รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับมิเตอร์แบตเตอรี่

รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับมิเตอร์แบตเตอรี่

1.1 ความรู้เบื้องต้นเกี่ยวกับการทำงานของมิเตอร์ไฟฟ้า

การจัดการแบตเตอรี่ถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการพลังงาน ในการจัดการแบตเตอรี่ มิเตอร์ไฟฟ้ามีหน้าที่ประเมินความจุของแบตเตอรี่ ฟังก์ชันพื้นฐานของมันคือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า กระแสการชาร์จ/คายประจุ และอุณหภูมิของแบตเตอรี่ และประเมินสถานะการชาร์จ (SOC) และความจุการชาร์จเต็ม (FCC) ของแบตเตอรี่ มีสองวิธีทั่วไปในการประมาณสถานะประจุแบตเตอรี่: วิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด (OCV) และวิธีการวัดคูลอมบิก อีกวิธีหนึ่งคืออัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกที่ออกแบบโดย RICHTEK

1.2 วิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

วิธีการใช้วิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดสำหรับมิเตอร์ไฟฟ้านั้นค่อนข้างง่ายและสามารถรับได้โดยการตรวจสอบสถานะการชาร์จที่สอดคล้องกันของแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด สภาวะที่สมมติขึ้นสำหรับแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดคือแรงดันไฟฟ้าที่ขั้วแบตเตอรี่เมื่อแบตเตอรี่พักอยู่ประมาณ 30 นาที

เส้นโค้งแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโหลด อุณหภูมิ และการเสื่อมสภาพของแบตเตอรี่ ดังนั้นโวลต์มิเตอร์วงจรเปิดแบบตายตัวจึงไม่สามารถแสดงสถานะการชาร์จได้อย่างสมบูรณ์ ไม่สามารถประมาณสถานะการชาร์จโดยการค้นหาตารางเพียงอย่างเดียวได้ กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากประเมินสถานะการชาร์จโดยการค้นหาตารางเพียงอย่างเดียว ข้อผิดพลาดจะมีนัยสำคัญ

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าภายใต้แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เดียวกัน มีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในสถานะประจุที่ได้รับผ่านวิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

        รูปที่ 5 แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะการชาร์จและการคายประจุ

ดังแสดงในรูปด้านล่าง นอกจากนี้ยังมีความแตกต่างอย่างมีนัยสำคัญในสถานะประจุภายใต้โหลดที่แตกต่างกันในระหว่างการคายประจุ โดยพื้นฐานแล้ว วิธีการใช้แรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดเหมาะสำหรับระบบที่มีข้อกำหนดความแม่นยำต่ำสำหรับสถานะการชาร์จ เช่น รถยนต์ที่ใช้แบตเตอรี่ตะกั่วกรดหรือเครื่องสำรองไฟ

            รูปที่ 2 แรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่ภายใต้โหลดที่แตกต่างกันระหว่างการคายประจุ

1.3 มาตรวิทยาคูลอมบิก

หลักการทำงานของมาตรวิทยาคูลอมบ์คือการเชื่อมต่อตัวต้านทานการตรวจจับบนเส้นทางการชาร์จ/คายประจุของแบตเตอรี่ ADC วัดแรงดันไฟฟ้าบนตัวต้านทานการตรวจจับ และแปลงเป็นค่าปัจจุบันของแบตเตอรี่ที่กำลังชาร์จหรือคายประจุ ตัวนับแบบเรียลไทม์ (RTC) ให้การรวมค่าปัจจุบันเข้ากับเวลาเพื่อกำหนดจำนวนคูลอมบ์ที่ไหล

               รูปที่ 3 โหมดการทำงานพื้นฐานของวิธีการวัดคูลอมบ์

มาตรวิทยาคูลอมบิกสามารถคำนวณสถานะการชาร์จแบบเรียลไทม์ได้อย่างแม่นยำในระหว่างกระบวนการชาร์จหรือการคายประจุ ด้วยการใช้ตัวนับคูลอมบ์การชาร์จและตัวนับคูลอมบ์การคายประจุ ทำให้สามารถคำนวณความจุไฟฟ้าคงเหลือ (RM) และความจุการชาร์จเต็ม (FCC) ในเวลาเดียวกัน ความจุการชาร์จที่เหลืออยู่ (RM) และความจุที่ชาร์จเต็ม (FCC) ยังสามารถใช้เพื่อคำนวณสถานะการชาร์จได้ เช่น (SOC=RM/FCC) นอกจากนี้ยังสามารถประมาณเวลาที่เหลืออยู่ เช่น พลังงานหมด (TTE) และการชาร์จพลังงาน (TTF)

