La estimación del estado de carga (SOC) de una batería de litio es técnicamente difícil, especialmente en aplicaciones donde la batería no está completamente cargada o completamente descargada. Estas aplicaciones son los vehículos eléctricos híbridos (HEV). El desafío surge de las características de descarga de voltaje muy planas de las baterías de litio. El voltaje apenas cambia del 70% SOC al 20% SOC. De hecho, la variación de voltaje debido a cambios de temperatura es similar a la variación de voltaje debido a una descarga, por lo que si el SOC se va a derivar del voltaje, se debe compensar la temperatura de la celda.
Otro desafío es que la capacidad de la batería está determinada por la capacidad de la celda de menor capacidad, por lo que el SOC no debe juzgarse en función del voltaje terminal de la celda, sino del voltaje terminal de la celda más débil. Todo esto suena demasiado difícil. Entonces, ¿por qué no simplemente mantenemos la cantidad total de corriente que fluye hacia la celda y la equilibramos con la corriente que sale? Esto se conoce como conteo coulométrico y parece bastante simple, pero este método presenta muchas dificultades.
BateríasNo son baterías perfectas. Nunca devuelven lo que les pones. Hay corriente de fuga durante la carga, que varía con la temperatura, la velocidad de carga, el estado de carga y el envejecimiento.
La capacidad de una batería también varía de forma no lineal con la tasa de descarga. Cuanto más rápida sea la descarga, menor será la capacidad. Desde una descarga de 0,5 °C a una descarga de 5 °C, la reducción puede llegar al 15 %.
Las baterías tienen una corriente de fuga significativamente mayor a temperaturas más altas. Las celdas internas de una batería pueden calentarse más que las externas, por lo que la fuga de celdas a través de la batería será desigual.
La capacidad también es función de la temperatura. Algunas sustancias químicas del litio se ven más afectadas que otras.
Para compensar esta desigualdad, se utiliza el equilibrio de celdas dentro de la batería. Esta corriente de fuga adicional no se puede medir fuera de la batería.
La capacidad de la batería disminuye constantemente a lo largo de la vida útil de la celda y con el tiempo.
Cualquier pequeña desviación en la medición actual se integrará y con el tiempo puede convertirse en un número grande, lo que afectará seriamente la precisión del SOC.
Todo lo anterior dará como resultado una variación en la precisión con el tiempo a menos que se realice una calibración regular, pero esto solo es posible cuando la batería está casi descargada o casi llena. En aplicaciones HEV, es mejor mantener la batería aproximadamente al 50% de carga, por lo que una posible forma de corregir de manera confiable la precisión de la medición es cargar periódicamente la batería por completo. Los vehículos eléctricos puros se cargan regularmente hasta el máximo o casi por completo, por lo que la medición basada en recuentos culombimétricos puede ser muy precisa, especialmente si se compensan otros problemas de la batería.
La clave para una buena precisión en el conteo culombimétrico es una buena detección de corriente en un amplio rango dinámico.
El método tradicional de medición de corriente es para nosotros una derivación, pero estos métodos fracasan cuando se trata de corrientes más altas (250 A+). Debido al consumo de energía, la derivación debe tener baja resistencia. Las derivaciones de baja resistencia no son adecuadas para medir corrientes bajas (50 mA). Esto plantea inmediatamente la pregunta más importante: ¿cuáles son las corrientes mínima y máxima que se deben medir? Esto se llama rango dinámico.
Suponiendo una capacidad de batería de 100 Ah, una estimación aproximada del error de integración aceptable.
Un error de 4 amperios producirá el 100 % de los errores en un día o un error de 0,4 A producirá el 10 % de los errores en un día.
Un error de 4/7 A producirá el 100 % de los errores en una semana o un error de 60 mA producirá el 10 % de los errores en una semana.
Un error de 4/28 A producirá un error del 100 % en un mes o un error de 15 mA producirá un error del 10 % en un mes, que es probablemente la mejor medición que se puede esperar sin recalibración debido a la carga o descarga casi completa.
Ahora veamos la derivación que mide la corriente. Para 250 A, una derivación de 1 m ohm estará en el lado alto y producirá 62,5 W. Sin embargo, a 15 mA sólo producirá 15 microvoltios, que se perderán en el ruido de fondo. El rango dinámico es 250A/15mA = 17.000:1. Si un convertidor A/D de 14 bits realmente puede "ver" la señal en ruido, compensación y deriva, entonces se requiere un convertidor A/D de 14 bits. Una causa importante de compensación es la compensación del circuito de tensión y tierra generada por el termopar.
