Giới thiệu về Đồng hồ đo pin

Giới thiệu về Đồng hồ đo pin

1.1 Giới thiệu chức năng của đồng hồ đo điện

Quản lý pin có thể được coi là một phần của quản lý năng lượng. Trong quản lý ắc quy, đồng hồ đo điện có nhiệm vụ ước tính dung lượng ắc quy. Chức năng cơ bản của nó là theo dõi điện áp, dòng sạc/xả, nhiệt độ pin, đồng thời ước tính trạng thái sạc (SOC) và dung lượng sạc đầy (FCC) của pin. Có hai phương pháp điển hình để ước tính trạng thái sạc của pin: phương pháp điện áp mạch hở (OCV) và phương pháp đo Coulombic. Một phương pháp khác là thuật toán điện áp động do RICHTEK thiết kế.

1.2 Phương pháp điện áp hở mạch

Phương pháp thực hiện sử dụng phương pháp điện áp mạch hở cho đồng hồ đo điện tương đối dễ dàng và có thể đạt được bằng cách kiểm tra trạng thái tích điện tương ứng của điện áp mạch hở. Điều kiện giả định đối với điện áp mạch hở là điện áp đầu cực của ắc quy khi ắc quy ở trạng thái nghỉ trong khoảng 30 phút.

Đường cong điện áp của pin thay đổi tùy thuộc vào tải, nhiệt độ và độ lão hóa của pin. Do đó, Vôn kế hở mạch cố định không thể biểu thị đầy đủ trạng thái tích điện; Không thể ước tính trạng thái điện tích chỉ bằng cách tra cứu bảng. Nói cách khác, nếu trạng thái điện tích chỉ được ước tính bằng cách tra cứu bảng thì sai số sẽ rất đáng kể.

Hình dưới đây cho thấy trong cùng một điện áp pin, có sự khác biệt đáng kể về trạng thái sạc thu được thông qua phương pháp điện áp mạch hở.

        Hình 5. Điện áp pin trong điều kiện sạc và xả

Như thể hiện trong hình bên dưới, cũng có sự khác biệt đáng kể về trạng thái tích điện dưới các tải khác nhau trong quá trình phóng điện. Vì vậy, về cơ bản, phương pháp điện áp mạch hở chỉ phù hợp với các hệ thống có yêu cầu độ chính xác thấp về trạng thái sạc, chẳng hạn như ô tô sử dụng ắc quy axit chì hoặc nguồn điện liên tục.

            Hình 2. Điện áp pin dưới các tải khác nhau trong quá trình xả

1.3 Đo lường Coulomb

Nguyên lý hoạt động của phép đo Coulomb là kết nối một điện trở phát hiện trên đường sạc/xả của pin. ADC đo điện áp trên điện trở phát hiện và chuyển đổi nó thành giá trị hiện tại của pin đang được sạc hoặc xả. Bộ đếm thời gian thực (RTC) cung cấp sự tích hợp giá trị hiện tại với thời gian để xác định số lượng Coulomb đang chảy.

               Hình 3. Chế độ làm việc cơ bản của phương pháp đo Coulomb

Đo lường Coulombic có thể tính toán chính xác trạng thái sạc theo thời gian thực trong quá trình sạc hoặc xả. Bằng cách sử dụng bộ đếm Coulomb sạc và bộ đếm Coulomb xả, nó có thể tính toán công suất điện còn lại (RM) và công suất sạc đầy (FCC). Đồng thời, dung lượng sạc còn lại (RM) và dung lượng sạc đầy (FCC) cũng có thể được sử dụng để tính toán trạng thái sạc, tức là (SOC=RM/FCC). Ngoài ra, nó còn có thể ước tính thời gian còn lại như cạn kiệt nguồn điện (TTE) và sạc lại nguồn điện (TTF).

                    Hình 4. Công thức tính toán đo lường Coulomb

Có hai yếu tố chính gây ra độ lệch chính xác của phép đo Coulomb. Đầu tiên là sự tích tụ các lỗi bù trong cảm biến dòng điện và đo ADC. Mặc dù sai số đo tương đối nhỏ với công nghệ hiện tại nhưng nếu không có phương pháp tốt để loại bỏ thì sai số này sẽ tăng theo thời gian. Hình dưới đây cho thấy trong các ứng dụng thực tế, nếu không có sự hiệu chỉnh theo thời gian thì sai số tích lũy là không giới hạn.

              Hình 5. Sai số tích lũy của phương pháp đo Coulomb

Để loại bỏ các lỗi tích lũy, có thể sử dụng ba điểm thời gian trong quá trình hoạt động bình thường của pin: Kết thúc sạc (EOC), Kết thúc xả điện (EOD) và Nghỉ ngơi (Thư giãn). Khi đáp ứng điều kiện kết thúc sạc, điều đó cho biết pin đã được sạc đầy và Trạng thái sạc (SOC) phải là 100%. Tình trạng cuối xả cho biết pin đã xả hết và Trạng thái sạc (SOC) phải là 0%; Nó có thể là giá trị điện áp tuyệt đối hoặc có thể thay đổi theo tải. Khi đạt đến trạng thái nghỉ, pin không được sạc cũng không xả và duy trì ở trạng thái này trong một thời gian dài. Nếu người dùng muốn sử dụng trạng thái nghỉ của pin để sửa lỗi của phương pháp đo điện lượng thì phải sử dụng Vôn kế mạch hở tại thời điểm này. Hình dưới đây cho thấy trạng thái lỗi sạc có thể được sửa chữa ở các trạng thái trên.

