Coulomb counting - implementatie

[Atlas]

Kende je de term? Nee? Mooi

Voor mijn afscholier-stage doe ik onderzoek naar de zogenaamde State of Charge (SoC) van Lithium Ion accu's. Doel is om een systeem te ontwerpen die de resterende accu capaciteit (SoC) van een Li-Ion accu kan bijhouden Bestaande systemen kunnen we niet gebruiken vanwege regelgeving. Dus er moet een ontwerp komen voor zo'n systeem.

Een methode die gebruikt wordt (en die ik ga gebruiken) is de zogenaamde coulomb counting. Je telt de elektronene (stroom) de ene kant op (de accu in) en de andere kant op (de accu uit), hier laat je wat berekeningen op los en hiermee kun je de SoC bijhouden/ benaderen.

Nu loop ik alleen tegen de problemen van de sensoren aan. Deze zijn gofweg in 3 catagorieren in te delen:
1) Shunt weerstand. Simpelweg het voltage over de weerstand meten. 1 groot probleem: deze methode kost (relatief) veel vermogen omdat de weerstand in serie moet staan met de load.
2) Hall sensor. Minder betrouwbaar.
3) GMR sensor: nieuwe techniek, erg robuust en betrouwbaar en kan bv op de PCB zelf geplaatst worden met de trace onder de sensor door.


Ik heb voor de laatste gekozen.
Nu heb ik deze besteld en getest: http://nl.farnell.com/nve...2314483?dimVals=110554660 Maar hier heb ik 1 groot probleem. De GMR geeft een positief voltage ongeacht de richting van de stroom. Hier kan ik dus geen coulomb-counting mee doen.... Siemens heeft een GMR die dit wel kan (http://www.powerguru.org/...ns-GMR-current-sensor.jpg) maar deze is niet heel erg goed bruikbaar voor kleinere stromen (tot 10A).

Heeft iemand nog een leuk idee hoe ik deze GMR wel kan inzetten? Of nog een 4e optie?

[LED-Maniak]

Mogelijk een hele domme opmerking hoor:

Je kan stroom meten, maar niet de richting. Kan je dan niet parallel aan je load een hele grote 'shunt' weerstand plaatsen waarmee je puur de richting meet? De stroom die er doorheen loopt is dan zeer klein, maar je meet/weet wel de richting.

[Sissors]

Voor grote stromen kan je gewoon een Hall sensor ernaast zetten, heb je geen weerstand in serie, en je hoeft niet nauwkeurig te zijn om te weten welke richting het op is. Bij kleine stromen is het natuurlijk een probleem als de hall sensor niet nauwkeurig genoeg is. Misschien kan je de 'nul' kalibreren doordat je weet wanneer er geen stroom loopt met de GMR sensor. En je kan natuurlijk flink middelen, omdat je weet dat enkel de richting kan veranderen als je GMR sensor nul stroom heeft gemeten.

Ik ben wel benieuwd hoe nauwkeurig dit is tov een shunt weerstand die evenveel vermogen verstookt.

[Sibylle]

Een GRM is eigenlijk van nature precies wat jij zoekt, namelijk een signaal afhankelijk van de richting van je magneetveld (en dus je stroom). De GMR van NVE heeft een 'feature' die de user hiervanaf helpt en dus beide kanten op een signaal geeft.

Er zijn vast GRM's op de markt die precies kunnen wat jij wilt, het kost wellicht wat tijd om ze te vinden
Als je alleen de richting van de stroom wilt weten zijn er echter mooie oplossingen te bedenken.

Plaats dicht naast je stroomtrace een meettrace in de vorm van een vierkantje, deze is dan inductief gekoppeld. Je kunt een spanning meten in je meettrace waar je de richting mee kunt bepalen. Als je echt kleine stroompjes wilt meten dan moet je misschien een meettrace OM je stroomtrace maken (dan heb je 3layer PCB nodig of een elegante zelfbouwoplossing).
Hoe dan ook kun je een flinke versterking erachter zetten aangezien het je alleen om de polariteit van je signaal gaat.

[AlexanderB]

Moet de state of charge in procent zijn of absoluut?

