Die Schätzung des Ladezustands (SOC) einer Lithiumbatterie ist technisch schwierig, insbesondere bei Anwendungen, bei denen die Batterie nicht vollständig geladen oder vollständig entladen ist.Solche Anwendungen sind Hybrid-Elektrofahrzeuge (HEVs).Die Herausforderung ergibt sich aus den sehr flachen Spannungsentladungseigenschaften von Lithiumbatterien.Die Spannung ändert sich kaum von 70 % SOC auf 20 % SOC.Tatsächlich ähnelt die Spannungsschwankung aufgrund von Temperaturänderungen der Spannungsschwankung aufgrund der Entladung. Wenn also der Ladezustand aus der Spannung abgeleitet werden soll, muss die Zelltemperatur kompensiert werden.
Eine weitere Herausforderung besteht darin, dass die Batteriekapazität durch die Kapazität der Zelle mit der niedrigsten Kapazität bestimmt wird. Daher sollte der Ladezustand nicht anhand der Klemmenspannung der Zelle, sondern anhand der Klemmenspannung der schwächsten Zelle beurteilt werden.Das klingt alles etwas zu schwierig.Warum lassen wir also nicht einfach die gesamte Strommenge, die in die Zelle fließt, und gleichen sie mit der Strommenge aus, die aus der Zelle fließt?Dies wird als coulometrisches Zählen bezeichnet und hört sich recht einfach an, weist jedoch viele Schwierigkeiten bei dieser Methode auf.
Batteriensind keine perfekten Batterien.Sie geben nie zurück, was Sie hineingesteckt haben.Beim Laden entsteht ein Leckstrom, der je nach Temperatur, Laderate, Ladezustand und Alterung variiert.
Die Kapazität einer Batterie variiert auch nichtlinear mit der Entladerate.Je schneller die Entladung erfolgt, desto geringer ist die Kapazität.Von einer 0,5-C-Entladung bis zu einer 5-C-Entladung kann die Reduzierung bis zu 15 % betragen.
Batterien haben bei höheren Temperaturen einen deutlich höheren Leckstrom.Die internen Zellen einer Batterie können heißer werden als die externen Zellen, sodass die Zellenleckage durch die Batterie ungleichmäßig ist.
Die Kapazität ist auch eine Funktion der Temperatur.Einige Lithiumchemikalien sind stärker betroffen als andere.
Um diese Ungleichheit auszugleichen, wird innerhalb der Batterie ein Zellausgleich eingesetzt.Dieser zusätzliche Leckstrom ist außerhalb der Batterie nicht messbar.
Die Batteriekapazität nimmt über die Lebensdauer der Zelle und mit der Zeit stetig ab.
Jeder kleine Versatz in der aktuellen Messung wird integriert und kann im Laufe der Zeit eine große Zahl annehmen, was die Genauigkeit des SOC ernsthaft beeinträchtigt.
All dies führt im Laufe der Zeit zu einer Abweichung der Genauigkeit, sofern keine regelmäßige Kalibrierung durchgeführt wird. Dies ist jedoch nur möglich, wenn der Akku fast entladen oder fast voll ist.Bei HEV-Anwendungen ist es am besten, die Batterie bei etwa 50 % geladen zu halten. Daher besteht eine Möglichkeit zur zuverlässigen Korrektur der Messgenauigkeit darin, die Batterie regelmäßig vollständig aufzuladen.Reine Elektrofahrzeuge werden regelmäßig vollständig oder nahezu vollständig aufgeladen, sodass die auf coulometrischen Zählungen basierende Messung sehr genau sein kann, insbesondere wenn andere Batterieprobleme ausgeglichen werden.
Der Schlüssel zu einer guten Genauigkeit bei der coulometrischen Zählung ist eine gute Stromerkennung über einen großen Dynamikbereich.
