Introduction aux compteurs de batterie

Introduction aux compteurs de batterie

1.1 Introduction aux fonctions du compteur électrique

La gestion de la batterie peut être considérée comme faisant partie de la gestion de l’énergie. Dans la gestion de la batterie, le compteur électrique se charge d’estimer la capacité de la batterie. Sa fonction de base est de surveiller la tension, le courant de charge/décharge et la température de la batterie, ainsi que d'estimer l'état de charge (SOC) et la capacité de charge complète (FCC) de la batterie. Il existe deux méthodes typiques pour estimer l’état de charge d’une batterie : la méthode de tension en circuit ouvert (OCV) et la méthode de mesure coulombienne. Une autre méthode est l'algorithme de tension dynamique conçu par RICHTEK.

1.2 Méthode de tension en circuit ouvert

Le procédé de mise en œuvre consistant à utiliser un procédé de tension en circuit ouvert pour un compteur électrique est relativement simple et peut être obtenu en vérifiant l'état de charge correspondant de la tension en circuit ouvert. La condition supposée pour la tension en circuit ouvert est la tension aux bornes de la batterie lorsque la batterie est au repos pendant environ 30 minutes.

La courbe de tension de la batterie varie en fonction de la charge, de la température et du vieillissement de la batterie. Par conséquent, un voltmètre fixe en circuit ouvert ne peut pas représenter pleinement l’état de charge ; Il n'est pas possible d'estimer l'état de charge uniquement en consultant des tableaux. En d’autres termes, si l’état de charge est estimé uniquement en consultant un tableau, l’erreur sera importante.

La figure suivante montre que sous la même tension de batterie, il existe une différence significative dans l'état de charge obtenu grâce à la méthode de tension en circuit ouvert.

        Figure 5. Tension de la batterie dans des conditions de charge et de décharge

Comme le montre la figure ci-dessous, il existe également une différence significative dans l’état de charge sous différentes charges lors de la décharge. Donc, fondamentalement, la méthode de tension en circuit ouvert ne convient qu'aux systèmes ayant de faibles exigences de précision en matière d'état de charge, tels que les voitures utilisant des batteries au plomb ou des alimentations sans interruption.

            Figure 2. Tension de la batterie sous différentes charges pendant la décharge

1.3 Métrologie coulombienne

Le principe de fonctionnement de la métrologie Coulombienne est de connecter une résistance de détection sur le trajet de charge/décharge de la batterie. L'ADC mesure la tension sur la résistance de détection et la convertit en valeur actuelle de la batterie en cours de charge ou de décharge. Le compteur en temps réel (RTC) permet d'intégrer la valeur actuelle avec le temps pour déterminer le nombre de Coulombs qui circulent.

               Figure 3. Mode de fonctionnement de base de la méthode de mesure coulombienne

La métrologie coulombienne peut calculer avec précision l'état de charge en temps réel pendant le processus de charge ou de décharge. En utilisant un compteur Coulomb de charge et un compteur Coulomb de décharge, il peut calculer la capacité électrique restante (RM) et la pleine capacité de charge (FCC). Dans le même temps, la capacité de charge restante (RM) et la capacité entièrement chargée (FCC) peuvent également être utilisées pour calculer l'état de charge, c'est-à-dire (SOC=RM/FCC). De plus, il peut également estimer le temps restant, tel que l'épuisement de l'énergie (TTE) et la recharge de l'énergie (TTF).

                    Figure 4. Formule de calcul pour la métrologie coulombienne

Deux facteurs principaux sont à l’origine de l’écart de précision de la métrologie coulombienne. Le premier est l’accumulation d’erreurs de décalage dans la détection de courant et la mesure ADC. Bien que l’erreur de mesure soit relativement faible avec la technologie actuelle, sans une bonne méthode pour l’éliminer, cette erreur augmentera avec le temps. La figure suivante montre que dans les applications pratiques, s'il n'y a pas de correction dans la durée, l'erreur accumulée est illimitée.

              Figure 5. Erreur accumulée de la méthode de mesure coulombienne

Pour éliminer les erreurs cumulées, trois moments possibles peuvent être utilisés pendant le fonctionnement normal de la batterie : fin de charge (EOC), fin de décharge (EOD) et repos (relax). Lorsque la condition de fin de charge est remplie, cela indique que la batterie est complètement chargée et que l'état de charge (SOC) doit être de 100 %. La condition de fin de décharge indique que la batterie est complètement déchargée et que l'état de charge (SOC) doit être de 0 % ; Il peut s'agir d'une valeur de tension absolue ou elle peut varier en fonction de la charge. Lorsqu'elle atteint un état de repos, la batterie n'est ni chargée ni déchargée et elle reste dans cet état pendant une longue période. Si l'utilisateur souhaite utiliser l'état de repos de la batterie pour corriger l'erreur de la méthode coulométrique, un voltmètre en circuit ouvert doit être utilisé à ce moment. La figure suivante montre que l'erreur d'état de charge peut être corrigée dans les états ci-dessus.

