1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

يمكن تعريف حالة الشحن على أنها حالة الطاقة الكهربائية المتاحة في البطارية ، وعادة ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية. نظرًا لأن الطاقة الكهربائية المتاحة تختلف باختلاف تيار الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة وظواهر الشيخوخة ، فإن تعريف حالة الشحنة ينقسم أيضًا إلى نوعين: الحالة المطلقة للشحن (ASOC) وحالة الشحن النسبية (الحالة النسبية) – المسؤول ؛ ASOC) الدولة المسؤول ؛ RSOC). عادةً ما تكون الحالة النسبية لنطاق الشحن من 0٪ إلى 100٪ ، بينما تكون البطارية 100٪ عند الشحن الكامل و 0٪ عند تفريغها بالكامل. حالة الشحن المطلقة هي قيمة مرجعية محسوبة وفقًا لقيمة السعة الثابتة المصممة عند تصنيع البطارية. حالة الشحن المطلقة للبطارية الجديدة المشحونة بالكامل هي 100٪ ؛ وحتى إذا كانت البطارية القديمة مشحونة بالكامل ، فلن تصل إلى 100٪ في ظل ظروف الشحن والتفريغ المختلفة.

يوضح الشكل أدناه العلاقة بين الجهد وسعة البطارية بمعدلات تفريغ مختلفة. كلما زاد معدل التفريغ ، انخفضت سعة البطارية. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة ، ستنخفض أيضًا سعة البطارية.

الرقم 1.

العلاقة بين الجهد والقدرة عند معدلات التفريغ ودرجات الحرارة المختلفة

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 مشحونة بالكامل

عندما يكون الفرق بين جهد البطارية وأعلى جهد شحن أقل من 100 مللي فولت ، وينخفض ​​تيار الشحن إلى C / 10 ، يمكن اعتبار البطارية مشحونة بالكامل. تختلف خصائص البطارية ، كما تختلف ظروف الشحن الكامل.

يوضح الشكل أدناه منحنى نموذجي لشحن بطارية الليثيوم. عندما يكون جهد البطارية مساويًا لأعلى جهد شحن وينخفض ​​تيار الشحن إلى C / 10 ، تعتبر البطارية مشحونة بالكامل.

الشكل 2. منحنى خاصية شحن بطارية الليثيوم

1.4 ميني تفريغ الجهد

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 التفريغ الكامل

عندما يكون جهد البطارية أقل من أو يساوي الحد الأدنى لجهد التفريغ ، يمكن أن يطلق عليه تفريغ كامل.

1.6 Charge and discharge rate (C-Rate)

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 دورة الحياة

عدد الدورات هو عدد المرات التي خضعت فيها البطارية لعملية شحن وتفريغ كاملة ، والتي يمكن تقديرها من سعة التفريغ الفعلية وسعة التصميم. عندما تكون سعة التفريغ المتراكمة مساوية لسعة التصميم ، يكون عدد الدورات مرة واحدة. عادة بعد 500 دورة شحن وتفريغ ، تنخفض سعة البطارية المشحونة بالكامل بنسبة 10٪ ~ 20٪.

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

1.8 التفريغ الذاتي

يزداد التفريغ الذاتي لجميع البطاريات مع ارتفاع درجة الحرارة. لا يعد التفريغ الذاتي في الأساس عيبًا في التصنيع ، ولكنه يمثل خصائص البطارية نفسها. ومع ذلك ، يمكن أن يؤدي التعامل غير السليم في عملية التصنيع أيضًا إلى زيادة التفريغ الذاتي. بشكل عام ، يتضاعف معدل التفريغ الذاتي لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة البطارية. يبلغ التفريغ الذاتي الشهري لبطاريات الليثيوم أيون حوالي 1 ~ 2٪ ، بينما يبلغ التفريغ الذاتي الشهري للبطاريات المختلفة القائمة على النيكل 10-15٪.

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

2. مقدمة لمقياس وقود البطارية

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 طريقة جهد الدائرة المفتوحة

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.

