Restlading en 100% Capaciteit

Het belang

Elke batterij zal vroeg of laat uitgeput zijn en energie verloren hebben. Dat wil niet zeggen dat dat in alle gevallen een probleem is. Bij een zaklamp vindt niemand het vreemd dat het licht minder wordt en uiteindelijk dooft. Bij een scheerapparaat is het al wel vervelend als deze je maar net voor de helft scheert. En voor een auto is het super onhandig wanneer je met een lege accu 10km van het volgende laadstation stil staat.

Is het nu werkelijk zo moeilijk om te weten te komen hoeveel energie er nog in een accu zit?

Complex

Er zijn veel faktoren die de restlading van een accu beïnvloeden. De meeste accus doen het slecht bij lage temperaturen (zeker onder het vriespunt). Dan neemt de capaciteit drastisch af. Maar ook het gebruikstijd van een accu zorgt voor afname van de 100% capaciteit. Daarnaast kan er een slechte of beschadigde cel in gebruik zijn, waarvan de capaciteit sneller afneemt dan de anderen.

Fabrikanten zijn dan ook terughoudend met het gebruik van een duidelijke State-of-Charge (SoC) aanduiding op hun accus en producten. Immers, wat een klant niet weet kan niet tot klachten leiden.
Voor veel gebruikers is daarentegen een goede SoC aanduiding extreem belangrijk. Voor hun scheelt het werktijd van hun gereedschap. Ze gaan er (meestal ten onterechte) van uit dat de bedrijfstijd aanduiding op ‘magische wijze’ correct is.

Accu leveranciers branden hun vingers liever niet aan een harde specificatie en laten vaak gewoon hun klanten kiezen welk BMS ze willen. Een ’eenvoudig’ BMS of een Smart BMS. Sommige hebben geen aanduiding, andere bv. slechts 4 of 5 Leds. Een lekker grove aanduiding dus.
Dan zijn ze als accu fabrikant niet verantwoordelijk voor de kwaliteit ervan en wanneer de SoC aanduiding onbetrouwbaar is. Maar wie zou nu over de meeste kennis over het BMS en de SoC bepaling moeten beschikken? De accu leverancier of zijn klant?

Een klant van een autonome robot voor magazijnen gebruikte een Lithium accu van een groot Duits merk.
Veel apparaten konden na een aantal maanden steeds korter rijden, en moesten steeds vaker opgeladen. Bij inspectie bleek dat het BMS dacht dat de batterij leeg was, terwijl deze in werkelijkheid nog 50% vol was.
Ook het omgekeerde kwam voor, het BMS dacht dat er nog genoeg lading was, maar het apparaat stond stil en blokkeerde daarmee de doorgang voor anderen.
Het magazijnwerk stagneerde daardoor volledig.

Zelf leren

De de SoC (State-of-Charge) geeft het percentage van de capaciteit ten opzichte van 100% lading. Maar om te weten hoe ver je nog kunt komen is een absoluut getal van de beschikbare capaciteit nodig. Dat kan in Ah (Ampére-uur) of Wh (Watt-uur) uitgedrukt zijn. Dan moet het BMS naast de SoC ook de 100% capaciteit weten, én aanpassen bij veroudering van de cellen.

De Magie

Een BMS kan de restlading op verschillende manieren bepalen.

• Op basis van stroom over tijd integratie
  Door bij te houden hoeveel stroom de accu in of uit gaat wordt het Ampére-uur getal bepaald.
• Op basis van spanning.
  Hierbij wordt de spanning gebruikt om de restlading (State-of-Charge) in een tabel op te zoeken.
• Op basis van een combinatie van spanning en stroom.
  Met deze combinatie kunnen de voordelen van de voorgaande methodes gebruikt worden om de nadelen van de andere methode te compenseren.

Stroommeting

De meest gebruikte methode om de SoC te bepalen is door de stroom te meten en de hoeveelheid stroom over tijd te integreren. Omdat het eigenlijk over lading gaat, en de eenheid van lading ‘Coulomb’ is, heet deze methode Coulomb-counting. Een probleem bij deze methode is dat veranderingen die niet in de stroommeting te zien zijn (zelfontlading, veroudering en drift) niet echt kunnen worden meegerekend, zodat de SoC steeds meer gaat afwijken van de werkelijke restlading.
Daarom wordt de SoC onder bepaalde voorwaarden bijgesteld, bv. na het (vol-)laden.
Maar, wanneer in de gebruikte toepassing aan die voorwaarde nooit voldaan wordt, ontstaan de afwijkingen nog steeds.

Spanningsmeting

Bij de spannings-SoC methode wordt de spanning van de batterij gemeten en wordt de SoC waarde in een tabel opgezocht. De tabel moet per celtype bepaald, omdat verschillen in cellen tot afwijkingen leidt. Met een goede tabel wordt steeds de juiste relatieve restlading weergegeven, ook bij zelfontlading en veroudering. Maar wel relatief, als percentage van 100%, terwijl de gebruiker de absolute restwaarde nodig heeft.

Deze relatieve waarde is alleen correct als de batterij in rust is. Een belastingsstroom zal de spanning immers laten inzakken waardoor een foute aanduiding ontstaat.
Ook hier geldt dus een voorwaarde. Wanneer in de toepassing de batterij nooit (of zelden) in rust komt, is de capaciteitsbepaling niet goed.
Maar door toepassing van een model van de cel kan de spanning onder belasting gecorrigeerd worden, zodat de tabel toch gebruikt kan worden. Dan moet het model van de cel wel bepaald zijn, en in het BMS geprogrammeerd.

Stroom-spannings combinatie

Het ligt daarom voor de hand, de Coulomb-counting met de spanning-SoC methode te combineren zodat zelfontlading, veroudering, drift of mindere cellen, geen invloed meer hebben én de absolute restlading bekend én nauwkeurig is.
Het algoritme berekent zowel de SoC en SoH (State of Health), zodat ook te zien is wanneer een batterij aan vervanging toe is.

De BMSsen van Engineering Spirit (en haar handelsmerk Axtrel.com ) zijn daarom voorzien van een uniek algoritme dat de stroom- en spanningsmeting per cel verwerkt tot een SoC en de absolute restcapaciteit.
Voor een optimaal resultaat worden de spannings-SoC tabel en het cel-model bij verschillende temperaturen bepaald. Wanneer voor een toepassing, de SoC minder nauwkeurig hoeft te zijn, werken we met standaard waarden.