Die traditionelle Methode zur Strommessung ist für uns ein Shunt, aber diese Methoden versagen, wenn höhere Ströme (250 A+) beteiligt sind.Aufgrund des Stromverbrauchs muss der Shunt niederohmig sein.Shunts mit niedrigem Widerstand eignen sich nicht für die Messung niedriger Ströme (50 mA).Damit stellt sich sofort die wichtigste Frage: Welche minimalen und maximalen Ströme müssen gemessen werden?Dies wird als Dynamikbereich bezeichnet.
Unter der Annahme einer Batteriekapazität von 100 Ah ist dies eine grobe Schätzung des akzeptablen Integrationsfehlers.
Ein 4-A-Fehler führt zu 100 % der Fehler an einem Tag, während ein 0,4-A-Fehler zu 10 % der Fehler an einem Tag führt.
Ein 4/7-A-Fehler führt zu 100 % der Fehler innerhalb einer Woche, während ein 60-mA-Fehler zu 10 % der Fehler innerhalb einer Woche führt.
Ein 4/28-A-Fehler führt zu einem 100-prozentigen Fehler in einem Monat oder ein 15-mA-Fehler zu einem 10-prozentigen Fehler in einem Monat. Dies ist wahrscheinlich die beste Messung, die ohne Neukalibrierung aufgrund eines Ladevorgangs oder einer nahezu vollständigen Entladung zu erwarten ist.
Schauen wir uns nun den Shunt an, der den Strom misst.Bei 250 A liegt ein 1-m-Ohm-Shunt auf der hohen Seite und erzeugt 62,5 W.Bei 15 mA werden jedoch nur 15 Mikrovolt erzeugt, die im Hintergrundrauschen verloren gehen.Der Dynamikbereich beträgt 250A/15mA = 17.000:1.Wenn ein 14-Bit-A/D-Wandler das Signal wirklich in Bezug auf Rauschen, Offset und Drift „erkennen“ kann, ist ein 14-Bit-A/D-Wandler erforderlich.Eine wichtige Ursache für den Offset ist der vom Thermoelement erzeugte Spannungs- und Erdschleifenoffset.
Grundsätzlich gibt es keinen Sensor, der Strom in diesem Dynamikbereich messen kann.Hochstromsensoren werden benötigt, um die höheren Ströme von Traktions- und Ladebeispielen zu messen, während Niederstromsensoren benötigt werden, um Ströme von beispielsweise Zubehörteilen und jedem Nullstromzustand zu messen.Da der Schwachstromsensor auch den Hochstrom „sieht“, kann er durch diesen nicht beschädigt oder verfälscht werden, mit Ausnahme der Sättigung.Dadurch wird sofort der Shunt-Strom berechnet.
Eine Lösung
Eine sehr geeignete Sensorfamilie sind Hall-Effekt-Stromsensoren mit offenem Regelkreis.Diese Geräte werden durch hohe Ströme nicht beschädigt und Raztec hat eine Sensorreihe entwickelt, die tatsächlich Ströme im Milliampere-Bereich durch einen einzigen Leiter messen kann.Eine Übertragungsfunktion von 100 mV/AT ist praktisch, sodass ein Strom von 15 mA nutzbare 1,5 mV erzeugt.Durch die Verwendung des besten verfügbaren Kernmaterials können auch sehr niedrige Remanenzwerte im Ein-Milliampere-Bereich erreicht werden.Bei 100 mV/AT kommt es oberhalb von 25 Ampere zu einer Sättigung.Die geringere Programmierverstärkung ermöglicht natürlich höhere Ströme.
Hohe Ströme werden mit herkömmlichen Hochstromsensoren gemessen.Der Wechsel von einem Sensor zum anderen erfordert eine einfache Logik.
Die neue Reihe kernloser Sensoren von Raztec ist eine ausgezeichnete Wahl für Hochstromsensoren.Diese Geräte bieten hervorragende Linearität, Stabilität und keine Hysterese.Sie lassen sich leicht an eine Vielzahl mechanischer Konfigurationen und Strombereiche anpassen.Diese Geräte werden durch den Einsatz einer neuen Generation von Magnetfeldsensoren mit hervorragender Leistung praktisch.
