L'estimation de l'état de charge (SOC) d'une batterie au lithium est techniquement difficile, en particulier dans les applications où la batterie n'est pas complètement chargée ou complètement déchargée.Ces applications sont les véhicules électriques hybrides (HEV).Le défi vient des caractéristiques de décharge de tension très plates des batteries au lithium.La tension passe à peine de 70% SOC à 20% SOC.En fait, la variation de tension due aux changements de température est similaire à la variation de tension due à la décharge, donc si le SOC doit être dérivé de la tension, la température de la cellule doit être compensée.
Un autre défi est que la capacité de la batterie est déterminée par la capacité de la cellule de plus faible capacité, de sorte que le SOC ne doit pas être jugé sur la base de la tension aux bornes de la cellule, mais sur la tension aux bornes de la cellule la plus faible.Tout cela semble un peu trop difficile.Alors pourquoi ne pas simplement conserver la quantité totale de courant circulant dans la cellule et l'équilibrer avec le courant qui en sort ?Ceci est connu sous le nom de comptage coulométrique et semble assez simple, mais cette méthode présente de nombreuses difficultés.
Batteriesne sont pas des batteries parfaites.Ils ne restituent jamais ce que vous y mettez.Il y a un courant de fuite pendant la charge, qui varie en fonction de la température, du taux de charge, de l'état de charge et du vieillissement.
La capacité d’une batterie varie également de manière non linéaire avec le taux de décharge.Plus la décharge est rapide, plus la capacité est faible.D'une décharge de 0,5C à une décharge de 5C, la réduction peut atteindre 15%.
Les batteries ont un courant de fuite nettement plus élevé à des températures plus élevées.Les cellules internes d’une batterie peuvent chauffer plus que les cellules externes, de sorte que les fuites des cellules à travers la batterie seront inégales.
La capacité est également fonction de la température.Certains produits chimiques à base de lithium sont plus touchés que d’autres.
Pour compenser cette inégalité, un équilibrage des cellules est utilisé au sein de la batterie.Ce courant de fuite supplémentaire n'est pas mesurable en dehors de la batterie.
La capacité de la batterie diminue régulièrement au cours de la durée de vie de la cellule et au fil du temps.
Tout petit décalage dans la mesure actuelle sera intégré et, avec le temps, pourra devenir un nombre important, affectant sérieusement la précision du SOC.
Tout ce qui précède entraînera une dérive de la précision au fil du temps, à moins qu'un étalonnage régulier ne soit effectué, mais cela n'est possible que lorsque la batterie est presque déchargée ou presque pleine.Dans les applications HEV, il est préférable de maintenir la batterie à environ 50 % de charge. Un moyen possible de corriger de manière fiable la précision du dosage consiste donc à charger périodiquement complètement la batterie.Les véhicules électriques purs sont régulièrement chargés à pleine charge ou presque, de sorte que les comptages basés sur des comptages coulométriques peuvent être très précis, surtout si d'autres problèmes de batterie sont compensés.
La clé d’une bonne précision du comptage coulométrique est une bonne détection du courant sur une large plage dynamique.
La méthode traditionnelle de mesure du courant est pour nous un shunt, mais ces méthodes échouent lorsque des courants plus élevés (250 A+) sont impliqués.En raison de la consommation électrique, le shunt doit avoir une faible résistance.Les shunts à faible résistance ne conviennent pas pour mesurer des courants faibles (50 mA).Cela soulève immédiatement la question la plus importante : quels sont les courants minimum et maximum à mesurer ?C'est ce qu'on appelle la plage dynamique.
En supposant une capacité de batterie de 100 Ah, une estimation approximative de l’erreur d’intégration acceptable.
Une erreur de 4 A produira 100 % des erreurs en une journée ou une erreur de 0,4 A produira 10 % des erreurs en une journée.
Une erreur de 4/7 A produira 100 % des erreurs en une semaine ou une erreur de 60 mA produira 10 % des erreurs en une semaine.
Une erreur de 4/28 A produira une erreur de 100 % en un mois ou une erreur de 15 mA produira une erreur de 10 % en un mois, ce qui est probablement la meilleure mesure à laquelle on puisse s'attendre sans réétalonnage dû à une charge ou une décharge presque complète.
Regardons maintenant le shunt qui mesure le courant.Pour 250 A, un shunt de 1 m ohm sera du côté élevé et produira 62,5 W.Cependant, à 15 mA, il ne produira que 15 microvolts, qui seront perdus dans le bruit de fond.La plage dynamique est de 250 A/15 mA = 17 000:1.Si un convertisseur A/D 14 bits peut vraiment « voir » le signal en termes de bruit, de décalage et de dérive, alors un convertisseur A/D 14 bits est requis.Une cause importante de décalage est le décalage de tension et de boucle de masse généré par le thermocouple.
