Introdução aos medidores de bateria

Introdução aos medidores de bateria

1.1 Introdução às funções do medidor de eletricidade

O gerenciamento da bateria pode ser considerado parte do gerenciamento de energia. No gerenciamento da bateria, o medidor de energia elétrica é responsável por estimar a capacidade da bateria. Sua função básica é monitorar a tensão, a corrente de carga/descarga e a temperatura da bateria, além de estimar o estado de carga (SOC) e a capacidade de carga total (FCC) da bateria. Existem dois métodos típicos para estimar o estado de carga de uma bateria: o método de tensão de circuito aberto (OCV) e o método de medição Coulombic. Outro método é o algoritmo de tensão dinâmica desenvolvido pela RICHTEK.

1.2 Método de tensão de circuito aberto

O método de implementação do método de tensão de circuito aberto para um medidor de eletricidade é relativamente fácil e pode ser obtido verificando o estado de carga correspondente da tensão de circuito aberto. A condição assumida para tensão de circuito aberto é a tensão terminal da bateria quando a bateria está em repouso por cerca de 30 minutos.

A curva de tensão da bateria varia dependendo da carga, temperatura e envelhecimento da bateria. Portanto, um voltímetro fixo de circuito aberto não pode representar totalmente o estado da carga; Não é possível estimar o estado da carga apenas consultando tabelas. Por outras palavras, se o estado da carga for estimado apenas através da consulta de uma tabela, o erro será significativo.

A figura a seguir mostra que sob a mesma tensão de bateria, há uma diferença significativa no estado de carga obtido através do método de tensão de circuito aberto.

        Figura 5. Tensão da bateria em condições de carga e descarga

Conforme mostrado na figura abaixo, há também uma diferença significativa no estado de carga sob diferentes cargas durante a descarga. Então, basicamente, o método de tensão de circuito aberto só é adequado para sistemas com requisitos de baixa precisão para o estado de carga, como carros que usam baterias de chumbo-ácido ou fontes de alimentação ininterruptas.

            Figura 2. Tensão da bateria sob diferentes cargas durante a descarga

1.3 Metrologia Coulombiana

O princípio operacional da metrologia Coulomb é conectar um resistor de detecção no caminho de carga/descarga da bateria. O ADC mede a tensão no resistor de detecção e a converte no valor atual da bateria que está sendo carregada ou descarregada. O contador em tempo real (RTC) fornece integração do valor atual com o tempo para determinar quantos Coulombs estão fluindo.

               Figura 3. Modo básico de trabalho do método de medição de Coulomb

A metrologia Coulombic pode calcular com precisão o estado de carga em tempo real durante o processo de carga ou descarga. Usando um contador de Coulomb de carga e um contador de Coulomb de descarga, ele pode calcular a capacidade elétrica restante (RM) e a capacidade de carga total (FCC). Ao mesmo tempo, a capacidade de carga restante (RM) e a capacidade totalmente carregada (FCC) também podem ser usadas para calcular o estado de carga, ou seja, (SOC=RM/FCC). Além disso, também pode estimar o tempo restante, como esgotamento de energia (TTE) e recarga de energia (TTF).

                    Figura 4. Fórmula de cálculo para metrologia de Coulomb

Existem dois fatores principais que causam o desvio de precisão da metrologia de Coulomb. O primeiro é o acúmulo de erros de deslocamento na detecção de corrente e na medição ADC. Embora o erro de medição seja relativamente pequeno com a tecnologia atual, sem um bom método para eliminá-lo, esse erro aumentará com o tempo. A figura a seguir mostra que em aplicações práticas, se não houver correção no tempo, o erro acumulado é ilimitado.

              Figura 5. Erro acumulado do método de medição de Coulomb

Para eliminar erros cumulativos, existem três pontos de tempo possíveis que podem ser usados ​​durante a operação normal da bateria: Fim de Carga (EOC), Fim de Descarga (EOD) e Repouso (Relaxamento). Quando a condição de final de carregamento for atendida, indica que a bateria está totalmente carregada e o estado de carga (SOC) deve ser 100%. A condição de final de descarga indica que a bateria está totalmente descarregada e o Estado de Carga (SOC) deve ser 0%; Pode ser um valor de tensão absoluto ou pode variar com a carga. Ao atingir o estado de repouso, a bateria não está carregada nem descarregada e permanece neste estado por um longo período de tempo. Se o usuário quiser usar o estado de repouso da bateria para corrigir o erro do método coulométrico, um voltímetro de circuito aberto deverá ser usado neste momento. A figura a seguir mostra que o erro de estado de carga pode ser corrigido nos estados acima.

