Многие воспринимают батарею как накопитель энергии, похожий на топливный бак, подающий жидкое топливо. Для простоты аккумулятор можно рассматривать как таковой; однако измерение запасенной энергии электрохимического устройства намного сложнее. Этот процесс чреват путаницей, плохо изучен, и в этой статье описываются проблемы измерения энергии от батареи.

Прежде чем углубиться в концепцию датчика уровня топлива, мы предполагаем, что состояние заряда (SoC) - это относительная запасенная энергия в аккумуляторе, которая может быть высвобождена в преобладающих условиях. Преобладающие условия в основном неизвестны пользователю аккумулятора, и, помимо SoC, они включают фактическую емкость аккумулятора, токи нагрузки и рабочую температуру. Состояние функции (SoF), всеобъемлющий критерий, который включает SoC, емкость и доставку, трудно измерить и остается в основном предположениями. Учитывая эти ограничения, можно понять, почему большинство датчиков уровня заряда батареи неточны.

В отличие от топливного бака с известными объемными размерами, указатель уровня заряда батареи имеет неподтвержденные определения. За исключением напряжения холостого хода (OCV), которое только приблизительно соответствует SoC, батарея не имеет фундаментальных внутренних параметров, связанных с SoC. Номинал Ач, указанный производителем, действует только на короткое время при новой батарее. По сути, батарея представляет собой сжимающийся сосуд, который потребляет меньше энергии при каждой последующей зарядке, и заявленный Ач-рейтинг является лишь справкой о том, что батарея должна удерживать. Батарея сама по себе не является энергетическим контейнером, который гарантирует определенное количество энергии при любых условиях, но демонстрирует человеческое качество, доставляя его в преобладающих ситуациях.  

Распространенной ошибкой в ​​конструкции указателя уровня топлива является игнорирование аспекта старения, предполагая, что батарея будет оставаться идеальной. Такой надзор ограничит обслуживание примерно двумя годами, прежде чем показания станут неточными. Масштабирование большинства датчиков уровня топлива аналогично измерению жидкого топлива: полный заряд показывает 100%, а пустой - ноль процентов. Ноль - это точка, когда батарея достигает предела низкого напряжения в конце разряда.

Разрядка батареи номиналом 1 Ач должна обеспечивать ток 1 А в течение одного часа. Это верно только в том случае, если батарея новая и разряжается при комнатной температуре. Если емкость уменьшится до 50%, указатель уровня заряда полностью заряженной батареи все равно будет показывать 100%, но ожидаемое время работы в час сокращается до 30 минут. Работа батареи при температуре ниже нуля сокращает время еще больше. Для обычного пользователя мобильного телефона или ноутбука эта ошибка вызывает только неудобства; однако проблема становится более очевидной с электромобилями и другими важными устройствами с батарейным питанием, которые зависят от оставшегося времени работы, чтобы добраться до места назначения.

Современные указатели уровня топлива адаптируются к преобладающим условиям, «узнавая», сколько энергии аккумулятор смог выдать во время предыдущего разряда. Изучение или изучение тенденций также может включать время зарядки, потому что выцветший аккумулятор заряжается быстрее, чем хороший. Также принято измерять внутреннее сопротивление батареи, наблюдая за падением напряжения; однако оценка емкости, основанная на повышении сопротивления, больше не работает, потому что современные литий-ионные аккумуляторы поддерживают низкое сопротивление на протяжении большей части срока службы.

Емкость лучше всего измерять, разрядив полностью заряженную батарею постоянным током и считывая прошедшее время. Большинство аккумуляторных батарей для портативного использования рассчитаны на разряд 1С. Таким образом, батарея с номиналом 1 Ач разряжается с током 1 А. Номинальный разряд первичных элементов, например щелочных, намного ниже. Измерять емкость аккумулятора по разряду / заряду непрактично и вызывает нагрузку на аккумулятор.