            Hình 6. Các điều kiện để loại bỏ sai số tích lũy trong đo lường Coulombic

Yếu tố chính thứ hai gây ra sai lệch độ chính xác của phép đo Coulomb là lỗi Full Charge Dung lượng (FCC), là sự chênh lệch giữa dung lượng thiết kế của pin và dung lượng sạc đầy thực sự của pin. Công suất sạc đầy (FCC) bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như nhiệt độ, lão hóa và tải. Do đó, các phương pháp học lại và bù cho công suất được sạc đầy là rất quan trọng đối với phép đo Coulombic. Hình dưới đây cho thấy xu hướng hiện tượng lỗi trạng thái sạc khi dung lượng sạc đầy được đánh giá quá cao và quá thấp.

             Hình 7: Xu hướng lỗi khi công suất sạc đầy được đánh giá quá cao và đánh giá thấp

1.4 Công tơ điện thuật toán điện áp động

Thuật toán điện áp động có thể tính toán trạng thái sạc của pin lithium chỉ dựa trên điện áp của pin. Phương pháp này ước tính mức tăng hoặc giảm của trạng thái sạc dựa trên sự chênh lệch giữa điện áp pin và điện áp mạch hở của pin. Thông tin điện áp động có thể mô phỏng hiệu quả hoạt động của pin lithium và xác định trạng thái sạc (SOC) (%), nhưng phương pháp này không thể ước tính giá trị dung lượng pin (mAh).

Phương pháp tính toán của nó dựa trên sự chênh lệch động giữa điện áp pin và điện áp mạch hở và ước tính trạng thái sạc bằng cách sử dụng các thuật toán lặp để tính toán từng lần tăng hoặc giảm trạng thái sạc. So với giải pháp công tơ điện phương pháp Coulomb, công tơ điện thuật toán điện áp động không tích lũy sai số theo thời gian và dòng điện. Đồng hồ đo Coulomb thường có ước tính không chính xác về trạng thái sạc do lỗi cảm biến dòng điện và khả năng tự xả của pin. Ngay cả khi sai số cảm biến dòng điện rất nhỏ, bộ đếm Coulomb sẽ tiếp tục tích lũy các sai số và chỉ có thể loại bỏ sai số này sau khi sạc hoặc xả hoàn toàn.

Thuật toán điện áp động được sử dụng để ước tính trạng thái sạc của pin chỉ dựa trên thông tin điện áp; Bởi vì nó không được ước tính dựa trên thông tin hiện tại của pin nên không có lỗi tích lũy. Để cải thiện độ chính xác của trạng thái sạc, thuật toán điện áp động cần sử dụng một thiết bị thực tế để điều chỉnh các thông số của thuật toán tối ưu hóa dựa trên đường cong điện áp pin thực tế trong điều kiện sạc đầy và xả hoàn toàn.

     Hình 8. Hiệu suất của thuật toán điện áp động cho đồng hồ đo điện và tối ưu hóa độ lợi

Sau đây là hiệu suất của thuật toán điện áp động trong các điều kiện tốc độ phóng điện khác nhau về trạng thái tích điện. Như thể hiện trong hình, trạng thái sạc chính xác của nó là tốt. Bất kể các điều kiện phóng điện của C/2, C/4, C/7 và C/10, trạng thái sai số tổng thể của phương pháp này đều nhỏ hơn 3%.

      Hình 9. Hiệu suất trạng thái sạc của thuật toán điện áp động trong các điều kiện tốc độ phóng điện khác nhau

Hình dưới đây cho thấy trạng thái sạc của pin trong điều kiện sạc ngắn và xả ngắn. Sai số của trạng thái sạc vẫn rất nhỏ, sai số tối đa chỉ là 3%.

       Hình 10. Hiệu suất trạng thái sạc của thuật toán điện áp động trong trường hợp sạc ngắn và xả pin ngắn

So với phương pháp đo Coulomb thường dẫn đến trạng thái sạc không chính xác do lỗi cảm biến dòng điện và khả năng tự phóng điện của pin, thuật toán điện áp động không tích lũy lỗi theo thời gian và dòng điện, đây là một lợi thế lớn. Do thiếu thông tin về dòng sạc/xả, thuật toán điện áp động có độ chính xác ngắn hạn kém và thời gian phản hồi chậm. Hơn nữa, nó không thể ước tính được khả năng sạc đầy. Tuy nhiên, nó hoạt động tốt về độ chính xác lâu dài vì điện áp pin cuối cùng phản ánh trực tiếp trạng thái sạc của nó.