Pengantar Pengukur Baterai

Pengantar Pengukur Baterai

1.1 Pengenalan fungsi meteran listrik

Manajemen baterai dapat dianggap sebagai bagian dari manajemen daya. Dalam manajemen baterai, meteran listrik bertanggung jawab untuk memperkirakan kapasitas baterai. Fungsi dasarnya adalah untuk memantau voltase, arus pengisian/pengosongan, dan suhu baterai, serta memperkirakan status pengisian daya (SOC) dan kapasitas pengisian penuh (FCC) baterai. Ada dua metode umum untuk memperkirakan keadaan muatan baterai: metode tegangan rangkaian terbuka (OCV) dan metode pengukuran Coulomb. Metode lainnya adalah algoritma tegangan dinamis yang dirancang oleh RICHTEK.

1.2 Metode tegangan rangkaian terbuka

Cara penerapan metode tegangan rangkaian terbuka pada meteran listrik relatif mudah, dan dapat diperoleh dengan memeriksa keadaan muatan tegangan rangkaian terbuka yang sesuai. Asumsi kondisi tegangan rangkaian terbuka adalah tegangan terminal baterai pada saat baterai diistirahatkan kurang lebih 30 menit.

Kurva tegangan baterai bervariasi tergantung pada beban, suhu, dan penuaan baterai. Oleh karena itu, Voltmeter rangkaian terbuka tetap tidak dapat sepenuhnya mewakili keadaan muatan; Tidak mungkin memperkirakan besaran biaya hanya dengan melihat tabel. Dengan kata lain, jika keadaan muatan diperkirakan hanya dengan melihat tabel, maka kesalahannya akan signifikan.

Gambar berikut menunjukkan bahwa pada tegangan baterai yang sama, terdapat perbedaan yang signifikan dalam keadaan muatan yang diperoleh melalui metode tegangan rangkaian terbuka.

        Gambar 5. Tegangan baterai dalam kondisi pengisian dan pengosongan

Seperti yang ditunjukkan pada gambar di bawah, terdapat juga perbedaan yang signifikan dalam keadaan muatan di bawah beban yang berbeda selama pelepasan. Jadi pada dasarnya, metode tegangan rangkaian terbuka hanya cocok untuk sistem dengan persyaratan akurasi status pengisian yang rendah, seperti mobil yang menggunakan baterai timbal-asam atau catu daya yang tidak pernah terputus.

            Gambar 2. Tegangan baterai pada beban berbeda selama pengosongan

1.3 Metrologi Coulomb

Prinsip pengoperasian metrologi Coulomb adalah menghubungkan resistor pendeteksi pada jalur pengisian/pengosongan baterai. ADC mengukur tegangan pada resistor pendeteksi dan mengubahnya menjadi nilai arus baterai yang sedang diisi atau dikosongkan. Penghitung waktu nyata (RTC) menyediakan integrasi nilai saat ini dengan waktu untuk menentukan berapa banyak Coulomb yang mengalir.

               Gambar 3. Mode kerja dasar metode pengukuran Coulomb

Metrologi Coulomb dapat secara akurat menghitung status pengisian daya secara real-time selama proses pengisian atau pengosongan. Dengan menggunakan pencacah Coulomb pengisian dan pencacah Coulomb pengosongan, maka dapat menghitung sisa kapasitas listrik (RM) dan kapasitas pengisian penuh (FCC). Pada saat yang sama, sisa kapasitas pengisian daya (RM) dan kapasitas terisi penuh (FCC) juga dapat digunakan untuk menghitung status pengisian daya, yaitu (SOC=RM/FCC). Selain itu juga dapat memperkirakan sisa waktu seperti penipisan daya (TTE) dan pengisian ulang daya (TTF).

                    Gambar 4. Rumus Perhitungan Metrologi Coulomb

Ada dua faktor utama yang menyebabkan terjadinya penyimpangan keakuratan metrologi Coulomb. Yang pertama adalah akumulasi kesalahan offset dalam penginderaan arus dan pengukuran ADC. Meskipun kesalahan pengukuran relatif kecil dengan teknologi saat ini, tanpa metode yang baik untuk menghilangkannya, kesalahan ini akan meningkat seiring berjalannya waktu. Gambar berikut menunjukkan bahwa dalam penerapan praktis, jika tidak ada koreksi durasi waktu, akumulasi kesalahan tidak terbatas.

              Gambar 5. Akumulasi kesalahan metode pengukuran Coulomb

Untuk menghilangkan kesalahan kumulatif, ada tiga kemungkinan titik waktu yang dapat digunakan selama pengoperasian normal baterai: Akhir Pengisian Daya (EOC), Akhir Pengosongan (EOD), dan Istirahat (Santai). Ketika kondisi akhir pengisian terpenuhi, ini menunjukkan bahwa baterai telah terisi penuh dan State of Charge (SOC) harus 100%. Kondisi akhir pengosongan menunjukkan bahwa baterai telah terisi penuh dan Status Pengisian Daya (SOC) harus 0%; Ini bisa berupa nilai tegangan absolut atau dapat bervariasi sesuai beban. Saat mencapai kondisi istirahat, baterai tidak diisi atau dikosongkan, dan tetap dalam kondisi ini untuk jangka waktu yang lama. Jika pengguna ingin menggunakan keadaan istirahat baterai untuk memperbaiki kesalahan metode koulometri, Voltmeter rangkaian terbuka harus digunakan saat ini. Gambar berikut menunjukkan bahwa kesalahan status pengisian daya dapat diperbaiki pada kondisi di atas.