            Figure 6. Conditions d'élimination des erreurs accumulées en métrologie coulombienne

Le deuxième facteur principal provoquant l'écart de précision de la métrologie coulombienne est l'erreur de capacité de charge complète (FCC), qui correspond à la différence entre la capacité conçue de la batterie et la véritable capacité de charge complète de la batterie. La capacité à pleine charge (FCC) est influencée par des facteurs tels que la température, le vieillissement et la charge. Par conséquent, les méthodes de réapprentissage et de compensation pour une capacité complètement chargée sont cruciales pour la métrologie coulombienne. La figure suivante montre le phénomène de tendance de l'erreur d'état de charge lorsque la capacité complètement chargée est surestimée et sous-estimée.

             Figure 7 : Tendance de l'erreur lorsque la capacité entièrement chargée est surestimée et sous-estimée

1.4 Compteur électrique à algorithme de tension dynamique

L'algorithme de tension dynamique peut calculer l'état de charge d'une batterie au lithium uniquement sur la base de la tension de la batterie. Cette méthode estime l'incrément ou le décrément de l'état de charge en fonction de la différence entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert de la batterie. Les informations de tension dynamique peuvent simuler efficacement le comportement des batteries au lithium et déterminer l'état de charge (SOC) (%), mais cette méthode ne peut pas estimer la valeur de la capacité de la batterie (mAh).

Sa méthode de calcul est basée sur la différence dynamique entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert, et estime l'état de charge en utilisant des algorithmes itératifs pour calculer chaque augmentation ou diminution de l'état de charge. Par rapport à la solution des compteurs électriques à méthode Coulomb, les compteurs électriques à algorithme de tension dynamique n'accumulent pas d'erreurs au fil du temps et du courant. Les compteurs coulombiens ont souvent une estimation inexacte de l'état de charge en raison d'erreurs de détection de courant et de l'autodécharge de la batterie. Même si l'erreur de détection de courant est très faible, le compteur Coulomb continuera à accumuler des erreurs, qui ne pourront être éliminées qu'après une charge ou une décharge complète.

L'algorithme de tension dynamique est utilisé pour estimer l'état de charge d'une batterie sur la base uniquement des informations de tension ; Comme elle n'est pas estimée sur la base des informations actuelles de la batterie, il n'y a pas d'accumulation d'erreurs. Pour améliorer la précision de l'état de charge, l'algorithme de tension dynamique doit utiliser un appareil réel pour ajuster les paramètres d'un algorithme optimisé basé sur la courbe de tension réelle de la batterie dans des conditions complètement chargées et complètement déchargées.

     Figure 8. Performances de l'algorithme de tension dynamique pour le compteur d'électricité et l'optimisation du gain

Voici les performances de l'algorithme de tension dynamique dans différentes conditions de taux de décharge en termes d'état de charge. Comme le montre la figure, la précision de son état de charge est bonne. Quelles que soient les conditions de décharge de C/2, C/4, C/7 et C/10, l'erreur globale d'état de charge de cette méthode est inférieure à 3 %.

      Figure 9. Performance de l'état de charge de l'algorithme de tension dynamique dans différentes conditions de taux de décharge

La figure suivante montre l'état de charge de la batterie dans des conditions de charge et de décharge courtes. L'erreur sur l'état de charge est encore très faible et l'erreur maximale n'est que de 3 %.

       Figure 10. Performance de l'état de charge de l'algorithme de tension dynamique en cas de charge courte et de décharge courte des batteries

Comparé à la méthode de mesure Coulomb, qui entraîne généralement un état de charge inexact en raison d'erreurs de détection de courant et d'autodécharge de la batterie, l'algorithme de tension dynamique n'accumule pas d'erreurs au fil du temps et du courant, ce qui constitue un avantage majeur. En raison du manque d'informations sur les courants de charge/décharge, l'algorithme de tension dynamique a une mauvaise précision à court terme et un temps de réponse lent. De plus, il ne peut pas estimer la pleine capacité de charge. Cependant, il fonctionne bien en termes de précision à long terme, car la tension de la batterie reflète directement son état de charge.