Fondamentalement, aucun capteur ne peut mesurer le courant dans cette plage dynamique.Des capteurs de courant élevé sont nécessaires pour mesurer les courants les plus élevés provenant d'exemples de traction et de charge, tandis que des capteurs de courant faible sont nécessaires pour mesurer les courants provenant, par exemple, des accessoires et de tout état de courant nul.Puisque le capteur de courant faible « voit » également le courant élevé, il ne peut pas être endommagé ou corrompu par ceux-ci, sauf en cas de saturation.Celui-ci calcule immédiatement le courant shunt.
Une solution
Une famille de capteurs très appropriée est celle des capteurs de courant à effet Hall en boucle ouverte.Ces appareils ne seront pas endommagés par des courants élevés et Raztec a développé une gamme de capteurs capables de mesurer des courants de l'ordre du milliampère à travers un seul conducteur.une fonction de transfert de 100 mV/AT est pratique, donc un courant de 15 mA produira un 1,5 mV utilisable.en utilisant le meilleur matériau de base disponible, une très faible rémanence dans la plage d'un seul milliampère peut également être obtenue.À 100 mV/AT, la saturation se produira au-dessus de 25 ampères.Le gain de programmation inférieur permet bien sûr des courants plus élevés.
Les courants élevés sont mesurés à l'aide de capteurs de courant élevé conventionnels.Passer d’un capteur à un autre nécessite une logique simple.
La nouvelle gamme de capteurs sans noyau de Raztec constitue un excellent choix pour les capteurs de courant élevé.Ces dispositifs offrent une excellente linéarité, stabilité et hystérésis nulle.Ils s’adaptent facilement à une large gamme de configurations mécaniques et de plages de courant.Ces appareils sont rendus pratiques grâce à l’utilisation d’une nouvelle génération de capteurs de champ magnétique aux excellentes performances.
Les deux types de capteurs restent avantageux pour gérer les rapports signal/bruit avec la plage dynamique de courants très élevée requise.
Cependant, une précision extrême serait redondante car la batterie elle-même n’est pas un compteur coulomb précis.Une erreur de 5 % entre la charge et la décharge est typique pour les batteries où d'autres incohérences existent.Dans cette optique, une technique relativement simple utilisant un modèle de batterie de base peut être utilisée.Le modèle peut inclure la tension aux bornes à vide par rapport à la capacité, la tension de charge par rapport à la capacité, les résistances de décharge et de charge qui peuvent être modifiées en fonction de la capacité et des cycles de charge/décharge.Des constantes de temps de tension mesurées appropriées doivent être établies pour s'adapter aux constantes de temps de tension d'épuisement et de récupération.
Un avantage significatif des batteries au lithium de bonne qualité est qu’elles perdent très peu de capacité à des taux de décharge élevés.Ce fait simplifie les calculs.Ils ont également un courant de fuite très faible.Les fuites du système peuvent être plus élevées.
Cette technique permet d'estimer l'état de charge à quelques points de pourcentage près de la capacité restante réelle après avoir établi les paramètres appropriés, sans avoir recours à un comptage coulomb.La batterie devient un compteur coulomb.
Sources d'erreur dans le capteur de courant
Comme mentionné ci-dessus, l'erreur de décalage est critique pour le comptage coulométrique et des dispositions doivent être prises dans le moniteur SOC pour calibrer le décalage du capteur à zéro dans des conditions de courant nul.Ceci n'est normalement réalisable que lors de l'installation en usine.Cependant, il peut exister des systèmes qui déterminent un courant nul et permettent donc un recalibrage automatique du décalage.Il s’agit d’une situation idéale car la dérive peut être prise en compte.
Malheureusement, toutes les technologies de capteurs produisent une dérive thermique, et les capteurs de courant ne font pas exception.Nous pouvons maintenant voir qu'il s'agit d'une qualité essentielle.En utilisant des composants de qualité et une conception soignée chez Raztec, nous avons développé une gamme de capteurs de courant thermiquement stables avec une plage de dérive de <0,25 mA/K.Pour un changement de température de 20K, cela peut produire une erreur maximale de 5mA.
Une autre source d’erreur courante dans les capteurs de courant intégrant un circuit magnétique est l’erreur d’hystérésis provoquée par le magnétisme rémanent.Cela atteint souvent 400 mA, ce qui rend ces capteurs inadaptés à la surveillance des batteries.En sélectionnant le meilleur matériau magnétique, Raztec a réduit cette qualité à 20 mA et cette erreur s'est effectivement réduite au fil du temps.Si moins d'erreurs sont requises, la démagnétisation est possible, mais ajoute une complexité considérable.
Une erreur plus petite est la dérive de l'étalonnage de la fonction de transfert avec la température, mais pour les capteurs de masse, cet effet est beaucoup plus faible que la dérive des performances de la cellule avec la température.
La meilleure approche pour l'estimation du SOC consiste à utiliser une combinaison de techniques telles que des tensions stables à vide, des tensions de cellules compensées par IXR, des comptages coulométriques et une compensation de température des paramètres.Par exemple, les erreurs d'intégration à long terme peuvent être ignorées en estimant le SOC pour les tensions de batterie à vide ou à faible charge.
Heure de publication : 09 août 2022