1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 İcazəsiz Dövlət (SOC)

Doldurma vəziyyəti batareyada mövcud elektrik enerjisinin vəziyyəti kimi müəyyən edilə bilər, adətən faizlə ifadə edilir. Mövcud elektrik enerjisi yük və boşalma cərəyanı, temperatur və qocalma hadisələri ilə dəyişdiyinə görə, yük vəziyyətinin tərifi də iki növə bölünür: Mütləq Şarj Durumu (ASOC) və Nisbi Yük Durumu (Nisbi Vəziyyət) -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalda doldurma diapazonunun nisbi vəziyyəti 0%-100%, batareya tam doldurulduqda 100% və tam boşaldıqda isə 0% olur. Mütləq doldurulma vəziyyəti akkumulyator istehsal edildikdə nəzərdə tutulmuş sabit tutum dəyərinə uyğun olaraq hesablanmış istinad dəyəridir. Yeni tam doldurulmuş batareyanın mütləq doldurulması 100% təşkil edir; və hətta köhnə batareya tam doldurulsa belə, müxtəlif doldurma və boşalma şərtlərində o, 100%-ə çata bilməz.

Aşağıdakı rəqəm müxtəlif boşalma dərəcələrində gərginlik və batareya tutumu arasında əlaqəni göstərir. Boşaltma dərəcəsi nə qədər yüksək olsa, batareya tutumu bir o qədər aşağı olar. Temperatur aşağı olduqda, batareyanın tutumu da azalacaq.

Şəkil 1.

Müxtəlif boşalma dərəcələrində və temperaturda gərginlik və tutum arasında əlaqə

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 Tam doldurulub

Batareyanın gərginliyi ilə ən yüksək doldurma gərginliyi arasındakı fərq 100 mV-dən az olduqda və doldurma cərəyanı C/10 səviyyəsinə endikdə, batareya tam doldurulmuş hesab edilə bilər. Batareyanın xüsusiyyətləri fərqlidir və tam doldurma şərtləri də fərqlidir.

Aşağıdakı rəqəm tipik litium batareyanın doldurulması xarakterik əyrisini göstərir. Batareyanın gərginliyi ən yüksək doldurma gərginliyinə bərabər olduqda və doldurma cərəyanı C/10 səviyyəsinə endikdə, batareya tam doldurulmuş sayılır.

Şəkil 2. Litium batareyasının doldurulması xarakterik əyri

1.4 Mini Boşaltma Gərginliyi

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 Tam boşalma

Batareyanın gərginliyi minimum boşalma gərginliyindən az və ya bərabər olduqda, onu tam boşalma adlandırmaq olar.

1.6 Doldurma və boşaltma dərəcəsi (C-Rate)

Doldurma-boşaltma sürəti batareyanın tutumuna nisbətən doldurma-boşaltma cərəyanının ifadəsidir. Məsələn, bir saat boşalmaq üçün 1C istifadə edilərsə, ideal olaraq batareya tamamilə boşaldılacaqdır. Fərqli yükləmə və boşaltma dərəcələri fərqli istifadə qabiliyyətinə səbəb olacaq. Ümumiyyətlə, doldurma-boşaltma dərəcəsi nə qədər çox olarsa, mövcud tutum da bir o qədər kiçikdir.

1.7 Döngü ömrü

Dövrlərin sayı, batareyanın tam doldurulması və boşaldılmasının neçə dəfədir ki, bu, faktiki boşalma gücündən və dizayn gücündən təxmin edilə bilər. Yığılmış boşaltma qabiliyyəti layihə gücünə bərabər olduqda, dövrlərin sayı bir dəfədir. Adətən 500 şarj-boşaltma dövründən sonra tam doldurulmuş batareyanın tutumu 10% ~ 20% azalır.

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

1.8 Öz-özünə boşalma

Temperatur yüksəldikcə bütün batareyaların öz-özünə boşalması artır. Öz-özünə boşalma, əsasən, istehsal qüsuru deyil, batareyanın özünün xüsusiyyətləridir. Bununla belə, istehsal prosesində düzgün olmayan rəftar da öz-özünə boşalmanın artmasına səbəb ola bilər. Ümumiyyətlə, batareyanın temperaturunda hər 10°C artım üçün özünü boşaltma dərəcəsi iki dəfə artır. Litium-ion batareyalarının aylıq özünü boşalması təxminən 1~2%, müxtəlif nikel əsaslı batareyaların aylıq özünü boşalması isə 10-15% təşkil edir.

