Sissejuhatus akumõõturitesse

Sissejuhatus akumõõturitesse

1.1 Elektriarvesti funktsioonide tutvustus

Akuhaldust võib pidada toitehalduse osaks. Akuhalduses vastutab aku mahutavuse hindamise eest elektriarvesti. Selle põhifunktsioon on jälgida pinget, laadimis-/tühjendusvoolu ja aku temperatuuri ning hinnata aku laadimisolekut (SOC) ja täislaadimisvõimsust (FCC). Aku laetuse taseme hindamiseks on kaks tüüpilist meetodit: avatud vooluahela pinge meetod (OCV) ja kulonilise mõõtmise meetod. Teine meetod on RICHTEKi välja töötatud dünaamilise pinge algoritm.

1.2 Avatud vooluahela pinge meetod

Elektriarvesti avatud ahela pinge meetodi rakendamine on suhteliselt lihtne ja selle saab kontrollida avatud ahela pinge vastavat laenguolekut. Avatud vooluahela pinge oletatav tingimus on aku klemmi pinge, kui aku on umbes 30 minutit puhkab.

Aku pingekõver varieerub sõltuvalt koormusest, temperatuurist ja aku vananemisest. Seetõttu ei saa fikseeritud avatud vooluahela Voltmeeter täielikult esitada laetuse olekut; Ainuüksi tabeleid otsides pole laetuse taset võimalik hinnata. Teisisõnu, kui laetuse taset hinnatakse ainult tabelit otsides, on viga märkimisväärne.

Järgmisel joonisel on näha, et sama akupinge korral on avatud vooluahela pinge meetodil saadud laetuse olekus oluline erinevus.

        Joonis 5. Aku pinge laadimise ja tühjenemise tingimustes

Nagu on näidatud alloleval joonisel, on tühjenemise ajal erinevatel koormustel oluline erinevus ka laetuse olekus. Põhimõtteliselt sobib avatud ahela pinge meetod ainult süsteemide jaoks, mille laadimisoleku täpsusnõuded on madalad, näiteks pliiakusid või katkematuid toiteallikaid kasutavad autod.

            Joonis 2. Aku pinge erinevatel koormustel tühjenemise ajal

1.3 Kulonmetroloogia

Coulombi metroloogia tööpõhimõte on tuvastustakisti ühendamine aku laadimise/tühjenemise teel. ADC mõõdab tuvastustakisti pinget ja teisendab selle laetava või tühjeneva aku praeguseks väärtuseks. Reaalajaloendur (RTC) integreerib praeguse väärtuse ajaga, et määrata, mitu kulonit voolab.

               Joonis 3. Coulombi mõõtmismeetodi põhitöörežiim

Kulonmetroloogia suudab laadimis- või tühjendusprotsessi ajal reaalajas laadimisolekut täpselt arvutada. Laadimise Coulombi loenduri ja tühjenemise Coulombi loenduri abil saab see arvutada järelejäänud elektrivõimsuse (RM) ja täislaadimisvõimsuse (FCC). Samas saab laetuse oleku ehk (SOC=RM/FCC) arvutamiseks kasutada ka järelejäänud laadimisvõimsust (RM) ja täislaadimisvõimsust (FCC). Lisaks saab see hinnata ka järelejäänud aega, näiteks võimsuse ammendumist (TTE) ja toite taaslaadimist (TTF).

                    Joonis 4. Coulombi metroloogia arvutusvalem

Coulombi metroloogia täpsuse kõrvalekaldeid põhjustavad kaks peamist tegurit. Esimene on nihkevigade kogunemine voolu tuvastamisel ja ADC mõõtmisel. Kuigi mõõtmisviga on praeguse tehnoloogia juures suhteliselt väike, siis ilma hea meetodita selle kõrvaldamiseks see viga aja jooksul suureneb. Järgmisel joonisel on näha, et praktilistes rakendustes, kui aja kestust ei korrigeerita, on akumuleeritud viga piiramatu.

              Joonis 5. Coulombi mõõtmismeetodi akumuleeritud viga

Kumulatiivsete vigade kõrvaldamiseks on kolm võimalikku ajahetke, mida saab aku normaalse töötamise ajal kasutada: laadimise lõpp (EOC), tühjenemise lõpp (EOD) ja puhkeaeg (puhake). Kui laadimise lõpetamise tingimus on täidetud, näitab see, et aku on täielikult laetud ja laadimise olek (SOC) peaks olema 100%. Tühjenemise lõpu seisund näitab, et aku on täielikult tühjenenud ja laadimisseisund (SOC) peaks olema 0%; See võib olla absoluutne pinge väärtus või see võib muutuda sõltuvalt koormusest. Puhkeolekusse jõudes aku ei lae ega tühjene ning jääb sellesse olekusse pikaks ajaks. Kui kasutaja soovib kulomeetrilise meetodi vea parandamiseks kasutada aku puhkeolekut, tuleb seekord kasutada avatud vooluahela voltmeetrit. Järgmisel joonisel on näha, et laadimisoleku viga saab ülaltoodud olekutes parandada.

