Introducción a los medidores de batería

Introducción a los medidores de batería

1.1 Introducción a las funciones del contador de electricidad.

La gestión de la batería puede considerarse parte de la gestión de la energía. En la gestión de baterías, el contador de electricidad es responsable de estimar la capacidad de la batería. Su función básica es monitorear el voltaje, la corriente de carga/descarga y la temperatura de la batería, y estimar el estado de carga (SOC) y la capacidad de carga total (FCC) de la batería. Existen dos métodos típicos para estimar el estado de carga de una batería: el método de voltaje de circuito abierto (OCV) y el método de medición Coulombic. Otro método es el algoritmo de voltaje dinámico diseñado por RICHTEK.

1.2 Método de voltaje de circuito abierto

El método de implementación de utilizar un método de voltaje de circuito abierto para un medidor de electricidad es relativamente fácil y se puede obtener verificando el estado de carga correspondiente del voltaje de circuito abierto. La condición asumida para el voltaje de circuito abierto es el voltaje del terminal de la batería cuando la batería está en reposo durante aproximadamente 30 minutos.

La curva de voltaje de la batería varía según la carga, la temperatura y el envejecimiento de la batería. Por lo tanto, un voltímetro de circuito abierto fijo no puede representar completamente el estado de carga; No es posible estimar el estado de carga consultando únicamente tablas. En otras palabras, si el estado de carga se estima únicamente consultando una tabla, el error será significativo.

La siguiente figura muestra que bajo el mismo voltaje de batería, existe una diferencia significativa en el estado de carga obtenido mediante el método de voltaje de circuito abierto.

        Figura 5. Voltaje de la batería en condiciones de carga y descarga.

Como se muestra en la figura siguiente, también existe una diferencia significativa en el estado de carga bajo diferentes cargas durante la descarga. Básicamente, el método de voltaje de circuito abierto solo es adecuado para sistemas con requisitos de baja precisión para el estado de carga, como automóviles que usan baterías de plomo-ácido o sistemas de alimentación ininterrumpida.

            Figura 2. Voltaje de la batería bajo diferentes cargas durante la descarga.

1.3 metrología coulombiana

El principio de funcionamiento de la metrología de Coulomb es conectar una resistencia de detección en la ruta de carga/descarga de la batería. ADC mide el voltaje en la resistencia de detección y lo convierte en el valor actual de la batería que se está cargando o descargando. El contador de tiempo real (RTC) proporciona integración del valor actual con el tiempo para determinar cuántos culombios están fluyendo.

               Figura 3. Modo de trabajo básico del método de medición de Coulomb

La metrología coulómbica puede calcular con precisión el estado de carga en tiempo real durante el proceso de carga o descarga. Al utilizar un contador de Coulomb de carga y un contador de Coulomb de descarga, puede calcular la capacidad eléctrica restante (RM) y la capacidad de carga total (FCC). Al mismo tiempo, la capacidad de carga restante (RM) y la capacidad de carga completa (FCC) también se pueden utilizar para calcular el estado de carga, es decir, (SOC=RM/FCC). Además, también puede estimar el tiempo restante, como el agotamiento de energía (TTE) y la recarga de energía (TTF).

                    Figura 4. Fórmula de cálculo para la metrología de Coulomb

Hay dos factores principales que causan la desviación de precisión de la metrología de Coulomb. El primero es la acumulación de errores de compensación en la detección de corriente y la medición del ADC. Aunque el error de medición es relativamente pequeño con la tecnología actual, sin un buen método para eliminarlo, este error aumentará con el tiempo. La siguiente figura muestra que en aplicaciones prácticas, si no hay corrección en el tiempo, el error acumulado es ilimitado.

              Figura 5. Error acumulado del método de medición de Coulomb

Para eliminar errores acumulativos, hay tres puntos de tiempo posibles que se pueden utilizar durante el funcionamiento normal de la batería: Fin de carga (EOC), Fin de descarga (EOD) y Descanso (Relax). Cuando se cumple la condición de fin de carga, indica que la batería está completamente cargada y el estado de carga (SOC) debe ser del 100 %. La condición de fin de descarga indica que la batería se ha descargado completamente y el estado de carga (SOC) debe ser 0%; Puede ser un valor de voltaje absoluto o puede variar con la carga. Al llegar a un estado de reposo, la batería no se carga ni se descarga, y permanece en este estado durante un largo periodo de tiempo. Si el usuario desea utilizar el estado de reposo de la batería para corregir el error del método coulométrico, se debe utilizar un voltímetro de circuito abierto en este momento. La siguiente figura muestra que el error de estado de carga se puede corregir en los estados anteriores.

