1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Die toestand van lading kan gedefinieer word as die toestand van beskikbare elektriese energie in die battery, gewoonlik uitgedruk as ‘n persentasie. Omdat die beskikbare elektriese energie wissel met lading- en ontladingsstroom, temperatuur en verouderingsverskynsels, word die definisie van ladingtoestand ook in twee tipes verdeel: Absolute Ladingstoestand (ASOC) en Relatiewe Ladingstoestand (Relatiewe Toestand) -Of-Charge; ASOC) State-of-charge; RSOC). Normaalweg is die relatiewe toestand van ladingsreeks 0%-100%, terwyl die battery 100% is wanneer dit ten volle gelaai is en 0% wanneer dit heeltemal ontlaai is. Die absolute toestand van lading is ‘n verwysingswaarde wat bereken word volgens die ontwerpte vaste kapasiteitswaarde wanneer die battery vervaardig word. Die absolute ladingtoestand van ‘n splinternuwe volgelaaide battery is 100%; en selfs al is ‘n verouderende battery vol gelaai, kan dit nie 100% bereik onder verskillende laai- en ontlaaitoestande nie.

Die figuur hieronder toon die verband tussen spanning en batterykapasiteit by verskillende ontladingstempo’s. Hoe hoër die ontladingstempo, hoe laer is die batterykapasiteit. Wanneer die temperatuur laag is, sal die batterykapasiteit ook afneem.

Figuur 1.

Die verband tussen spanning en kapasiteit by verskillende ontladingstempo’s en temperature

1.2 Max Charging Voltage

The maximum charging voltage is related to the chemical composition and characteristics of the battery. The charging voltage of lithium battery is usually 4.2V and 4.35V, and the voltage value will be different if the cathode and anode materials are different.

1.3 Ten volle gelaai

Wanneer die verskil tussen die batteryspanning en die hoogste laaispanning minder as 100mV is, en die laaistroom daal tot C/10, kan die battery as volledig gelaai beskou word. Die batteryeienskappe verskil, en die volle ladingtoestande verskil ook.

Die figuur hieronder toon ‘n tipiese litiumbattery-laai-kenmerkkurwe. Wanneer die batteryspanning gelyk is aan die hoogste laaispanning en die laaistroom daal tot C/10, word die battery as vol gelaai beskou.

Figuur 2. Litiumbattery-laai-kenmerkkurwe

1.4 Mini-ontladingsspanning

The minimum discharge voltage can be defined by the cut-off discharge voltage, which is usually the voltage when the state of charge is 0%. This voltage value is not a fixed value, but changes with load, temperature, aging degree, or other factors.

1.5 Volledig ontslag

Wanneer die batteryspanning minder as of gelyk is aan die minimum ontladingsspanning, kan dit ‘n volledige ontlading genoem word.

1.6 Laai- en ontladingstempo (C-koers)

The charge-discharge rate is an expression of the charge-discharge current relative to the battery capacity. For example, if 1C is used to discharge for one hour, ideally, the battery will be completely discharged. Different charge and discharge rates will result in different usable capacity. Generally, the greater the charge-discharge rate, the smaller the available capacity.

1.7 Siklus lewe

Die aantal siklusse is die aantal kere wat ‘n battery volledige laai en ontlaai ondergaan het, wat geskat kan word uit die werklike ontladingskapasiteit en die ontwerpkapasiteit. Wanneer die opgehoopte ontladingskapasiteit gelyk is aan die ontwerpkapasiteit, is die aantal siklusse een keer. Gewoonlik na 500 laai-ontladingsiklusse daal die kapasiteit van ‘n volledig gelaaide battery met 10% ~ 20%.

Figure 3. The relationship between the number of cycles and battery capacity

1.8 Selfontlading

Die selfontlading van alle batterye neem toe soos die temperatuur styg. Selfontlading is basies nie ‘n vervaardigingsfout nie, maar die eienskappe van die battery self. Onbehoorlike hantering in die vervaardigingsproses kan egter ook ‘n toename in selfontlading veroorsaak. Oor die algemeen verdubbel die selfontladingstempo vir elke 10°C toename in batterytemperatuur. Die maandelikse selfontlading van litiumioonbatterye is ongeveer 1~2%, terwyl die maandelikse selfontlading van verskeie nikkel-gebaseerde batterye 10-15% is.

