شارژ کامل (FCC) تحت تأثیر عواملی مانند دما، پیری و بار است. بنابراین، روش‌های یادگیری مجدد و جبران ظرفیت شارژ کامل برای اندازه‌شناسی کولمبیک بسیار مهم است. شکل زیر پدیده روند خطای حالت شارژ را در زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد برآورد و دست کم گرفته شود نشان می دهد.

             شکل 7: روند خطا زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد برآورد و دست کم گرفته شود

1.4 کنتور برق الگوریتم ولتاژ دینامیک

الگوریتم ولتاژ دینامیک می تواند وضعیت شارژ یک باتری لیتیومی را تنها بر اساس ولتاژ باتری محاسبه کند. این روش افزایش یا کاهش حالت شارژ را بر اساس تفاوت بین ولتاژ باتری و ولتاژ مدار باز باتری تخمین می زند. اطلاعات ولتاژ دینامیکی می تواند به طور موثر رفتار باتری های لیتیومی را شبیه سازی کند و وضعیت شارژ (SOC) (%) را تعیین کند، اما این روش نمی تواند مقدار ظرفیت باتری (mAh) را تخمین بزند.

روش محاسبه آن بر اساس تفاوت دینامیکی بین ولتاژ باتری و ولتاژ مدار باز است و با استفاده از الگوریتم‌های تکراری برای محاسبه هر افزایش یا کاهش در حالت شارژ، وضعیت شارژ را تخمین می‌زند. در مقایسه با حل کنتورهای برق به روش کولن، کنتورهای برق با الگوریتم ولتاژ دینامیکی در طول زمان و جریان خطا انباشته نمی شوند. کنتورهای اندازه گیری کولمبی اغلب به دلیل خطاهای حسگر جریان و تخلیه خود باتری، تخمین نادرستی از وضعیت شارژ دارند. حتی اگر خطای سنجش جریان بسیار کوچک باشد، شمارنده کولن به جمع آوری خطاها ادامه می دهد، که تنها پس از شارژ یا دشارژ کامل قابل حذف است.

الگوریتم ولتاژ دینامیک برای تخمین وضعیت شارژ باتری صرفاً بر اساس اطلاعات ولتاژ استفاده می شود. از آنجایی که بر اساس اطلاعات فعلی باتری تخمین زده نمی شود، انباشته شدن خطا وجود ندارد. برای بهبود دقت وضعیت شارژ، الگوریتم ولتاژ دینامیک باید از یک دستگاه واقعی برای تنظیم پارامترهای یک الگوریتم بهینه شده بر اساس منحنی ولتاژ واقعی باتری در شرایط کاملاً شارژ و کاملاً دشارژ استفاده کند.

     شکل 8. عملکرد الگوریتم ولتاژ دینامیکی برای کنتور برق و بهینه سازی بهره

در زیر عملکرد الگوریتم ولتاژ دینامیکی تحت شرایط نرخ دشارژ متفاوت از نظر حالت شارژ آورده شده است. همانطور که در شکل نشان داده شده است، وضعیت دقت شارژ آن خوب است. صرف نظر از شرایط دشارژ C/2، C/4، C/7 و C/10، حالت کلی خطای شارژ این روش کمتر از 3 درصد است.

      شکل 9. عملکرد حالت شارژ الگوریتم ولتاژ دینامیکی تحت شرایط نرخ دشارژ متفاوت

شکل زیر وضعیت شارژ باتری را در شرایط شارژ کوتاه و دشارژ کوتاه نشان می دهد. خطای حالت شارژ هنوز بسیار کم است و حداکثر خطا فقط 3٪ است.

       شکل 10. عملکرد حالت شارژ الگوریتم ولتاژ دینامیکی در حالت شارژ کوتاه و دشارژ کوتاه باتری ها

در مقایسه با روش اندازه گیری کولن که معمولاً به دلیل خطاهای حسگر جریان و تخلیه خود باتری منجر به وضعیت شارژ نادرست می شود، الگوریتم ولتاژ دینامیکی خطاها را در طول زمان و جریان جمع نمی کند که یک مزیت بزرگ است. به دلیل کمبود اطلاعات در مورد جریان های شارژ/دشارژ، الگوریتم ولتاژ دینامیکی از دقت کوتاه مدت ضعیف و زمان پاسخ آهسته برخوردار است. علاوه بر این، نمی تواند ظرفیت شارژ کامل را تخمین بزند. با این حال، از نظر دقت طولانی مدت عملکرد خوبی دارد، زیرا ولتاژ باتری در نهایت به طور مستقیم وضعیت شارژ آن را منعکس می کند.