            Figura 6. Condiciones para eliminar errores acumulados en metrología coulombiana

El segundo factor principal que causa la desviación de precisión de la metrología de Coulomb es el error de capacidad de carga completa (FCC), que es la diferencia entre la capacidad diseñada de la batería y la capacidad de carga completa real de la batería. La capacidad de carga completa (FCC) está influenciada por factores como la temperatura, el envejecimiento y la carga. Por lo tanto, los métodos de reaprendizaje y compensación para la capacidad completamente cargada son cruciales para la metrología Coulombic. La siguiente figura muestra el fenómeno de tendencia del error de estado de carga cuando se sobreestima o subestima la capacidad completamente cargada.

             Figura 7: Tendencia del error cuando se sobreestima y subestima la capacidad completamente cargada

1.4 Medidor de electricidad con algoritmo de voltaje dinámico

El algoritmo de voltaje dinámico puede calcular el estado de carga de una batería de litio basándose únicamente en el voltaje de la batería. Este método estima el incremento o disminución del estado de carga en función de la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje del circuito abierto de la batería. La información de voltaje dinámico puede simular efectivamente el comportamiento de las baterías de litio y determinar el estado de carga (SOC) (%), pero este método no puede estimar el valor de la capacidad de la batería (mAh).

Su método de cálculo se basa en la diferencia dinámica entre el voltaje de la batería y el voltaje del circuito abierto, y estima el estado de carga mediante el uso de algoritmos iterativos para calcular cada aumento o disminución del estado de carga. En comparación con la solución de los medidores de electricidad del método de Coulomb, los medidores de electricidad con algoritmo de voltaje dinámico no acumulan errores con el tiempo y la corriente. Los medidores coulombicos a menudo tienen una estimación inexacta del estado de carga debido a errores de detección de corriente y a la autodescarga de la batería. Incluso si el error de detección actual es muy pequeño, el contador de Coulomb seguirá acumulando errores, que sólo podrán eliminarse después de una carga o descarga completa.

El algoritmo de voltaje dinámico se utiliza para estimar el estado de carga de una batería basándose únicamente en información de voltaje; Debido a que no se estima en función de la información actual de la batería, no hay acumulación de errores. Para mejorar la precisión del estado de carga, el algoritmo de voltaje dinámico necesita utilizar un dispositivo real para ajustar los parámetros de un algoritmo optimizado basado en la curva de voltaje real de la batería en condiciones de carga y descarga completas.

     Figura 8. Rendimiento del algoritmo de voltaje dinámico para medidor de electricidad y optimización de ganancia

El siguiente es el rendimiento del algoritmo de voltaje dinámico bajo diferentes condiciones de tasa de descarga en términos de estado de carga. Como se muestra en la figura, la precisión del estado de carga es buena. Independientemente de las condiciones de descarga de C/2, C/4, C/7 y C/10, el error general del estado de carga de este método es inferior al 3 %.

      Figura 9. Desempeño del estado de carga del algoritmo de voltaje dinámico bajo diferentes condiciones de tasa de descarga

La siguiente figura muestra el estado de carga de la batería en condiciones de carga y descarga breves. El error del estado de carga es todavía muy pequeño y el error máximo es sólo del 3%.

       Figura 10. Desempeño del Estado de Carga del Algoritmo de Voltaje Dinámico en el Caso de Carga Corta y Descarga Corta de Baterías

En comparación con el método de medición de Coulomb, que generalmente da como resultado un estado de carga inexacto debido a errores de detección de corriente y autodescarga de la batería, el algoritmo de voltaje dinámico no acumula errores con el tiempo y la corriente, lo cual es una gran ventaja. Debido a la falta de información sobre las corrientes de carga/descarga, el algoritmo de voltaje dinámico tiene una precisión deficiente a corto plazo y un tiempo de respuesta lento. Además, no puede estimar la capacidad de carga total. Sin embargo, funciona bien en términos de precisión a largo plazo, ya que el voltaje de la batería refleja directamente su estado de carga.