Moet het tijdens belasting danwel laden gemeten worden? (Dan moet je inderdaad iets doen met stroommeting en de bekende of gemeten interne weerstand van de cellen..)

open-klemspanning van lithium batterijen is vrijwel lineair met state of charge (en met fatsoenlijke accu's krijg je dr een grafiekje bij..) maar dat is dus procentueel.

En eeuh, spannigsval (danwel spanningsstijging) onder belasting (danwel opladen) is lineair aan interne weerstand en lopende stroom, de ene is gegeven in de datasheet (of kan je meten), de ander ga je dan inderdaad moeten meten met een van je genoemde oplossingen..

[Sissors]

Sibylle schreef op dinsdag 30 juli 2013 @ 23:31:
Een GRM is eigenlijk van nature precies wat jij zoekt, namelijk een signaal afhankelijk van de richting van je magneetveld (en dus je stroom). De GMR van NVE heeft een 'feature' die de user hiervanaf helpt en dus beide kanten op een signaal geeft.

Er zijn vast GRM's op de markt die precies kunnen wat jij wilt, het kost wellicht wat tijd om ze te vinden
Als je alleen de richting van de stroom wilt weten zijn er echter mooie oplossingen te bedenken.

Plaats dicht naast je stroomtrace een meettrace in de vorm van een vierkantje, deze is dan inductief gekoppeld. Je kunt een spanning meten in je meettrace waar je de richting mee kunt bepalen. Als je echt kleine stroompjes wilt meten dan moet je misschien een meettrace OM je stroomtrace maken (dan heb je 3layer PCB nodig of een elegante zelfbouwoplossing).
Hoe dan ook kun je een flinke versterking erachter zetten aangezien het je alleen om de polariteit van je signaal gaat.

Inductieve koppeling werkt enkel voor AC signalen, niet DC, dus dat is een probleem. Je kan dan wel het resultaat integreren, maar dat werkt ook alleen weer lekker voor grote signalen.

[ Voor 5% gewijzigd door Sissors op 31-07-2013 07:56 ]

[Techneut]

LED-Maniak schreef op dinsdag 30 juli 2013 @ 20:58:
Mogelijk een hele domme opmerking hoor:

Je kan stroom meten, maar niet de richting. Kan je dan niet parallel aan je load een hele grote 'shunt' weerstand plaatsen waarmee je puur de richting meet? De stroom die er doorheen loopt is dan zeer klein, maar je meet/weet wel de richting.

Hoe zo kun je geen richting meten? Dat kan toch bij gelijkstroom sowieso? Een analoge ampèremeter (althans een draaispoelmeter) slaat de andere kant uit, een digitale vertoont een min-teken. Dan heb je toch meteen die richtingindicatie? Beetje onduidelijk wat je dan eigenlijk bedoelt met je voorstel, want dat is toch exact hetzelfde?

[heggico]

Hij heeft het over de GMR sensor, deze geeft gewoon een signaal tov de stroom. Alleen is dit signaal altijd positief.

[Dre]

Je bent erg gefocussed op de GMR sensor, is dat terrecht? Met andere woorden:

Shunt weerstand [...] deze methode kost (relatief) veel vermogen

Hoeveel vermogen (of energie?) kost een shunt weerstand? En is dat een probleem?

Hall sensor. Minder betrouwbaar.

Wat bedoel je met minder betrouwbaar en hoezo is de Hall sensor minder betrouwbaar?

[LED-Maniak]

Techneut schreef op woensdag 31 juli 2013 @ 14:15:
[...]
Hoe zo kun je geen richting meten? Dat kan toch bij gelijkstroom sowieso? Een analoge ampèremeter (althans een draaispoelmeter) slaat de andere kant uit, een digitale vertoont een min-teken. Dan heb je toch meteen die richtingindicatie? Beetje onduidelijk wat je dan eigenlijk bedoelt met je voorstel, want dat is toch exact hetzelfde?

Topic start eerst lezen, daarna nogmaals mijn reactie.

TS kan alleen positief meten met huidige setup.

[Techneut]

Oké, dan is het niet zo'n gek voorstel. Voor enkel richtingsindicatie heb je maar een heel zwak signaaltje nodig, het enige wat je dient te weten is positief of negatief. Hoe zwak ook, d.m.v. een opamp kun je het daarna heel simpel versterken, die hele grote shunt valt dan best mee.