            Joonis 6. Tingimused akumuleeritud vigade kõrvaldamiseks kulonilises metroloogias

Teine peamine tegur, mis põhjustab Coulombi metroloogia täpsuse hälvet, on Full Charge Capacity (FCC) viga, mis on erinevus aku kavandatud võimsuse ja aku tegeliku täislaadimisvõimsuse vahel. Täielikult laetud võimsust (FCC) mõjutavad sellised tegurid nagu temperatuur, vananemine ja koormus. Seetõttu on täielikult laetud võimsuse ümberõppimise ja kompenseerimise meetodid Coulombic metroloogia jaoks üliolulised. Järgmisel joonisel on kujutatud laetuse oleku vea trendi nähtus, kui täielikult laetud võimsus on üle- ja alahinnatud.

             Joonis 7: Vea trend, kui täielikult laetud võimsus on üle- ja alahinnatud

1.4 Dünaamilise pinge algoritmi elektriarvesti

Dünaamilise pinge algoritm suudab arvutada liitiumaku laetuse oleku ainult aku pinge põhjal. See meetod hindab aku pinge ja aku avatud vooluahela pinge erinevuse alusel laetuse oleku suurenemist või vähenemist. Dünaamiline pingeteave võib tõhusalt simuleerida liitiumakude käitumist ja määrata laadimisolekut (SOC) (%), kuid see meetod ei saa hinnata aku mahu väärtust (mAh).

Selle arvutusmeetod põhineb dünaamilisel erinevusel aku pinge ja avatud vooluahela pinge vahel ning hindab laadimisolekut iteratiivsete algoritmide abil, et arvutada iga laadimisoleku suurenemine või vähenemine. Võrreldes Coulombi meetodi elektriarvestite lahendusega ei kogune dünaamilise pinge algoritmiga elektriarvestid ajas ja voolus vigu. Kulonmõõturitel on sageli ebatäpsed hinnangud laetuse oleku kohta vooluanduri vigade ja aku isetühjenemise tõttu. Isegi kui praegune tuvastusviga on väga väike, kogub Coulombi loendur jätkuvalt vigu, mida saab kõrvaldada alles pärast täielikku laadimist või tühjenemist.

Dünaamilise pinge algoritmi kasutatakse aku laetuse taseme hindamiseks ainult pingeteabe põhjal; Kuna seda ei hinnata aku praeguse teabe põhjal, siis vigu ei kuhju. Laadimisoleku täpsuse parandamiseks peab dünaamilise pinge algoritm kasutama tegelikku seadet, et kohandada optimeeritud algoritmi parameetreid, mis põhinevad aku tegelikul pingekõveral täielikult laetud ja täielikult tühjenenud tingimustes.

     Joonis 8. Elektriarvesti ja võimenduse optimeerimise dünaamilise pinge algoritmi jõudlus

Järgnevalt on toodud dünaamilise pinge algoritmi toimimine erinevatel tühjenemiskiiruse tingimustel laenguseisundis. Nagu jooniselt näha, on selle laadimistäpsus hea. Olenemata tühjendustingimustest C/2, C/4, C/7 ja C/10 on selle meetodi üldine laadimisviga väiksem kui 3%.

      Joonis 9. Dünaamilise pinge algoritmi laadimisseisundi toimimine erinevate tühjenemiskiiruse tingimustes

Järgmisel joonisel on näidatud aku laetuse olek lühikese laadimise ja tühjenemise tingimustes. Laadimisoleku viga on endiselt väga väike ja maksimaalne viga on vaid 3%.

       Joonis 10. Dünaamilise pinge algoritmi laadimisseisundi toimimine akude lühi- ja tühjenemise korral

Võrreldes Coulombi mõõtmismeetodiga, mille tulemuseks on tavaliselt ebatäpne laetuse olek vooluanduri vigade ja aku isetühjenemise tõttu, ei kogune dünaamilise pinge algoritm aja ja vooluga vigu, mis on suur eelis. Laadimis-/tühjenemisvoolude kohta teabe puudumise tõttu on dünaamilise pinge algoritmi lühiajaline täpsus ja aeglane reaktsiooniaeg. Lisaks ei saa see hinnata kogu laadimisvõimsust. Siiski toimib see pikaajalise täpsuse osas hästi, kuna aku pinge peegeldab lõppkokkuvõttes otseselt selle laetuse taset.