                    รูปที่ 4 สูตรการคำนวณสำหรับมาตรวิทยาคูลอมบ์

มีสองปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนความแม่นยำของมาตรวิทยาคูลอมบ์ ประการแรกคือการสะสมของข้อผิดพลาดออฟเซ็ตในการตรวจจับกระแสและการวัด ADC แม้ว่าข้อผิดพลาดในการวัดจะค่อนข้างน้อยด้วยเทคโนโลยีในปัจจุบัน แต่ไม่มีวิธีการที่ดีในการกำจัดข้อผิดพลาดนี้ ข้อผิดพลาดนี้จะเพิ่มขึ้นเมื่อเวลาผ่านไป รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าในการใช้งานจริง หากไม่มีการแก้ไขในช่วงเวลาหนึ่ง ข้อผิดพลาดที่สะสมจะไม่จำกัด

              รูปที่ 5 ข้อผิดพลาดสะสมของวิธีการวัดคูลอมบ์

เพื่อกำจัดข้อผิดพลาดสะสม มีจุดเวลาที่เป็นไปได้สามจุดที่สามารถใช้ได้ระหว่างการทำงานของแบตเตอรี่ตามปกติ: สิ้นสุดการชาร์จ (EOC) สิ้นสุดการคายประจุ (EOD) และพัก (ผ่อนคลาย) เมื่อตรงตามเงื่อนไขสิ้นสุดการชาร์จ แสดงว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว และสถานะการชาร์จ (SOC) ควรอยู่ที่ 100% สภาวะสิ้นสุดการคายประจุบ่งชี้ว่าแบตเตอรี่คายประจุจนหมด และสถานะการชาร์จ (SOC) ควรเป็น 0% อาจเป็นค่าแรงดันไฟฟ้าสัมบูรณ์หรืออาจแตกต่างกันไปตามโหลด เมื่อเข้าสู่สถานะพัก แบตเตอรี่จะไม่ถูกชาร์จหรือคายประจุ และจะคงอยู่ในสถานะนี้เป็นระยะเวลานาน หากผู้ใช้ต้องการใช้สถานะพักแบตเตอรี่เพื่อแก้ไขข้อผิดพลาดของวิธีคูลอมเมตริก จะต้องใช้โวลต์มิเตอร์แบบวงจรเปิดในขณะนี้ รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าสถานะข้อผิดพลาดของการชาร์จสามารถแก้ไขได้ในสถานะข้างต้น

            รูปที่ 6 เงื่อนไขในการขจัดข้อผิดพลาดสะสมในมาตรวิทยาคูลอมบิก

ปัจจัยหลักที่สองที่ทำให้เกิดการเบี่ยงเบนความแม่นยำของมาตรวิทยาคูลอมบ์คือข้อผิดพลาดความจุเต็มประจุ (FCC) ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างความจุที่ออกแบบของแบตเตอรี่และความจุการชาร์จเต็มจริงของแบตเตอรี่ ความจุที่ชาร์จเต็ม (FCC) ได้รับอิทธิพลจากปัจจัยต่างๆ เช่น อุณหภูมิ อายุ และโหลด ดังนั้น วิธีการเรียนรู้ซ้ำและการชดเชยสำหรับความจุที่ชาร์จเต็มแล้วจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อมาตรวิทยาคูลอมบิก รูปต่อไปนี้แสดงปรากฏการณ์แนวโน้มของสถานะข้อผิดพลาดของการชาร์จเมื่อความจุที่ชาร์จเต็มถูกประเมินเกินและประเมินต่ำเกินไป

             รูปที่ 7: แนวโน้มของข้อผิดพลาดเมื่อมีการประเมินความจุที่ชาร์จจนเต็มสูงเกินไปและประเมินต่ำไป