Beide Sensortypen bleiben für die Verwaltung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei dem erforderlichen sehr hohen Dynamikbereich der Ströme von Vorteil.
Eine extreme Genauigkeit wäre jedoch überflüssig, da die Batterie selbst kein genauer Coulomb-Zähler ist.Ein Fehler von 5 % zwischen Ladung und Entladung ist typisch für Batterien, bei denen weitere Inkonsistenzen bestehen.Vor diesem Hintergrund kann eine relativ einfache Technik unter Verwendung eines einfachen Batteriemodells verwendet werden.Das Modell kann Leerlaufklemmenspannung im Verhältnis zur Kapazität, Ladespannung im Verhältnis zur Kapazität, Entladung und Ladewiderstände umfassen, die je nach Kapazität und Lade-/Entladezyklen geändert werden können.Es müssen geeignete gemessene Spannungszeitkonstanten festgelegt werden, um den Zeitkonstanten der Erschöpfungs- und Erholungsspannung Rechnung zu tragen.
Ein wesentlicher Vorteil hochwertiger Lithiumbatterien besteht darin, dass sie bei hohen Entladeraten nur sehr wenig Kapazität verlieren.Diese Tatsache vereinfacht die Berechnungen.Außerdem haben sie einen sehr geringen Leckstrom.Die Systemleckage kann höher sein.
Diese Technik ermöglicht die Schätzung des Ladezustands innerhalb weniger Prozentpunkte der tatsächlich verbleibenden Kapazität nach Festlegung der entsprechenden Parameter, ohne dass eine Coulomb-Zählung erforderlich ist.Die Batterie wird zum Coulomb-Zähler.
Fehlerquellen innerhalb des Stromsensors
Wie oben erwähnt, ist der Offset-Fehler für die coulometrische Zählung von entscheidender Bedeutung und es sollte im SOC-Monitor Vorkehrungen getroffen werden, um den Sensor-Offset unter Nullstrombedingungen auf Null zu kalibrieren.Dies ist normalerweise nur bei der Werksinstallation möglich.Es kann jedoch Systeme geben, die den Nullstrom bestimmen und daher eine automatische Neukalibrierung des Offsets ermöglichen.Dies ist eine ideale Situation, da Drift berücksichtigt werden kann.
Leider erzeugen alle Sensortechnologien eine thermische Offsetdrift, und aktuelle Sensoren bilden da keine Ausnahme.Wir können jetzt sehen, dass dies eine entscheidende Eigenschaft ist.Durch die Verwendung hochwertiger Komponenten und sorgfältiges Design bei Raztec haben wir eine Reihe thermisch stabiler Stromsensoren mit einem Driftbereich von <0,25 mA/K entwickelt.Bei einer Temperaturänderung von 20 K kann dies zu einem maximalen Fehler von 5 mA führen.
Eine weitere häufige Fehlerquelle bei Stromsensoren mit Magnetkreis ist der Hysteresefehler, der durch remanenten Magnetismus verursacht wird.Diese liegt oft bei bis zu 400mA, was solche Sensoren für die Batterieüberwachung ungeeignet macht.Durch die Auswahl des besten magnetischen Materials hat Raztec diese Qualität auf 20 mA reduziert und dieser Fehler hat sich im Laufe der Zeit tatsächlich verringert.Wenn weniger Fehler erforderlich sind, ist eine Entmagnetisierung möglich, erhöht jedoch die Komplexität erheblich.
Ein kleinerer Fehler ist die Drift der Übertragungsfunktionskalibrierung mit der Temperatur, aber bei Massensensoren ist dieser Effekt viel kleiner als die Drift der Zellleistung mit der Temperatur.
Der beste Ansatz zur SOC-Schätzung besteht darin, eine Kombination von Techniken wie stabile Leerlaufspannungen, durch IXR kompensierte Zellspannungen, coulometrische Zählungen und Temperaturkompensation von Parametern zu verwenden.Beispielsweise können langfristige Integrationsfehler ignoriert werden, indem der SOC für Batteriespannungen im Leerlauf oder bei niedriger Last geschätzt wird.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 09.08.2022