Проектирование устройств для измерения заряда литиево-железофосфатных аккумуляторов

Точное измерение уровня заряда литиевожелезофосфатных батарей имеет большое значение. В статье рассматривается алгоритм измерения заряда разомкнутой цепи аккумулятора (OCV), позволяющий эффективно решить эту задачу.

Литиевожелезофосфатные аккумуляторы (LiFePO4, или LFP) используются в некоторых приложениях, где от источников питания требуется отдавать большой ток в нагрузку. Измерению заряда этих аккумуляторов следует уделять тщательное внимание, учитывающее их особенности. В статье поясняется, почему аккумуляторы этого типа отлично подходят для некоторых приложений, что следует учитывать при измерении их заряда, а также приводятся результаты испытаний, полученные с использованием алгоритма для измерения заряда этих источников питания. 

Растущий спрос на литиевоионные аккумуляторы

Доля используемых во всем мире литиевоионных аккумуляторов (Liion) ежегодно увеличивается. источники питания этого типа востребованы широким рядом приложений благодаря высокой плотности энергии, низкой скорости саморазряда и незначительным эффектам памяти. В настоящее время на рынке представлено немало разновидностей литиевоионных аккумуляторов, каждая из которых имеет свои уникальные характеристики. Однако все аккумуляторы этого типа можно разделить на несколько групп в соответствии с используемыми химическими процессами. У литиевоионных аккумуляторов каждого типа имеются свои достоинства и недостатки в зависимости от конкретной сферы применения. 

Рис. 1. а) типовая разрядная кривая LFP-аккумулятора; б) гистерезис LFP-элементов и соответствующая погрешность 35% при определении уровня заряда (SOC)

Рис. 2. Типовая разрядная кривая литий-никель-кобальтовой алюминиево-оксидной батареи

Преимущества и недостатки LFP аккумуляторов 

Преимущества

В катодах LFP аккумуляторов применяется литийфосфат железа, а в аноде – углерод. Аккумуляторы этого типа термически и химически стабильнее аккумуляторов с другими химическими составами. LFP аккумуляторы не выходят из строя даже в аварийных ситуациях, например при избыточном заряде или коротком замыкании, и их параметры практически не зависят от темпера туры. Эти аккумуляторы предназначены для эксплуатации в широком диапазоне температуры –40…70°C.

По сравнению с источниками питания LCO, LMO, NMC и NCA, LFP аккумуляторы обладают более продолжительным сроком службы, который составляет 1000–2000 циклов заряд/разряд. В отличие от аккумуляторов с другим химсоставом, LFP элементы намного устойчивее к воздействиям высокого напряжения в течение длительного времени при минимальных последствиях. Скорость разряда LFP аккумуляторов достигает очень высоких значений – 25°C.

Недостатки

Номинальное напряжение у LFP аккумуляторов сравнительно ниже – 3,2 в. Это значит, что их энергия меньше, чем у элементов LCO, LMO, NMC и NCA. Элементы LFP реагируют на влажную среду и воду. в результате прямого контакта с водой активный литий из оливиновой структуры теряется, что уменьшает плотность энергии этого материала. только высококачественные аккумуляторы, прошедшие строгий контроль качества, устойчивы к умеренным условиям эксплуатации. Как и у источников питания с другим химсоставом, характеристики LFP аккумуляторов ухудшаются при сравнительно низких температурах.

Рис. 3. Результаты измерения напряжения, тока, уровня заряда (SOC), погрешности и температуры. Погрешность не превышает 2% вне первого цикла.

Рис. 4. Высокая точность измерения заряда аккумулятора, который непрерывно эксплуатировался больше недели, не подвергаясь полной зарядке и разрядке. Погрешность измерения не превысила 2%.

Рис. 5. Погрешность измерения заряда не превышает 2% даже при –5°C.

Области применения

LFP аккумуляторы пригодны для использования во многих приложениях, к которым относятся небольшие электромобили, электрические газонокосилки, подъемники, мусоровозы, роботы, домашние накопители энергии, гибридные генераторы, вспомогательные силовые установки для грузовиков, устройства для мониторинга погоды, морские буи, оборудование для нефте и газопроводов, устройства для контроля номерных знаков автомобилей, игровое оборудование. 

Трудности при измерении уровня заряда LFP аккумуляторов

LFP аккумуляторов – очень пологие кривые разряда и гистерезиса, что существенно затрудняет контроль над их зарядом. на рисунке 1а представлена типовая разрядная кривая LFP элемента. Видно, что на некоторых участках графика напряжение немного изменяется по мере очень продолжительного разряда аккумулятора. На рисунке 1б представлена кривая гистерезиса LFP элементов и погрешность измерения уровня заряда (SOC). Для сравнения на рисунке 2 показана кривая разряда литиевоникелевого кобальтового алюминиевооксидного аккумулятора, напряжение которого изменяется значительно в процессе разряда.

Некоторые источники питания с другим химическим составом ведут себя примерно так, как LFP элементы, в т. ч. LiCoPO4, LiFeSO4F и LiMnPO4аккумуляторы.