Básicamente, no existe ningún sensor que pueda medir la corriente en este rango dinámico. Se necesitan sensores de alta corriente para medir las corrientes más altas de los ejemplos de tracción y carga, mientras que se necesitan sensores de baja corriente para medir las corrientes de, por ejemplo, accesorios y cualquier estado de corriente cero. Dado que el sensor de baja corriente también "ve" la alta corriente, estos no pueden dañarlo ni corromperlo, excepto por la saturación. Esto calcula inmediatamente la corriente de derivación.
una solución
Una familia de sensores muy adecuada son los sensores de corriente de efecto Hall de bucle abierto. Estos dispositivos no se dañarán con corrientes elevadas y Raztec ha desarrollado una gama de sensores que pueden medir corrientes en el rango de miliamperios a través de un solo conductor. Es práctica una función de transferencia de 100 mV/AT, por lo que una corriente de 15 mA producirá 1,5 mV utilizables. Al utilizar el mejor material de núcleo disponible, también se puede lograr una remanencia muy baja en el rango de un solo miliamperio. A 100 mV/AT, la saturación se producirá por encima de 25 amperios. Por supuesto, la ganancia de programación más baja permite corrientes más altas.
Las corrientes altas se miden utilizando sensores de corriente alta convencionales. Cambiar de un sensor a otro requiere una lógica simple.
La nueva gama de sensores sin núcleo de Raztec es una excelente opción para sensores de alta corriente. Estos dispositivos ofrecen excelente linealidad, estabilidad e histéresis cero. Son fácilmente adaptables a una amplia gama de configuraciones mecánicas y rangos de corriente. Estos dispositivos se vuelven prácticos mediante el uso de una nueva generación de sensores de campo magnético con excelente rendimiento.
Ambos tipos de sensores siguen siendo beneficiosos para gestionar las relaciones señal-ruido con el muy alto rango dinámico de corrientes requerido.
Sin embargo, una precisión extrema sería redundante ya que la batería en sí no es un contador de culombios preciso. Un error del 5% entre carga y descarga es típico de baterías donde existen más inconsistencias. Teniendo esto en cuenta, se puede utilizar una técnica relativamente sencilla que utiliza un modelo de batería básico. El modelo puede incluir voltaje de terminal sin carga versus capacidad, voltaje de carga versus capacidad, resistencias de carga y descarga que pueden modificarse con capacidad y ciclos de carga/descarga. Es necesario establecer constantes de tiempo de voltaje medidas adecuadas para acomodar las constantes de tiempo de voltaje de agotamiento y recuperación.
Una ventaja importante de las baterías de litio de buena calidad es que pierden muy poca capacidad a altas velocidades de descarga. Este hecho simplifica los cálculos. También tienen una corriente de fuga muy baja. Las fugas del sistema pueden ser mayores.
Esta técnica permite estimar el estado de carga dentro de unos pocos puntos porcentuales de la capacidad restante real después de establecer los parámetros apropiados, sin necesidad de realizar un recuento de culombios. La batería se convierte en un contador de culombios.
Fuentes de error dentro del sensor actual
Como se mencionó anteriormente, el error de compensación es crítico para el recuento coulométrico y se deben tomar medidas dentro del monitor SOC para calibrar la compensación del sensor a cero en condiciones de corriente cero. Normalmente, esto sólo es posible durante la instalación de fábrica. Sin embargo, pueden existir sistemas que determinen la corriente cero y por lo tanto permitan la recalibración automática del offset. Esta es una situación ideal ya que se puede acomodar la deriva.
Desafortunadamente, todas las tecnologías de sensores producen una desviación de compensación térmica y los sensores actuales no son una excepción. Ahora podemos ver que ésta es una cualidad crítica. Mediante el uso de componentes de calidad y un diseño cuidadoso en Raztec, hemos desarrollado una gama de sensores de corriente térmicamente estables con un rango de deriva de <0,25 mA/K. Para un cambio de temperatura de 20 K, esto puede producir un error máximo de 5 mA.
Otra fuente común de error en los sensores de corriente que incorporan un circuito magnético es el error de histéresis causado por el magnetismo remanente. Suele ser de hasta 400 mA, lo que hace que estos sensores no sean adecuados para la monitorización de baterías. Al seleccionar el mejor material magnético, Raztec ha reducido esta calidad a 20 mA y este error de hecho se ha reducido con el tiempo. Si se requiere menos error, la desmagnetización es posible, pero añade una complejidad considerable.
Un error menor es la deriva de la calibración de la función de transferencia con la temperatura, pero para los sensores de masa este efecto es mucho menor que la deriva del rendimiento de la celda con la temperatura.
El mejor enfoque para la estimación del SOC es utilizar una combinación de técnicas como voltajes estables sin carga, voltajes de celda compensados por IXR, recuentos coulométricos y compensación de temperatura de los parámetros. Por ejemplo, los errores de integración a largo plazo se pueden ignorar estimando el SOC para voltajes de batería sin carga o con carga baja.
Hora de publicación: 09-ago-2022