Калибровка

Датчик уровня топлива имеет неотъемлемый недостаток, заключающийся в необходимости периодической калибровки, также известной как повторное обучение емкости. Это сделано для исправления ошибки отслеживания, которая возникает между химической и цифровой батареей при повторяющихся циклах зарядки и разрядки. Калибровку можно не проводить, если батарея периодически полностью разряжается при постоянном токе, а затем полностью заряжается. Батарея сбрасывалась при каждом полном цикле, и ошибка отслеживания сохранялась на уровне менее одного процента за цикл. Однако в реальной жизни аккумулятор может разряжаться в течение нескольких минут с характером нагрузки, который трудно уловить, затем частично перезаряжается и хранится с различными уровнями саморазряда в зависимости от температуры и возраста.   

Ручная калибровка возможна при разрядке батареи до появления сообщения «Батарея разряжена». Это можно сделать с помощью оборудования или анализатора батареи. Полная разрядка устанавливает флаг разрядки, а последующая перезарядка - флаг зарядки. Установление этих двух маркеров позволяет рассчитать SoC, отслеживая расстояние между флагами. Для достижения наилучших результатов калибруйте устройство при непрерывном использовании каждые три месяца или после 40 частичных циклов. Если устройство само производит периодическую глубокую разрядку, дополнительная калибровка не требуется. На рисунке 1 показаны флаги полной разрядки и полной зарядки .

Калибровка установки флажков полной разрядки и полной зарядки

Рисунок 1: Калибровка установки флажков полной разрядки и полной зарядки

Калибровка происходит путем применения полного заряда, разряда и заряда. Это можно сделать в оборудовании или с помощью анализатора батареи в рамках обслуживания батареи.

Предоставлено Cadex

Что произойдет, если аккумулятор не калибруется регулярно? Можно ли с уверенностью использовать такую ​​батарею? Большинство интеллектуальных зарядных устройств подчиняются требованиям химической батареи, а не электронной схемы, и нет никаких проблем с безопасностью, если они не калиброваны. Аккумулятор будет полностью заряжаться и нормально работать, но цифровые показания могут быть неточными и мешать работе.

Измерение заряда

Измерение степени заряда по напряжению просто, но может быть неточным, и вот почему. Батареи определенного химического состава имеют разную архитектуру и обеспечивают уникальные профили напряжения. Температура тоже играет роль; тепло повышает напряжение, холодное - понижает. Это явление в той или иной степени относится ко всем химическим соединениям. Кроме того, при нарушении работы батареи зарядкой или разрядкой напряжение холостого хода больше не соответствует истинному показанию SoC, и батарее потребуется несколько часов отдыха для восстановления равновесия; производители аккумуляторов рекомендуют 24 часа. В то время как свинцово-кислотные батареи имеют постепенное падение напряжения при разряде, батареи на никелевой и литиевой основе имеют тенденцию быть разряженными, и оценка SoC по напряжению затруднена. Потребительские товары, использующие датчики уровня топлива на основе напряжения, ограничивают показания, чтобы показатьполный заряд , средний и низкий заряд .

Более продвинутый метод измерения SoC - это счет кулонов. Теория, возникшая 250 лет назад, когда Шарль-Огюстен де Кулон впервые установил «правило Кулона». Он работает по принципу измерения входящих и исходящих токов. Рисунок 2 графически иллюстрирует принцип.

Принцип указателя уровня топлива на основе подсчета кулонов

Рисунок 2: Принцип действия указателя уровня топлива на основе подсчета кулонов

Накопленная энергия представляет собой состояние заряда; схема измеряет протекающий ток на входе и выходе.

Предоставлено Cadex

При подсчете кулонов также возникают ошибки. Например, если аккумулятор заряжался в течение одного часа на один ампер, такое же количество энергии должно быть доступно при разряде. Это не тот случай. Неэффективность приема заряда, особенно ближе к концу заряда, а также потери во время разряда и хранения уменьшают общую переданную энергию и искажают показания. Доступная энергия всегда меньше, чем было подано в аккумулятор. Например, энергетический цикл (зарядка и затем разрядка) литий-ионных аккумуляторов в Tesla Roadster эффективен примерно на 86%.

Как и в случае любого метода численного интегрирования, подсчет кулонов со временем накапливает ошибку, которую современный датчик уровня топлива пытается исправить с помощью кривых напряжения. Поскольку эти кривые напряжения сами по себе содержат неточности, особенно с возрастом батареи, точность со временем будет ухудшаться.

