تخمین حالت شارژ در باتری لیتیومی
تخمین حالت شارژ (SOC) باتری لیتیومی از لحاظ فنی مشکل است، به خصوص در کاربردهایی که به طور کامل باتری را شارژ نمی‌کنند یا آن را کاملا تخلیه نمی‌کنند. یک مثال از چنین کاربردی، یک خودروی الکتریکی هیبرید (HEV) است. این چالش ناشی از این حقیقت است که باتری‌های لیتیوم دارای مشخصه تخلیه ولتاژ بسیار تختی هستند. تغییر اندکی بین ولتاژ در حالت شارژ ۷۰% و ۲۰% وجود دارد. در واقع، تغییرات ولتاژ ناشی از تغییر دما مشابه تغییر ولتاژ ناشی از تخلیه است، که جبران دمای باتری را در صورتی که SOC از ولتاژ مشتق شود، ضروری می‌سازد.
شکل ۱: ویژگی های باتری لیتیومی
چالش دیگر این واقعیت است که ظرفیت باتری لیتیومی به جای SOC از ولتاژ ترمینال باتری، از روی ولتاژ ترمینال ضعیف‌ترین سلول باتری تعیین میشود. همه اینها در شروع به کمی سخت به نظر می‌رسند. پس چرا ما به سادگی میزان جریان کلی به سمت باتری هدایت میشود را محاسبه نمیکنیم و آن را با چیزی که از باتری خارج میشود متعادل نمیکنیم؟ به این روش شمارش کولمب (termed coulomb counting) گفته میشود و ساده به نظر می‌رسد اما در این روش هم مشکلاتی وجود دارد.
این مشکلات عبارتند از:
- باتری‌ها تجمیع کننده‌های کاملی نیستند. آنها هیچ وقت چیزی را که وارد میشود کامل پس نمی‌دهند. نشت جریان در طول شارژ وجود دارد و همچنین میزان نشت با دما، نرخ شارژ، حالت شارژ و سن باتری تغییر میکند.
- ظرفیت باتری نیز به صورت غیر خطی با نرخ تخلیه تغییر میکند. هرچه تخلیه سریع‌تر باشد، ظرفیت بیشتر کاهش می‌یابد. این کاهش ممکن است برای یک تخلیه ۰.۵ کولنی از ۵ کولن، فقط ۱۵% باشد.
- همچنین، سلول‌های باتری یک جریان نشتی دارند که به طور قابل‌ملاحظه‌ای در دماهای بالاتر افزایش می‌یابد.
- سلول‌های درونی در باتری ممکن است داغ‌تر از سلول‌های بیرونی کار کنند، بنابراین نشت سلولی در مناطق مختلف باتری نابرابر خواهد بود.
- ظرفیت نیز تابعی از دما است. برخی از انواع شیمیایی لیتیوم بیشتر از بقیه تحت‌تاثیر قرار می‌گیرند.
- برای جبران این نابرابری، متعادل‌سازی سلول باتری در داخل باتری به کار گرفته میشود. این جریان نشتی اضافی، خارج از باتری قابل‌اندازه‌گیری نیست.
- ظرفیت باتری همچنین به طور ثابت در طول عمر باتری و با زمان کاهش می‌یابد.
- هر گونه انحراف کوچک در اندازه‌گیری فعلی یکپارچه خواهد شد و در طول زمان می‌تواند به یک عدد بزرگ تبدیل شود که به طور جدی‌ای بر دقت SOC تاثیر می‌گذارد.
تمام نتایج بالا منجر به انحراف دقت در طول زمان میشود مگر اینکه تصحیحات دوره‌ای انجام شود، اما تنها زمانی می توان آن را اصلاح کرد که باتری تقریبا تخلیه شده‌باشد یا تقریبا پر باشد. در کاربردهای HEV بهتر است که باتری در حدود ۵۰% شارژ شود، بنابراین یک ابزار ممکن برای دقت اندازه‌گیری صحیح قابل‌اطمینان این است که به طور متناوب باتری را به طور کامل شارژ کنند. خودروهای الکتریکی خالص به صورت دوره‌ای به طور کامل یا نزدیک کامل شارژ می‌شوند بنابراین اندازه‌گیری براساس شمارش کولمب می‌تواند بسیار دقیق باشد به خصوص اگر سایر مسایل باتری جبران شود.
آردوینو (Arduino) – وبینار آشنایی با محتوای دوره
روش سنتی برای اندازه‌گیری جریان برای ما یک مدار شانت است اما این مدار زمانی که جریان خیلی بالا میرود (بالاتر از ۲۵۰ آمپر) از کار می‌افتد.
به دلیل مشکلات اتلاف توان، لازم است که شانت مقاومت پایینی داشته باشد. شانت های با مقاومت کم برای اندازه‌گیری جریان‌های کم (حدود mA50) مناسب نیستند. این بلافاصله مهم‌ترین مساله را مطرح میکند: حداقل و حداکثر جریان‌هایی که نیاز به اندازه‌گیری دارند چیست؟ این محدوده، محدوده دینامیکی نامیده میشود.
برای تخمین دقیق یک خطای یکپارچه قابل‌قبول با فرض یک باتری ۱۰۰Ahrی:
یک خطای ۴ آمپری، خطای ۱۰۰%ی را فقط در طول یک روز یا یک خطای ۰.۴ آمپری، خطای ۱۰%ی را در یک روز ایجاد میکند.
یک خطای ۴/۷ آمپری در یک هفته ۱۰۰% خطا ایجاد میکند یا یک خطای ۶۰ میلی آمپری در یک هفته ۱۰% خطا ایجاد میکند.
یک خطای ۴/۲۸ آمپری در یک ماه ۱۰۰% خطا ایجاد میکند یا ۱۵ میلی آمپر خطا ۱۰% خطا در یک ماه ایجاد میکند.
که احتمالا بهترین روش برای اندازه‌گیری است که با یک شارژ یا یک تخلیه تقریبا کامل جبران نمی‌شود.
حال بیایید به یک شنت برای اندازه‌گیری جریان نگاه کنیم. برای ۲۵۰َ آمپر، یک شنت ۱ میلی اهمی در سمت بالا قرار می‌گیرد و ۶۲.۵ وات تولید میکند. اما در ۱۵mA تنها ۱۵ میکروولت تولید میکند که در حاشیه نویز گم میشود. دامنه دینامیکی برابر ۱۷۰۰۰:۱ = ۲۵۰A/15mA است. اگر بخواهیم سیگنال را در میان نویز ببینیم، یک مبدل آنالوگ به دیجیتال ۱۴بیتی لازم خواهد بود. یک آفست قابل‌توجه باعث ایجاد ولتاژ تولیدی در ترموکوپل و تغییرات حلقه پایه میشود.
نتیجه گیری |تخمین حالت باتری لیتیومی
اساساً، هیچ حسگر واحدی برای اندازه‌گیری جریان‌ها با این محدوده دینامیکی عملی نخواهد بود. یک حسگر جریان بالا برای اندازه‌گیری جریان‌های بالاتر از جمله تخلیه و شارژ مورد نیاز است در حالی که یک حسگر جریان پایین برای اندازه‌گیری جریان از جمله لوازم جانبی و هر حالت جریان صفر مورد نیاز است. از آنجا که حسگر جریان پایین نیز جریان‌های بالا را “خواهد دید”، نباید توسط این ها تخریب یا آسیب ببیند و صرفاً باید اشباع شود. این موضوع فورا شانت ها را از رده خارج میکند.