في ظل اختلاف الحمل ودرجة الحرارة وعمر البطارية ، سيكون منحنى جهد البطارية مختلفًا. لذلك ، لا يمكن لمقياس الفولتميتر ذو الدائرة المفتوحة الثابتة أن يمثل حالة الشحن بالكامل ؛ لا يمكن تقدير حالة الشحن بالبحث عن الجدول وحده. بمعنى آخر ، إذا تم تقدير حالة الشحن فقط من خلال البحث في الجدول ، فسيكون الخطأ كبيرًا جدًا.

The following figure shows that the same battery voltage is under charge and discharge, and the state of charge found by the open circuit voltage method is very different.

الشكل 5. جهد البطارية تحت الشحن والتفريغ

يوضح الشكل أدناه أن حالة الشحن تختلف اختلافًا كبيرًا في ظل الأحمال المختلفة أثناء التفريغ. لذلك ، فإن طريقة جهد الدائرة المفتوحة مناسبة فقط للأنظمة ذات المتطلبات المنخفضة لدقة حالة الشحن ، مثل استخدام بطاريات الرصاص الحمضية أو إمدادات الطاقة غير المنقطعة في السيارات.

الشكل 6. جهد البطارية تحت الأحمال المختلفة أثناء التفريغ

2.3 طريقة قياس كولوم

مبدأ التشغيل لطريقة قياس كولوم هو توصيل المقاوم للكشف على مسار الشحن / التفريغ للبطارية. يقيس ADC الجهد على المقاوم للكشف ويحوله إلى القيمة الحالية للبطارية التي يتم شحنها أو تفريغها. يوفر عداد الوقت الحقيقي (RTC) تكامل القيمة الحالية مع الوقت ، وذلك لمعرفة عدد الكولوم التي تتدفق عبرها.

الشكل 7. طريقة العمل الأساسية لطريقة قياس كولوم

يمكن لطريقة قياس كولوم أن تحسب بدقة حالة الشحن في الوقت الحقيقي أثناء الشحن أو التفريغ. باستخدام عداد كولوم الشحن وعداد كولوم التفريغ ، يمكنه حساب السعة المتبقية (RM) وسعة الشحن الكاملة (FCC). في الوقت نفسه ، يمكن أيضًا استخدام السعة المتبقية (RM) وسعة الشحن الكامل (FCC) لحساب حالة الشحن ، أي (SOC = RM / FCC). بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه أيضًا تقدير الوقت المتبقي ، مثل استنفاد الطاقة (TTE) والطاقة الكاملة (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

هناك نوعان من العوامل الرئيسية التي تسبب انحرافات في دقة طريقة قياس كولوم. الأول هو تراكم أخطاء الإزاحة في الاستشعار الحالي وقياس ADC. على الرغم من أن خطأ القياس في التكنولوجيا الحالية لا يزال صغيراً ، إذا لم تكن هناك طريقة جيدة للقضاء عليه ، فسوف يزداد الخطأ بمرور الوقت. يوضح الشكل أدناه أنه في التطبيقات العملية ، إذا لم يكن هناك تصحيح في المدة الزمنية ، فإن الخطأ المتراكم غير محدود.

الشكل 9. الخطأ التراكمي لطريقة قياس كولوم

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.

الشكل 10. شروط القضاء على الخطأ التراكمي لطريقة قياس كولوم

العامل الرئيسي الثاني الذي يتسبب في انحراف دقة طريقة قياس كولوم هو خطأ سعة الشحن الكامل (FCC) ، وهو الفرق بين قيمة سعة تصميم البطارية وسعة الشحن الكاملة الحقيقية للبطارية. تتأثر سعة الشحن الكاملة (FCC) بدرجة الحرارة والشيخوخة والحمل وعوامل أخرى. لذلك ، فإن طريقة إعادة التعلم والتعويض لسعة الشحن الكاملة مهمة جدًا لطريقة قياس الكولوم. يوضح الشكل التالي ظاهرة الاتجاه لحالة خطأ الشحن عندما يتم المبالغة في تقدير سعة الشحن الكاملة والتقليل من شأنها.