1.4 มิเตอร์ไฟฟ้าอัลกอริทึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิก

อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกสามารถคำนวณสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมโดยพิจารณาจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่เพียงอย่างเดียว วิธีนี้ประมาณค่าการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของสถานะการชาร์จโดยพิจารณาจากความแตกต่างระหว่างแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดของแบตเตอรี่ ข้อมูลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกสามารถจำลองพฤติกรรมของแบตเตอรี่ลิเธียมได้อย่างมีประสิทธิภาพและกำหนดสถานะการชาร์จ (SOC) (%) แต่วิธีนี้ไม่สามารถประมาณค่าความจุของแบตเตอรี่ (mAh) ได้

วิธีการคำนวณจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างแบบไดนามิกระหว่างแรงดันแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด และประมาณสถานะการชาร์จโดยใช้อัลกอริธึมวนซ้ำเพื่อคำนวณการเพิ่มหรือลดแต่ละครั้งในสถานะการชาร์จ เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีแก้ปัญหาของมิเตอร์ไฟฟ้าแบบคูลอมบ์ มิเตอร์ไฟฟ้าแบบอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจะไม่สะสมข้อผิดพลาดตามเวลาและกระแสไฟฟ้า มิเตอร์วัดคูลอมบิกมักจะมีการประมาณค่าสถานะการชาร์จที่ไม่ถูกต้อง เนื่องจากข้อผิดพลาดในการตรวจจับกระแสไฟฟ้าและการคายประจุแบตเตอรี่เอง แม้ว่าข้อผิดพลาดในการตรวจจับในปัจจุบันจะมีน้อยมาก ตัวนับคูลอมบ์จะยังคงสะสมข้อผิดพลาดต่อไป ซึ่งสามารถกำจัดได้หลังจากการชาร์จหรือการคายประจุเสร็จสิ้นแล้วเท่านั้น

อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกใช้ในการประมาณสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่โดยพิจารณาจากข้อมูลแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว เนื่องจากไม่ได้ประมาณตามข้อมูลปัจจุบันของแบตเตอรี่ จึงไม่มีข้อผิดพลาดสะสม เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของสถานะการชาร์จ อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์จริงเพื่อปรับพารามิเตอร์ของอัลกอริธึมที่ได้รับการปรับปรุงตามกราฟแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จริงภายใต้สภาวะที่ชาร์จเต็มและคายประจุจนเต็ม

     รูปที่ 8 ประสิทธิภาพของอัลกอริทึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกสำหรับมิเตอร์ไฟฟ้าและการเพิ่มประสิทธิภาพการรับ

ต่อไปนี้คือประสิทธิภาพของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกภายใต้เงื่อนไขอัตราการคายประจุที่แตกต่างกันในแง่ของสถานะประจุ ดังแสดงในรูป สถานะการชาร์จมีความแม่นยำดี ไม่ว่าเงื่อนไขการคายประจุของ C/2, C/4, C/7 และ C/10 จะเป็นอย่างไร สถานะโดยรวมของข้อผิดพลาดการชาร์จของวิธีนี้จะน้อยกว่า 3%

      รูปที่ 9 ประสิทธิภาพของสถานะการชาร์จของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกภายใต้เงื่อนไขอัตราการคายประจุที่แตกต่างกัน

รูปต่อไปนี้แสดงสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ภายใต้สภาวะการชาร์จสั้นและการคายประจุระยะสั้น ข้อผิดพลาดของสถานะการชาร์จยังมีน้อยมาก และข้อผิดพลาดสูงสุดคือเพียง 3%

       รูปที่ 10 ประสิทธิภาพของสถานะการชาร์จของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกในกรณีของการชาร์จสั้นและการคายประจุสั้นของแบตเตอรี่

เมื่อเปรียบเทียบกับวิธีการสูบจ่ายคูลอมบ์ ซึ่งมักจะส่งผลให้สถานะการชาร์จไม่ถูกต้องเนื่องจากข้อผิดพลาดในการตรวจจับกระแสและการคายประจุแบตเตอรี่เอง อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจะไม่สะสมข้อผิดพลาดตามเวลาและกระแส ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบที่สำคัญ เนื่องจากขาดข้อมูลเกี่ยวกับการชาร์จ/คายประจุกระแส อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจึงมีความแม่นยำในระยะสั้นต่ำและเวลาตอบสนองช้า นอกจากนี้ยังไม่สามารถประมาณความสามารถในการชาร์จเต็มได้ อย่างไรก็ตาม จะทำงานได้ดีในแง่ของความแม่นยำในระยะยาว เนื่องจากแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะสะท้อนสถานะการชาร์จโดยตรงในท้ายที่สุด