            Figura 6. Condições para eliminação de erros acumulados em metrologia coulombiana

O segundo fator principal que causa o desvio de precisão da metrologia de Coulomb é o erro de capacidade de carga total (FCC), que é a diferença entre a capacidade projetada da bateria e a verdadeira capacidade de carga total da bateria. A capacidade totalmente carregada (FCC) é influenciada por fatores como temperatura, envelhecimento e carga. Portanto, os métodos de reaprendizagem e compensação para capacidade totalmente carregada são cruciais para a metrologia Coulombic. A figura a seguir mostra o fenômeno de tendência de erro de estado de carga quando a capacidade totalmente carregada é superestimada e subestimada.

             Figura 7: Tendência de erro quando a capacidade totalmente carregada é superestimada e subestimada

1.4 Medidor de eletricidade com algoritmo de tensão dinâmica

O algoritmo de tensão dinâmica pode calcular o estado de carga de uma bateria de lítio com base apenas na tensão da bateria. Este método estima o incremento ou decréscimo do estado de carga com base na diferença entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto da bateria. As informações de tensão dinâmica podem simular efetivamente o comportamento das baterias de lítio e determinar o estado de carga (SOC) (%), mas este método não pode estimar o valor da capacidade da bateria (mAh).

Seu método de cálculo é baseado na diferença dinâmica entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto e estima o estado de carga usando algoritmos iterativos para calcular cada aumento ou diminuição no estado de carga. Em comparação com a solução dos medidores de eletricidade do método Coulomb, os medidores de eletricidade com algoritmo de tensão dinâmica não acumulam erros ao longo do tempo e da corrente. Os medidores coulombicos geralmente apresentam estimativas imprecisas do estado da carga devido a erros de detecção de corrente e autodescarga da bateria. Mesmo que o erro de detecção de corrente seja muito pequeno, o contador Coulomb continuará a acumular erros, que só podem ser eliminados após carga ou descarga completa.

O algoritmo de tensão dinâmica é usado para estimar o estado de carga de uma bateria com base apenas nas informações de tensão; Por não ser estimado com base nas informações atuais da bateria, não há acúmulo de erros. Para melhorar a precisão do estado de carga, o algoritmo de tensão dinâmica precisa usar um dispositivo real para ajustar os parâmetros de um algoritmo otimizado com base na curva real de tensão da bateria sob condições totalmente carregadas e totalmente descarregadas.

     Figura 8. Desempenho do Algoritmo de Tensão Dinâmica para Medidor de Energia Elétrica e Otimização de Ganho

A seguir está o desempenho do algoritmo de tensão dinâmica sob diferentes condições de taxa de descarga em termos de estado de carga. Conforme mostrado na figura, a precisão do estado de carga é boa. Independentemente das condições de descarga de C/2, C/4, C/7 e C/10, o erro geral do estado de carga deste método é inferior a 3%.

      Figura 9. Desempenho do estado de carga do algoritmo de tensão dinâmica sob diferentes condições de taxa de descarga

A figura a seguir mostra o estado de carga da bateria em condições de carga e descarga curtas. O erro do estado de carga ainda é muito pequeno e o erro máximo é de apenas 3%.

       Figura 10. Desempenho do Estado de Carga do Algoritmo de Tensão Dinâmica no Caso de Carga Curta e Descarga Curta de Baterias

Comparado ao método de medição de Coulomb, que geralmente resulta em estado de carga impreciso devido a erros de detecção de corrente e autodescarga da bateria, o algoritmo de tensão dinâmica não acumula erros ao longo do tempo e da corrente, o que é uma grande vantagem. Devido à falta de informações sobre as correntes de carga/descarga, o algoritmo de tensão dinâmica tem baixa precisão de curto prazo e tempo de resposta lento. Além disso, não é possível estimar a capacidade total de carregamento. No entanto, tem um bom desempenho em termos de precisão a longo prazo, uma vez que a tensão da bateria reflecte directamente o seu estado de carga.