Интеллектуальное управление зарядкой – многоступенчатые токи, адаптивное прекращение, индикатор уровня заряда – всё это предполагает знание состояния заряда элемента, однако NiMH – одна из самых трудных для оценки электрохимических систем. Его напряжение холостого хода остаётся почти плоским на всём рабочем диапазоне, лишая удобного преобразования «напряжение → SOC», которым пользуются разработчики литиевых систем; поэтому оценщики должны интегрировать ток во времени, а затем бороться с дрейфом, который интегрирование неизбежно накапливает. В этой статье объясняется, почему поиск по OCV не работает для NiMH, строится оценщик на счётчике Кулона и его бюджет погрешностей, показывается, как КПД заряда и саморазряд следует моделировать, а не игнорировать, и излагаются стратегии привязки и сброса, которые удерживают оценку SOC на время зарядки достаточно достоверной, чтобы управлять током.
В литиевых элементах напряжение покоя достаточно хорошо соответствует состоянию заряда, давая оценщику бесплатный сброс; в NiMH двухфазная реакция никелевого электрода удерживает практически постоянный потенциал на большей части диапазона, а плато давления гидридного отрицательного электрода также плоское. Измеренное напряжение холостого хода меняется лишь на десятки милливольт от 20 до 80 процентов SOC, что намного меньше разброса, вызываемого температурой, возрастом и гистерезисом, поэтому никакой поиск по напряжению не может там разрешить SOC.
При зарядке проблема ещё серьёзнее: напряжение на выводах определяется перенапряжением и омическим падением, которые масштабируются с током и сопротивлением, так что сам процесс зарядки маскирует равновесную информацию. Напряжение сохраняет ценность лишь на крайних участках (квалификация глубокого разряда, пик в конце зарядки) и как сигнал прекращения предыдущей группы, а не как измеритель SOC в середине зарядки.
Практичный оценщик интегрирует чистый ток: SOC(t) = SOC0 + (1/Cap) интеграл eta(I,T,SOC) I dt, вычитая саморазряд. Каждый член несёт погрешность. Датчик тока имеет погрешность смещения и усиления, которые интегрируются в наклонный тренд; ёмкость Cap снижается с возрастом; КПД eta меньше единицы и меняется в зависимости от состояния заряда, тока и температуры, как установлено в Статье 2; а сам SOC0 неопределён в момент установки. Погрешности накапливаются монотонно, поэтому нескорректированный счёт дрейфует на несколько процентов в течение одной зарядки и сильно – за много циклов.
Количественная оценка бюджета – смещение датчика в миллиамперах, пересчитанное в проценты в час, неопределённость ёмкости из-за старения, погрешность eta, сосредоточенная в последней полосе – говорит разработчику, как часто и насколько сильно оценку нужно перепривязывать и достаточна ли её точность для выбора ступеней зарядного тока.
Поскольку приём заряда падает ближе к полному (Статье 2), подсчёт всего поданного тока как запасённого заряда завышает SOC именно в конечной полосе, где управление наиболее чувствительно; оценщик должен умножать входящий ток на зависящий от состояния КПД eta_Q(SOC,I,T), высокий в середине зарядки и снижающийся после колена начала выделения кислорода. Саморазряд, сильно зависящий от температуры и повышенный у новых элементов, должен вычитаться во время пауз, иначе оставленный в зарядном устройстве элемент ошибочно считается полным, хотя он частично разрядился.
Химические системы с низким саморазрядом уменьшают этот член, но не устраняют его; модель обычно представляет собой небольшой эквивалентный ток утечки, растущий с температурой. Включение eta и саморазряда превращает наивный счётчик ампер-часов в физический баланс заряда, остаточная погрешность которого достаточно ограничена для коррекции на основе модели.
Без сбросов по OCV опорные точки NiMH берутся из известных конечных точек и динамических сигнатур. Полная, прекращённая по критериям зарядка создаёт опорную точку высокого SOC (близко к полному); контролируемый разряд до отсечки создаёт опорную точку низкого SOC; пик напряжения в конце зарядки и тепловой перегиб, а также колено напряжения в конце разряда – это событийные опорные точки, наблюдаемые под нагрузкой. Между опорными точками оценщик ведёт счисление пути, и каждая точка возвращает интегрированную оценку к известному значению.
В постоянно подключённых устройствах – гибридных автомобилях, резервных системах – повторяющиеся предсказуемые циклы заряд/разряд дают частые опорные точки, поэтому оценка SOC NiMH в гибриде сравнительно осуществима, несмотря на плоский OCV; в потребительском зарядном устройстве эпизодического применения SOC при установке обычно неизвестен, и оценщик должен полагаться на предстоящую опорную точку полного заряда, что благоприятствует управлению током по прекращению, а не по SOC в первом цикле.
Там, где требуется более высокая точность, эквивалентная схема или электрохимическая модель сочетаются с наблюдателем состояния – расширенным или адаптивным фильтром Калмана, который объединяет интегрирование тока с прогнозами напряжения и корректирует SOC (а иногда сопротивление и ёмкость) всякий раз, когда модель и измерение расходятся. Описанные работы по NiMH с использованием эквивалентной схемы Рэндлса второго порядка и адаптивного расширенного фильтра Калмана удерживают SOC в пределах примерно плюс-минус 3 процентов даже при начальной погрешности 40 процентов, показывая, как наблюдатель на основе модели восстанавливается после плохого SOC0, чего чистое считывание не могло.
Первый рисунок противопоставляет непригодный поиск по OCV поведению счётчика Кулона по схеме «дрейф и привязка»; второй выстраивает цикл оценки: измерение, интегрирование с КПД, модельный прогноз напряжения и коррекция – архитектура, разворачиваемая в последующих статьях по моделированию.
Для проектирования зарядного устройства практическая иерархия такова: используйте прекращение по критериям как авторитетную опорную точку полного заряда; применяйте учитывающее SOC ступенчатое изменение тока только там, где существует привязанная оценка; моделируйте eta и саморазряд, чтобы интеграл оставался честным; и добавляйте наблюдателя только тогда, когда требование продукта к точности оправдывает затраты на калибровку. Проверяйте оценщики на эталонной аппаратуре в течение длинных последовательностей циклов, намеренно задавая погрешность SOC0 и изменяя температуру, и сообщайте о наихудшей, а не номинальной погрешности SOC.
Weijiang предоставляет характеристики приёма заряда и саморазряда, которые параметризуют члены КПД и утечки для каждого типоразмера. В следующей статье рассматривается измерение, питающее и прекращение, и оценку, – внутреннее сопротивление и импеданс – и то, как электрохимическая импедансная спектроскопия информирует управление зарядкой.
Weijiang Power разрабатывает и производит никель-металлгидридные элементы, согласованные батареи и готовые к зарядке конфигурации для потребительских, промышленных, медицинских заказчиков и заказчиков из сферы мобильности, а также поддерживает партнёров рекомендациями по протоколам заряда, файлами характеристик IEC 61951-2, доказательствами безопасности IEC 62133-1 и совместной валидацией зарядных устройств. Сообщите нам формат элемента, скорость заряда, тепловые пределы и целевой ресурс по циклам, и наши инженеры подберут комбинацию элемента и зарядки, защищающую и время работы, и срок службы. Ознакомьтесь с ассортиментом на странице продукции.
