リチウム電池の充電状態 (SOC) を推定することは、特に電池が完全に充電または完全に放電されていない用途では技術的に困難です。このような用途はハイブリッド電気自動車 (HEV) です。この課題は、リチウム電池の非常に平坦な電圧放電特性に起因しています。電圧はSOC 70%から20%までほとんど変化しません。実際、温度変化による電圧変化は放電による電圧変化と類似しているため、電圧から SOC を求める場合はセル温度を補償する必要があります。
もう 1 つの課題は、バッテリー容量は最も容量の低いセルの容量によって決まるため、SOC はセルの端子電圧ではなく、最も弱いセルの端子電圧に基づいて判断する必要があることです。これはすべて少し難しすぎるように思えます。では、セルに流入する電流の総量を単純に維持し、流出する電流とバランスを取ればよいのはなぜでしょうか。これは電量計数として知られており、非常に簡単に思えますが、この方法には多くの困難があります。
電池完璧な電池ではありません。彼らはあなたが入れたものを決して返しません。充電中に漏れ電流が発生しますが、これは温度、充電速度、充電状態、経年変化によって変化します。
バッテリーの容量も放電率に応じて非線形に変化します。放電が速いほど容量は低くなります。0.5C の放電から 5C の放電まで、低下は最大 15% になる可能性があります。
バッテリーは高温になると漏れ電流が大幅に増加します。バッテリーの内部セルは外部セルよりも高温になる可能性があるため、バッテリーを介したセルの漏れは不均等になります。
容量は温度の関数でもあります。一部のリチウム化学物質は他の化学物質よりも大きな影響を受けます。
この不平等を補うために、バッテリー内でセルバランスが使用されます。この追加の漏れ電流は、バッテリーの外部では測定できません。
バッテリー容量は、セルの寿命とともに時間の経過とともに着実に減少します。
電流測定における小さなオフセットは積分され、時間の経過とともに大きな値になり、SOC の精度に重大な影響を与える可能性があります。
上記のすべてのことにより、定期的な校正を実行しない限り、時間の経過とともに精度が変動しますが、これが起こり得るのは、バッテリーがほぼ放電しているか、ほぼ満杯の場合のみです。HEV アプリケーションでは、バッテリーを約 50% の充電状態に保つのが最善であるため、計量精度を確実に補正する 1 つの方法は、バッテリーを定期的に完全に充電することです。純粋な電気自動車は定期的にフルまたはフルに近い状態まで充電されるため、特に他のバッテリーの問題が補償されている場合、電量計のカウントに基づく計量は非常に正確になります。
電量計数における優れた精度の鍵は、広いダイナミックレンジにわたる良好な電流検出です。
電流を測定する従来の方法はシャントですが、より大きな電流 (250A+) が関係する場合、これらの方法は役に立ちません。電力消費のため、シャントは低抵抗である必要があります。低抵抗シャントは、低電流 (50mA) の測定には適していません。これにより、すぐに最も重要な疑問が生じます。測定すべき最小電流と最大電流は何ですか?これをダイナミックレンジと呼びます。
バッテリ容量を 100Ahr と仮定すると、許容可能な積分誤差の概算値となります。
4 アンペアのエラーでは 1 日に 100% のエラーが発生し、0.4A のエラーでは 1 日に 10% のエラーが発生します。
4/7A エラーでは 1 週間以内に 100% のエラーが発生し、60mA エラーでは 1 週間以内に 10% のエラーが発生します。
4/28A エラーは 1 か月で 100% の誤差を生成し、15mA エラーは 1 か月で 10% の誤差を生成します。これはおそらく、充電またはほぼ完全な放電による再校正なしで期待できる最良の測定値です。
次に、電流を測定するシャントを見てみましょう。250A の場合、1m オームのシャントはハイサイドにあり、62.5W を生成します。ただし、15mA では 15 マイクロボルトしか生成せず、バックグラウンド ノイズで失われます。ダイナミックレンジは250A/15mA=17,000:1です。14 ビット A/D コンバータがノイズ、オフセット、ドリフトの中で信号を実際に「認識」できる場合は、14 ビット A/D コンバータが必要です。オフセットの重要な原因は、熱電対によって生成される電圧とグランド ループのオフセットです。