Figure 4. The performance of the self-discharge rate of lithium batteries at different temperatures

2. Inleiding tot Battery Brandstofmeter

2.1 Introduction to Fuel Gauge Function

Battery management can be regarded as part of power management. In battery management, the fuel gauge is responsible for estimating battery capacity. Its basic function is to monitor the voltage, charge/discharge current and battery temperature, and estimate the battery state of charge (SOC) and the battery’s full charge capacity (FCC). There are two typical methods for estimating the state of charge of a battery: the open circuit voltage method (OCV) and the coulometric method. Another method is the dynamic voltage algorithm designed by RICHTEK.

2.2 Oopbaanspanningsmetode

The electricity meter using the open circuit voltage method is easier to implement, and it can be obtained by looking up the table corresponding to the state of charge of the open circuit voltage. The hypothetical condition of the open circuit voltage is the battery terminal voltage when the battery rests for about 30 minutes.

Onder verskillende las, temperatuur en batteryveroudering sal die batteryspanningskromme anders wees. Daarom kan ‘n vaste oopkring voltmeter nie die toestand van lading volledig verteenwoordig nie; die toestand van lading kan nie geskat word deur die tabel alleen op te soek nie. Met ander woorde, as die toestand van lading slegs geskat word deur die tabel op te soek, sal die fout baie groot wees.

Die volgende figuur toon dat dieselfde batteryspanning onder laai en ontlaai is, en die toestand van lading wat deur die oopkringspanningsmetode gevind word, is baie anders.

Figuur 5. Batteryspanning onder laai en ontlaai

Die figuur hieronder toon dat die toestand van lading baie verskil onder verskillende ladings tydens ontlading. So basies is die oopkringspanningsmetode slegs geskik vir stelsels met lae vereistes vir die akkuraatheid van die toestand van lading, soos die gebruik van loodsuurbatterye of ononderbroke kragtoevoer in motors.

Figuur 6. Batteryspanning onder verskillende ladings tydens ontlading

2.3 Coulomb-meetmetode

Die werkingsbeginsel van die coulomb-meetmetode is om ‘n opsporingsweerstand op die laai-/ontladingspad van die battery te koppel. Die ADC meet die spanning op die opsporingsweerstand en skakel dit om in die huidige waarde van die battery wat gelaai of ontlaai word. Die intydse teller (RTC) verskaf die integrasie van die huidige waarde met tyd, om te weet hoeveel coulombs deurvloei.

Figuur 7. Basiese werksmetode van Coulomb-meetmetode

Coulomb-meetmetode kan die intydse toestand van lading akkuraat bereken tydens laai of ontlaai. Met die lading-coulomb-teller en die ontlading-coulomb-teller kan dit die oorblywende kapasiteit (RM) en die volle ladingkapasiteit (FCC) bereken. Terselfdertyd kan die oorblywende kapasiteit (RM) en die volle lading kapasiteit (FCC) ook gebruik word om die toestand van lading te bereken, dit wil sê (SOC = RM / FCC). Daarbenewens kan dit ook die oorblywende tyd skat, soos kraguitputting (TTE) en volle krag (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Daar is twee hooffaktore wat afwykings in die akkuraatheid van die Coulomb-meetmetode veroorsaak. Die eerste is die ophoping van verrekenfoute in stroomwaarneming en ADC-meting. Alhoewel die meetfout met die huidige tegnologie nog klein is, sal die fout met tyd toeneem as daar nie ‘n goeie manier is om dit uit te skakel nie. Die figuur hieronder toon dat in praktiese toepassings, as daar geen regstelling in die tydsduur is nie, die opgehoopte fout onbeperk is.

Figuur 9. Kumulatiewe fout van Coulomb-meetmetode

In order to eliminate the accumulated error, there are three possible useable time points in normal battery operation: end of charge (EOC), end of discharge (EOD) and rest (Relax). When the charging end condition is reached, it means that the battery is fully charged and the state of charge (SOC) should be 100%. The discharge end condition means that the battery has been completely discharged and the state of charge (SOC) should be 0%; it can be an absolute voltage value or change with the load. When it reaches the resting state, the battery is neither charged nor discharged, and it remains in this state for a long time. If the user wants to use the rest state of the battery to correct the error of the coulomb measurement method, an open-circuit voltmeter must be used at this time. The figure below shows that the state of charge error can be corrected in the above state.