            Gambar 6. Kondisi untuk Menghilangkan Akumulasi Kesalahan dalam Metrologi Coulomb

Faktor utama kedua yang menyebabkan penyimpangan keakuratan metrologi Coulomb adalah kesalahan Kapasitas Pengisian Penuh (FCC), yaitu perbedaan antara kapasitas baterai yang dirancang dan kapasitas pengisian penuh baterai yang sebenarnya. Kapasitas terisi penuh (FCC) dipengaruhi oleh faktor-faktor seperti suhu, penuaan, dan beban. Oleh karena itu, metode pembelajaran ulang dan kompensasi untuk kapasitas terisi penuh sangat penting untuk metrologi Coulomb. Gambar berikut menunjukkan fenomena tren kesalahan status pengisian daya ketika kapasitas terisi penuh ditaksir terlalu tinggi dan diremehkan.

             Gambar 7: Tren kesalahan ketika kapasitas terisi penuh ditaksir terlalu tinggi dan diremehkan

1.4 Meteran listrik algoritma tegangan dinamis

Algoritma tegangan dinamis dapat menghitung status pengisian baterai lithium hanya berdasarkan tegangan baterai. Metode ini memperkirakan kenaikan atau penurunan keadaan muatan berdasarkan perbedaan antara tegangan baterai dan tegangan rangkaian terbuka baterai. Informasi tegangan dinamis dapat secara efektif mensimulasikan perilaku baterai litium dan menentukan status pengisian daya (SOC) (%), namun metode ini tidak dapat memperkirakan nilai kapasitas baterai (mAh).

Metode penghitungannya didasarkan pada perbedaan dinamis antara tegangan baterai dan tegangan rangkaian terbuka, dan memperkirakan status pengisian daya dengan menggunakan algoritme berulang untuk menghitung setiap kenaikan atau penurunan status pengisian daya. Dibandingkan dengan solusi meteran listrik metode Coulomb, meteran listrik algoritma tegangan dinamis tidak mengakumulasi kesalahan terhadap waktu dan arus. Meteran Coulomb sering kali memiliki estimasi status pengisian daya yang tidak akurat karena kesalahan penginderaan arus dan pengosongan otomatis baterai. Sekalipun kesalahan penginderaan arus sangat kecil, penghitung Coulomb akan terus mengakumulasi kesalahan, yang hanya dapat dihilangkan setelah pengisian atau pengosongan selesai.

Algoritme tegangan dinamis digunakan untuk memperkirakan status pengisian baterai hanya berdasarkan informasi tegangan; Karena tidak diperkirakan berdasarkan informasi baterai terkini, tidak ada akumulasi kesalahan. Untuk meningkatkan keakuratan status pengisian daya, algoritme tegangan dinamis perlu menggunakan perangkat aktual untuk menyesuaikan parameter algoritme yang dioptimalkan berdasarkan kurva voltase baterai aktual dalam kondisi terisi penuh dan kosong penuh.

     Gambar 8. Kinerja Algoritma Tegangan Dinamis Meter Listrik dan Optimasi Gain

Berikut ini adalah kinerja algoritma tegangan dinamis dalam kondisi laju pelepasan yang berbeda dalam hal status pengisian daya. Seperti yang ditunjukkan pada gambar, keakuratan status pengisian dayanya bagus. Terlepas dari kondisi pelepasan C/2, C/4, C/7, dan C/10, kesalahan pengisian daya keseluruhan metode ini kurang dari 3%.

      Gambar 9. Kinerja Keadaan Muatan Algoritma Tegangan Dinamis pada Kondisi Laju Pelepasan Berbeda

Gambar berikut menunjukkan status pengisian baterai dalam kondisi pengisian singkat dan pengosongan singkat. Error status charge masih sangat kecil, dan error maksimal hanya 3%.

       Gambar 10. Kinerja Status Pengisian Algoritma Tegangan Dinamis dalam Kasus Pengisian Pendek dan Pengosongan Baterai Pendek

Dibandingkan dengan metode pengukuran Coulomb, yang biasanya menghasilkan status pengisian daya yang tidak akurat karena kesalahan penginderaan arus dan pengosongan otomatis baterai, algoritma tegangan dinamis tidak mengakumulasi kesalahan seiring waktu dan arus, yang merupakan keuntungan besar. Karena kurangnya informasi tentang arus pengisian/pengosongan, algoritma tegangan dinamis memiliki akurasi jangka pendek yang buruk dan waktu respons yang lambat. Selain itu, ia tidak dapat memperkirakan kapasitas pengisian penuh. Namun, kinerjanya baik dalam hal akurasi jangka panjang, karena tegangan baterai pada akhirnya secara langsung mencerminkan status pengisian dayanya.