Адаптивная система по Diffusion (ASOD) от Cadex имеет уникальную «обучение» функцию , которая регулирует к батарее старения и достигает оценку мощности +/- 2% через 1 000 циклов батареи, типичный срок службы батареи. Оценка SoC находится в пределах +/- 5%, независимо от возраста и поляризации. ASOD не требует внешних параметров; это самообучение. При замене батареи изученная матрица постепенно адаптируется к новой батарее в процессе использования и снова достигнет прежней высокой точности.

Исследователи изучают новые методы измерения уровня заряда батареи, и такой инновационной технологией является квантовый магнетизм (Q-Mag ™). Q-Mag от Cadex не полагается на напряжение или ток, но смотрит на магнетизм. Отрицательная пластина разряжающегося свинцово-кислотного аккумулятора меняется со свинца на сульфат свинца, который имеет другую магнитную восприимчивость, чем свинец. Датчик, основанный на квантовомеханическом процессе, считывает магнитное поле посредством процесса, называемого туннелированием. На рис. 3 сравнивается реакция магнитного поля полностью заряженной батареи с 20% заряженной. У разряженной батареи магнитная восприимчивость в три раза выше, чем у полностью заряженной.

SoC по отклику магнитного поля

SoC по отклику магнитного поля

Рисунок 3: SoC по отклику магнитного поля

Проницаемость пластин увеличивается в 3 раза от полного заряда до пустого. TMR - туннельное магнитосопротивление, также известное как магнитный туннельный переход (MTJ).

Вполне возможно, что была обнаружена новая технология, которая может измерять SoC батареи с точностью, которую раньше невозможно было представить. Знание точной внутренней SoC позволяет улучшить зарядные устройства, но, что более важно, технология обеспечивает диагностику аккумулятора, включая оценку емкости и прогноз срока службы. Однако непосредственная выгода заключается в создании лучшего и более точного указателя уровня топлива.

Литий-ионные аккумуляторы, в том числе фосфат лития-железа, имеют очень плоскую кривую разряда. На рисунке 4 показано линейное падение относительных единиц магнитного поля при разряде и соответствующее повышение при зарядке при мониторинге с помощью Q-Mag. Не существует эффекта резиновой ленты, связанного с методом напряжения, при котором разряд снижает напряжение, а заряд повышает его. Q-Mag снимает показания, пока аккумулятор заряжается или находится под нагрузкой. Точность SoC с Li-ion +/- 5%, свинцово-кислотными +/- 7%; Калибровка происходит при полной зарядке. Ток возбуждения меньше 1 мА, и система невосприимчива к большинству помех. Q-Mag работает с ячейками, заключенными в фольгу, алюминий, нержавеющую сталь, но не из черных металлов. Испытания проводятся в лабораториях Cadex Electronics Inc .

Измерения магнитного поля фосфата лития-железа во время заряда и разряда

Рисунок 4: Измерения магнитного поля фосфата лития-железа во время заряда и разряда.

Единицы измерения относительного магнитного поля обеспечивают точное состояние заряда литиевых и свинцовых аккумуляторов.

Резюме

Измерения SoC состоят из нескольких показаний, наиболее распространенными из которых являются счет напряжения, тока и кулонов. Хотя точность этих систем достаточно высока для потребительских товаров, ложные показания которых вызывают лишь легкое раздражение, медицинские и военные устройства, а также электромобили требуют большего. Оказавшийся в затруднительном положении автомобилист с ошибочно разряженной батареей привлечет больше внимания средств массовой информации, чем потерянный звонок о мертвом сотовом телефоне или слишком быстрое потемнение экрана компьютера.

Хотя в точности SoC были внесены заметные улучшения, необходимы дальнейшие улучшения, и новые инновационные технологии являются многообещающими. Они не только обеспечивают лучшую точность SoC, но и позволяют прогнозировать состояние здоровья и срок службы. Ученые прогнозируют, что эти разработки будут доступны по конкурентоспособным ценам. Учитывая эти перспективные технологии, современный датчик уровня заряда батареи больше не будет ошибкой, а станет фактом.