الشكل 11. اتجاه الخطأ عند المبالغة في تقدير سعة الشحن الكاملة والتقليل من شأنها

2.4 قياس الوقود خوارزمية الجهد الديناميكي

يمكن لمقياس الوقود الخوارزمي للجهد الديناميكي حساب حالة شحن بطارية الليثيوم بناءً على جهد البطارية فقط. تهدف هذه الطريقة إلى تقدير الزيادة أو النقصان في حالة الشحن بناءً على الفرق بين جهد البطارية وفلطية الدائرة المفتوحة للبطارية. يمكن لمعلومات الجهد الديناميكي محاكاة سلوك بطارية الليثيوم بشكل فعال لتحديد حالة الشحن SOC (٪) ، لكن هذه الطريقة لا تستطيع تقدير قيمة سعة البطارية (مللي أمبير).

تعتمد طريقة حسابها على الاختلاف الديناميكي بين جهد البطارية وفولطية الدائرة المفتوحة ، باستخدام خوارزمية تكرارية لحساب كل زيادة أو نقصان في حالة الشحن لتقدير حالة الشحن. بالمقارنة مع حل مقياس الوقود قياس كولوم ، فإن مقياس الوقود لوغاريتم الجهد الديناميكي لن يتراكم الأخطاء بمرور الوقت والتيار. عادةً ما تتسبب مقاييس وقود قياس Coulomb في تقدير غير دقيق لحالة الشحن بسبب أخطاء الاستشعار الحالية والتفريغ الذاتي للبطارية. حتى إذا كان خطأ الاستشعار الحالي صغيرًا جدًا ، سيستمر عداد كولوم في تراكم الخطأ ، ولا يمكن التخلص من الخطأ المتراكم إلا عندما يتم شحنه بالكامل أو تفريغه بالكامل.

يقدّر مقياس الوقود لخوارزمية الجهد الديناميكي حالة شحن البطارية فقط من خلال معلومات الجهد ؛ لأنه لا يتم تقديره بالمعلومات الحالية للبطارية ، فإنه لا يتراكم الأخطاء. من أجل تحسين دقة حالة الشحن ، تحتاج خوارزمية الجهد الديناميكي إلى استخدام جهاز فعلي ، وضبط معلمات خوارزمية محسّنة وفقًا لمنحنى جهد البطارية الفعلي عندما يتم شحنها بالكامل وتفريغها بالكامل.

الشكل 12. أداء مقياس الوقود لوغاريتمات الجهد الديناميكي وتحسين الكسب

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%.

الشكل 13. أداء حالة الشحن لخوارزمية الجهد الديناميكي في ظل ظروف معدل التفريغ المختلفة

يوضح الشكل أدناه أداء حالة الشحن عندما تكون البطارية قصيرة الشحن وقصيرة التفريغ. لا تزال حالة خطأ الشحن صغيرة جدًا ، وأقصى خطأ هو 3٪ فقط.

الشكل 14. أداء حالة الشحن لخوارزمية الجهد الديناميكي عندما تكون البطارية قصيرة الشحن وقصيرة التفريغ

مقارنة بالحالة التي يتسبب فيها مقياس الوقود قياس كولوم عادة في حالة شحن غير دقيقة بسبب أخطاء الاستشعار الحالية والتفريغ الذاتي للبطارية ، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي لا تتراكم الأخطاء بمرور الوقت والتيار ، وهي ميزة كبيرة. نظرًا لعدم وجود معلومات حول تيار الشحن / التفريغ ، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي لديها دقة ضعيفة على المدى القصير ووقت استجابة بطيء. بالإضافة إلى ذلك ، لا يمكن تقدير سعة الشحن الكاملة. ومع ذلك ، فإنه يعمل بشكل جيد من حيث الدقة على المدى الطويل ، لأن جهد البطارية سيعكس في النهاية بشكل مباشر حالة الشحن.