基本的に、このダイナミック レンジで電流を測定できるセンサーはありません。高電流センサーは、トラクションや充電の例からの高電流を測定するために必要ですが、低電流センサーは、アクセサリーやゼロ電流状態などからの電流を測定するために必要です。低電流センサーは高電流も「認識」するため、飽和を除いて、これらによって損傷したり破損したりすることはありません。これにより、シャント電流が即座に計算されます。
解決策
非常に適したセンサーのファミリーは、開ループのホール効果電流センサーです。これらのデバイスは大電流によって損傷することはなく、Raztec は単一導体を流れるミリアンペア範囲の電流を実際に測定できるセンサー範囲を開発しました。伝達関数は 100mV/AT が実用的であるため、15mA の電流で使用可能な 1.5mV が生成されます。入手可能な最高のコア材料を使用することにより、単一ミリアンペア範囲での非常に低い残留磁束も達成できます。100mV/AT では、25 アンペアを超えると飽和が発生します。もちろん、プログラミングゲインが低いほど、より大きな電流が可能になります。
大電流は、従来の大電流センサーを使用して測定されます。あるセンサーから別のセンサーに切り替えるには、単純なロジックが必要です。
Raztec の新しいコアレス センサーは、高電流センサーに最適な選択肢です。これらのデバイスは、優れた直線性、安定性、ゼロヒステリシスを提供します。幅広い機械構成や電流範囲に簡単に適応できます。これらのデバイスは、優れた性能を備えた新世代の磁場センサーを使用することで実用化されています。
どちらのセンサー タイプも、必要な電流の非常に高いダイナミック レンジでの信号対ノイズ比の管理に依然として有益です。
ただし、バッテリー自体は正確なクーロンカウンターではないため、極端な精度は不要になります。さらに不一致が存在するバッテリーでは、充電と放電の間に 5% の誤差が生じるのが一般的です。これを念頭に置くと、基本的なバッテリー モデルを使用した比較的単純な手法を使用できます。モデルには、無負荷端子電圧対容量、充電電圧対容量、容量および充放電サイクルによって変更できる放電および充電抵抗を含めることができます。枯渇電圧時定数と回復電圧時定数に対応するには、適切な測定電圧時定数を確立する必要があります。
高品質のリチウム電池の大きな利点は、高い放電率でも容量の損失がほとんどないことです。この事実により計算が簡素化されます。また、漏れ電流も非常に低くなります。システムの漏洩が増加する可能性があります。
この技術により、適切なパラメータを設定した後、クーロンカウントを必要とせずに、実際の残存容量の数パーセント以内で充電状態を推定できます。電池がクーロンカウンターになります。
電流センサー内のエラー源
上で述べたように、オフセット誤差は電量計のカウントにとって重要であり、ゼロ電流条件下でセンサーのオフセットをゼロに校正するための準備を SOC モニター内で行う必要があります。これは通常、工場での設置時にのみ実行可能です。ただし、電流がゼロであると判断し、オフセットの自動再校正を可能にするシステムが存在する場合があります。これはドリフトに対応できる理想的な状況です。
残念ながら、すべてのセンサー技術には熱オフセット ドリフトが発生し、電流センサーも例外ではありません。これが重要な性質であることがわかりました。Raztec では、高品質のコンポーネントと慎重な設計を使用することにより、ドリフト範囲が <0.25mA/K の熱的に安定した電流センサーを開発しました。20K の温度変化の場合、最大 5mA の誤差が生じる可能性があります。
磁気回路を組み込んだ電流センサーのもう 1 つの一般的な誤差原因は、残留磁気によって引き起こされるヒステリシス誤差です。これは多くの場合最大 400mA であるため、このようなセンサーはバッテリー監視には適していません。最適な磁性材料を選択することにより、Raztec はこの品質を 20mA に削減し、実際にこの誤差は時間の経過とともに減少しました。誤差を少なくする必要がある場合は、消磁も可能ですが、かなりの複雑さが追加されます。
より小さな誤差は温度による伝達関数校正のドリフトですが、質量センサーの場合、この影響は温度によるセル性能のドリフトよりもはるかに小さいです。
SOC を推定するための最良のアプローチは、安定した無負荷電圧、IXR によって補償されたセル電圧、電量カウント、パラメータの温度補償などの技術を組み合わせて使用することです。たとえば、長期積分誤差は、無負荷または低負荷のバッテリ電圧の SOC を推定することで無視できます。
投稿日時: 2022 年 8 月 9 日