[ReneK]

Nog een optie: fully integrated Hall-effect sensoren met buffer amp en signal conditioning van Allegro Microsystems. Zijn nog geïsoleerd ook, en zeer robuust.

Zie hier:

http://www.allegromicro.c...Conductor-Sensor-ICs.aspx

O.a. te koop bij Farnell, zoals deze:

http://nl.farnell.com/all...rent-20a-soic8/dp/1329624

Ik weet alleen niet of er iets bij zit voor de range die jij wilt meten.
Ze bestaan zowel in unipolaire als bipolaire uitvoering.

Ik weet alleen niet wat je precies met "resterende accu capaciteit" bedoelt. Je gebruikt een aantal termen door elkaar. Is dat echt de resterende capaciteit (dwz. wat nog aan capaciteit resteert na veroudering) of bedoel je de resterende energie in de akku (procentueel dan wel absoluut?). Net zo goed als de term Coulomb op lading slaat, niet op energie.

[Techneut]

ReneK, de topictitel luidt coulomb counting. En dat slaat duidelijk niet op energie maar op lading. En uit de context van TS zijn verdere betoog maak ik op dat hij wil weten hoeveel lading er in gaat en hoeveel er elk moment resteert.

"Resterende accu capaciteit" is dan inderdaad een niet zo correcte woordkeus, moet natuurlijk lading zijn. Maar in het daarna volgende verhaal is dat wel duidelijk dacht ik. Uit niets zie ik dat er misschien teruglopende capaciteit door veroudering wordt bedoeld.

[ Voor 36% gewijzigd door Techneut op 31-07-2013 22:55 ]

[Sibylle]

Ik vind mijn oplossingen nog steeds de mooiste en subtielste, dus ik herhaal ze nog eens:
Plaats dicht naast je stroomtrace een meettrace in de vorm van een vierkantje, deze is dan inductief gekoppeld. Je kunt een spanning meten in je meettrace waar je de richting mee kunt bepalen. Als je echt kleine stroompjes wilt meten dan moet je misschien een meettrace OM je stroomtrace maken (dan heb je 3layer PCB nodig of een elegante zelfbouwoplossing).
Hoe dan ook kun je een flinke versterking erachter zetten aangezien het je alleen om de polariteit van je signaal gaat.

Sissors schreef op woensdag 31 juli 2013 @ 07:56:
[...]

Inductieve koppeling werkt enkel voor AC signalen, niet DC, dus dat is een probleem. Je kan dan wel het resultaat integreren, maar dat werkt ook alleen weer lekker voor grote signalen.

Het werkt voor alle niet constante stromen, hoeft niet AC te zijn. Je DC stroom moet ooit omhoog en ook weer omlaag. Je gebruikt het inschakelmoment om de richting te meten. Je GMR kan bepalen of je door nul gaat en of je van richting verandert of niet. Met de GMR en een inductieve koppeling heb je alles vastgelegd en heb je je probleem opgelost.

[Sissors]

Alle niet constante stromen = AC. Je hebt gelijk dat het in theorie kan, maar als de stroom langzaam inschakelt wordt het denk ik toch extreem lastig. En goede kans dat een 3-4 layer PCB laten maken simpelweg of te lang duurt, of teveel kost voor een afscholierstage.

Daarom lijkt mij een Hall sensor net zo handig. Voor een productie iets is het natuurlijk een pré als je niet nog een extra component nodig hebt, maar ik vraag me af of het voor nu het handigste is.

[memphis]

Ook magnetisme van gelijkstroom is prima te meten, ik heb laatst een sensor S501 voor een dergelijk iets gebruikt, die kan de polarisatie van de magnetisme meten en als ik het goed heb bepaal je met de stroomrichting ook de polarisatie van de magnetisme.

[Sissors]

Dat zeg ik dus dan ook, een Hall sensor. Maar inductief is gelijkstroom niet te meten.

[FlyEragon]

De shunt weerstand oplossingen zijn niet eens heel gek afhankelijk van de spanning en stromen, ik heb ooit deze gebruikt : LTC2941

Nauwkeurigheid in de micro-amperes, alleen de spanning is nogal beperkt tot slechts 1 li-ion cel.