Figuur 10. Voorwaardes vir die uitskakeling van die kumulatiewe fout van die Coulomb-meetmetode

Die tweede groot faktor wat die afwyking van die akkuraatheid van die coulomb-meetmetode veroorsaak, is die volle lading kapasiteit (FCC) fout, wat die verskil is tussen die waarde van die battery ontwerp kapasiteit en die ware volle lading kapasiteit van die battery. Volle lading kapasiteit (FCC) sal beïnvloed word deur temperatuur, veroudering, vrag en ander faktore. Daarom is die herleer- en kompensasiemetode van die volle ladingkapasiteit baie belangrik vir die coulomb-meetmetode. Die volgende figuur toon die neigingsverskynsel van die toestand van ladingsfout wanneer die volle ladingkapasiteit oorskat en onderskat word.

Figuur 11. Die foutneiging wanneer die volle ladingkapasiteit oorskat en onderskat word

2.4 Dinamiese spanningsalgoritme brandstofmeter

Die dinamiese spanningsalgoritme brandstofmeter kan die ladingtoestand van die litiumbattery bereken net op grond van die batteryspanning. Hierdie metode is om die toename of afname van die ladingtoestand te skat gebaseer op die verskil tussen die batteryspanning en die oopbaanspanning van die battery. Die dinamiese spanninginligting kan die gedrag van die litiumbattery effektief simuleer om die toestand van lading SOC (%) te bepaal, maar hierdie metode kan nie die batterykapasiteitwaarde (mAh) skat nie.

Sy berekeningsmetode is gebaseer op die dinamiese verskil tussen die batteryspanning en die oopbaanspanning, deur ‘n iteratiewe algoritme te gebruik om elke toename of afname van die ladingtoestand te bereken om die toestand van lading te skat. In vergelyking met die oplossing van die Coulomb-meter brandstofmeter, sal die dinamiese spanningsalgoritme brandstofmeter nie foute ophoop oor tyd en stroom nie. Coulomb-meter brandstofmeters veroorsaak gewoonlik onakkurate skatting van die toestand van lading as gevolg van stroomwaarnemingsfoute en batteryselfontlading. Selfs al is die stroomwaarnemingsfout baie klein, sal die coulomb-teller voortgaan om die fout te akkumuleer, en die opgehoopte fout kan slegs uitgeskakel word wanneer dit ten volle gelaai of heeltemal ontlaai is.

Die dinamiese spanning algoritme brandstofmeter skat die toestand van lading van die battery slegs deur spanning inligting; omdat dit nie geskat word deur die huidige inligting van die battery nie, versamel dit nie foute nie. Om die akkuraatheid van die ladingtoestand te verbeter, moet die dinamiese spanningsalgoritme ‘n werklike toestel gebruik, en die parameters van ‘n geoptimaliseerde algoritme aanpas volgens die werklike batteryspanningskromme wanneer dit ten volle gelaai en ten volle ontlaai is.

Figuur 12. Werkverrigting van dinamiese spanningsalgoritme brandstofmeter en winsoptimering

The following is the performance of the dynamic voltage algorithm under different discharge rate conditions. It can be seen from the figure that its state of charge has good accuracy. Regardless of the discharge conditions of C/2, C/4, C/7 and C/10, the overall state of charge error of this method is less than 3%.

Figuur 13. Die werkverrigting van die ladingtoestand van die dinamiese spanningsalgoritme onder verskillende ontladingstempotoestande

Die figuur hieronder toon die werkverrigting van die toestand van lading wanneer die battery kortgelaai en kortgelaai is. Die toestand van ladingsfout is steeds baie klein, en die maksimum fout is slegs 3%.

Figuur 14. Die werkverrigting van die ladingtoestand van die dinamiese spanningsalgoritme wanneer die battery kortgelaai en kort ontlaai is

In vergelyking met die situasie waar die Coulomb-meter brandstofmeter gewoonlik onakkurate toestand van lading veroorsaak as gevolg van stroomwaarnemingsfoute en batteryselfontlading, versamel die dinamiese spanningsalgoritme nie foute oor tyd en stroom nie, wat ‘n groot voordeel is. Omdat daar geen inligting oor die laai-/ontladingsstroom is nie, het die dinamiese spanningsalgoritme swak korttermynakkuraatheid en stadige reaksietyd. Daarbenewens kan dit nie die volle laaikapasiteit skat nie. Dit presteer egter goed in terme van langtermyn-akkuraatheid, want die batteryspanning sal uiteindelik die toestand van lading direk weerspieël.