Точное измерение заряда LFP аккумулятора

Существующие методы обеспечивают сравнительно высокую точность измерения заряда LFP аккумуляторов. Повторимся, у таких элементов – очень пологая разрядная кривая: в результате изменения напряжения разомкнутой цепи на 1% напряжение разомкнутой схемы меняется всего на несколько мв. кроме того, у разрядной кривой LFP элементов имеется гистерезис. Чувствительность по напряжению прогнозирующего алгоритма OCV (не требующего облегченных условий, полного заряда или разряда аккумулятора), который применяется в комбинации с измерением разрядного тока и его интегрированием по времени, значительно меньше по сравнению с другими схожими методиками.

Большинство альтернативных методик требует использования аккумулятора в облегченных условиях и коррекции на основе измеренного напряжения. Такие методики предусматривают достаточно редкую коррекцию (несколько раз в день, а не множество небольших ежеминутных коррекций), что намного усиливает влияние любой ошибки. Ошибка в таких случаях сохраняется до следующей коррекции. По этой причине выбор алгоритма и использование результатов измерения напряжения особенно критичны для LFP аккумуляторов. оптимальный алгоритм минимизирует эти погрешности за счет малой зависимости от коррекций напряжения, и потому на него в гораздо меньшей степени влияет точность измерений.

Испытуемый элемент

Мы протестировали работу OCV алгоритма с использованием метода измерения разрядного тока и его интегрирования по времени на LFP аккумуляторе ANR26650M1B с номинальной емкостью 2500 ма∙ч. Точность измерения заряда с помощью хорошо отрегулированных датчиков оказалось очень высокой. В соответствии с выбранной схемой испытаний, аккумулятор заряжался и разряжался в течение недели примерно до крайних уровней, но не полностью. В таких случаях измерение уровня заряда является очень сложной задачей не только для LFP элементов. как видно из рисунков 3–5, погрешность оказалась лучше 2% в течение всего цикла испытаний.

Примеры использования ис для измерения заряда LFP аккумуляторов

В примере использовались микросхемы семейства MAX172xx для измерения заряда. Кривая OCV/SOC LFP аккумуляторов намного более пологая по сравнению со стандартными литиевокобальтовыми элементами, что обеспечивает более высокую чувствительность алгоритма при оценке напряжения элементов и напряжения разомкнутой цепи.

Чтобы алгоритм всегда обеспечивал требуемую точность измерения заряда на протяжении всего цикла, полная емкость аккумулятора измеряется вне самого пологого участка с наибольшим гистерезисом кривой OCV/SOC. Для реализации алгоритма с помощью ис MAX172xx применяются обучающие циклы заряда/разряда вне этой неиспользуемой области.

На рисунке 6 показана кривая OCVSOC LFP элемента и неиспользуемая область.

Для поддержки LFP аккумуляторов с помощью ис MAX172xx требуется выполнить следующие действия.

1. Отправить аккумулятор в компанию Maxim для создания модели на основе его характеристик.

2. Установить бит enSC в регистре nNVCfg1 (1B9h) для активации режима работы с LFP аккумуляторами и блокировки неиспользуемой зоны.

3. Загрузить оставшуюся часть модели (см. [1]).

MAX17055 и MAX1726x поддерживают LFP элементы после конфигурации модели. Чтобы обеспечить хорошую точность измерения заряда, необходимо измерить параметры используемого аккумулятора и получить его модель. Упомянутые микросхемы поддерживают дополнительный алгоритм, работающий с LFP и другими аккумуляторами с пологими характеристиками.

Чтобы настроить MAX1726x и MAX17055 для работы с LFP аккумуляторами, необходимо выполнить следующие действия.

1. Отправить аккумулятор в компанию Maxim для создания модели на основе его характеристик.

2. Записать 0x0060 в регистр ModelCFG (DBh) для активации LFP режима и блокировки неиспользуемой зоны.

3. Загрузить оставшуюся часть модели (см. [2]).

Рис. 6. Кривая OCV-SOC LFP-элемента и область, которая не используется при расчете полной емкости во избежание некорректного обучения.

Выводы

LFP аккумуляторы идеально подходят для приложений, работающих с большим током потребления, однако особое внимание требуется уделить точному измерению заряда этих источников питания. Мы рассмотрели пример использования алгоритма, позволяющего определять уровень заряда разомкнутой цепи аккумулятора путем измерения разрядного тока и его интегрирования по времени. Алгоритм этого типа решает те проблемы с точностью измерения заряда LFP аккумуляторами, с которыми не справляются другие методы.

Литература

1. Hushnak Singh. User Guide & Manuals 6260. MAX1720x/MAX1721x Software Implementation Guide//www.maximintegrated.com.

2. User Guide 6365 MAX17055 Software Implementation Guide. User Guide 6595 MAX1726x Software Implementation Guide//www.maximintegrated.com.

Авторы:

БАКУЛ ДЕМЛ (BAKUL DAMLE),
ГЕОРГИЙ ЗЕРКАЛОВ (GEORGY ZERKALOV),
ДЖЕЙСОН ВЕРСЕМ (JASON WORTHAM)

Опубликовано в журнале "Электронные Компоненты", №5-2020.