[Sibylle]

Sissors schreef op donderdag 01 augustus 2013 @ 08:12:
Alle niet constante stromen = AC. Je hebt gelijk dat het in theorie kan, maar als de stroom langzaam inschakelt wordt het denk ik toch extreem lastig. En goede kans dat een 3-4 layer PCB laten maken simpelweg of te lang duurt, of teveel kost voor een afscholierstage.

Daarom lijkt mij een Hall sensor net zo handig. Voor een productie iets is het natuurlijk een pré als je niet nog een extra component nodig hebt, maar ik vraag me af of het voor nu het handigste is.

Een langzaam ingeschakelende DC stroom is niet constant en ook niet alternating hoor Maar definities maken niet zoveel uit. Je hebt gelijk dat het lastig is bij langzame inschakelingen, en ook bij gepulste belasting. Je moet dan voldoende robuuste signaalverwerking hebben en dat kan het hele project opslurpen.

Met Hall sensor is ook een optie als je er eentje vindt die de richting van het veld kan meten (in of uit het vlak).

Beste optie lijkt me nog om simpelweg een GMR te vinden die de richting kan meten, die werking ligt dichterbij de principiele werking achter een GMR dus ze zullen wel bestaan.

TS heb je al een update

[Bartjezz]

Stroomrichting is toch niet zo moeilijk? Een spanningsmeetpunt voor de accu en na de accu en je weet het. Hoogste spanning is de +, net zoals meten over een weerstand.

[Techneut]

Kan ook ja, maar dan wel met een (laagohmige) weerstand er mee in serie, anders bestaat er geen spanning voor en na de accu. Het wordt dan wel voor en na de weerstand. En dan heb je toch in feite hetzelfde als waar de discussie al over ging? Alleen daar was het om spanning over de weerstand met maar één spanningsmeting.

[ Voor 3% gewijzigd door Techneut op 02-08-2013 21:25 ]

[B_FORCE]

Ik vraag me gelijk af of er bepaalde andere randvoorwaarden zijn.

Kun je bv halverwege herkalibreren?
Moet het compact?
Hoe is de interface? (moet het in een ucontroller, pc, analoog?)

Uiteindelijk zou ik idd (net als Sibylle( technieken combineren.
Vergeet daarbij de (relatieve) onnauwkeurigheden niet mee te nemen overigens!!!!!

Overigens zijn er tegenwoordig behoorlijk betrouwbare hall sensoren en bizar lage shunt weerstanden (of ic's die stroom kunnen meten met ingebouwde shunt weerstand)
Stroomrichting lijkt mij idd ook niet echt een punt.

Vergeet trouwens ook niet temperatuur mee te nemen.

Heb even snel gekeken, is niet helemaal mijn vakgebied, maar er is iig heel erg veel over te vinden (En dan bedoel ik goede wetenschappelijke artikelen!! )

edit:
Owjha, hoe nauwkeurig moet het eigenlijk??

[ Voor 49% gewijzigd door B_FORCE op 08-08-2013 22:55 ]

[M2M]

Je telt de elektronene (stroom) de ene kant op (de accu in) en de andere kant op (de accu uit)

Mis ik nu iets of hoort de hoeveelheid electronen ingaand altijd hetzelfde te zijn als de hoeveelheid electronen uitgaand?

[Techneut]

Inderdaad een nogal onbeholpen uitdrukking, duidelijk geen taalgebruik van een (nog niet) elektrotechnisch geschoold iemand. Maar afijn, uit TS z'n verdere betoog dacht ik te begrijpen dat hij het over lading heeft die de accu ingaat (laadstroom maal tijd in seconden, inderdaad coulombs dus) en over de belastingstroom maal tijd die de accu uitgaat. Verschil is dan duidelijk de lading die zich elk moment nog in de accu bevindt.
En bovendien is het aantal coulombs evenredig aan het aantal getransporteerde elektronen. Alleen is dat laatste een onwerkbaar groot getal.

Overigens het topic, het gaat over een accu, dus wat er in gaat is overduidelijk niet per definitie gelijk aan wat er uit gaat. Want dat kan op bepaalde tijdstippen ook nul zijn. Beetje flauwe vraag dus naar de bekende weg..