Şəkil 4. Müxtəlif temperaturlarda litium batareyalarının öz-özünə boşalma sürətinin performansı

2. Batareya Yanacaq Ölçüsünə Giriş

2.1 Yanacaq ölçmə funksiyasına giriş

Batareyanın idarə edilməsi enerji idarəetməsinin bir hissəsi kimi qəbul edilə bilər. Batareyanın idarə edilməsində yanacaq göstəricisi akkumulyatorun tutumunun hesablanmasına cavabdehdir. Onun əsas funksiyası gərginliyə, doldurma/boşaltma cərəyanına və batareyanın temperaturuna nəzarət etmək və batareyanın doldurulma vəziyyətini (SOC) və batareyanın tam doldurma qabiliyyətini (FCC) qiymətləndirməkdir. Batareyanın doldurulma vəziyyətini qiymətləndirmək üçün iki tipik üsul var: açıq dövrə gərginliyi metodu (OCV) və kulometrik üsul. Başqa bir üsul RICHTEK tərəfindən hazırlanmış dinamik gərginlik alqoritmidir.

2.2 Açıq dövrə gərginliyi üsulu

Açıq dövrə gərginliyi metodundan istifadə edən elektrik sayğacını həyata keçirmək daha asandır və onu açıq dövrə gərginliyinin yüklənmə vəziyyətinə uyğun cədvələ baxmaqla əldə etmək olar. Açıq dövrə gərginliyinin hipotetik vəziyyəti, batareyanın təxminən 30 dəqiqə dayandığı zaman batareya terminalının gərginliyidir.

Fərqli yük, temperatur və batareyanın köhnəlməsi altında batareya gərginliyi əyrisi fərqli olacaq. Buna görə də, sabit açıq dövrəli voltmetr şarj vəziyyətini tam şəkildə təmsil edə bilməz; Yalnız cədvələ baxmaqla yükün vəziyyətini qiymətləndirmək olmaz. Başqa sözlə, şarj vəziyyəti yalnız cədvələ baxmaqla təxmin edilirsə, səhv çox böyük olacaqdır.

Aşağıdakı rəqəm göstərir ki, eyni batareya gərginliyi doldurulma və boşalma altındadır və açıq dövrə gərginliyi metodu ilə tapılan şarj vəziyyəti çox fərqlidir.

Şəkil 5. Doldurma və boşalma zamanı batareyanın gərginliyi

Aşağıdakı rəqəm, boşalma zamanı müxtəlif yüklər altında yükün vəziyyətinin çox dəyişdiyini göstərir. Beləliklə, əsasən, açıq dövrə gərginliyi metodu yalnız qurğuşun-turşu akkumulyatorlarının və ya avtomobillərdə fasiləsiz enerji təchizatının istifadəsi kimi şarj vəziyyətinin düzgünlüyünə aşağı tələbləri olan sistemlər üçün uyğundur.

Şəkil 6. Boşalma zamanı müxtəlif yüklər altında akkumulyatorun gərginliyi

2.3 Kulon ölçmə üsulu

Kulon ölçmə metodunun iş prinsipi batareyanın doldurulma/boşaltma yolunda aşkarlama rezistorunu birləşdirməkdir. ADC aşkarlama rezistorunda gərginliyi ölçür və onu doldurulan və ya boşaldılan batareyanın cari dəyərinə çevirir. Real vaxt sayğacı (RTC) neçə kulonun keçdiyini bilmək üçün cari dəyərin zamanla inteqrasiyasını təmin edir.

Şəkil 7. Kulon ölçmə metodunun əsas iş üsulu

Coulomb ölçmə metodu, doldurma və ya boşalma zamanı yükün real vaxt vəziyyətini dəqiq hesablaya bilər. Doldurma kulon sayğacı və boşalma kulon sayğacı ilə o, qalan tutumu (RM) və tam doldurma qabiliyyətini (FCC) hesablaya bilər. Eyni zamanda, qalan tutum (RM) və tam doldurma qabiliyyəti (FCC) doldurulma vəziyyətini hesablamaq üçün də istifadə edilə bilər, yəni (SOC = RM / FCC). Bundan əlavə, o, həmçinin gücün tükənməsi (TTE) və tam gücü (TTF) kimi qalan vaxtı da hesablaya bilər.

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Coulomb ölçmə metodunun dəqiqliyində sapmalara səbəb olan iki əsas amil var. Birincisi, cərəyan algılamasında və ADC-nin ölçülməsində ofset xətalarının yığılmasıdır. Mövcud texnologiya ilə ölçmə xətası hələ də kiçik olsa da, onu aradan qaldırmaq üçün yaxşı bir yol yoxdursa, səhv zamanla artacaq. Aşağıdakı rəqəm göstərir ki, praktiki tətbiqlərdə, zaman müddətində heç bir düzəliş olmadıqda, yığılmış xəta qeyri-məhduddur.

Şəkil 9. Kulon ölçmə metodunun məcmu xətası

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.

Şəkil 10. Kulon ölçmə metodunun kumulyativ xətasının aradan qaldırılması şərtləri

Kulon ölçmə metodunun düzgünlüyünün sapmasına səbəb olan ikinci əsas amil, batareyanın dizayn qabiliyyətinin dəyəri ilə batareyanın həqiqi tam doldurma qabiliyyəti arasındakı fərq olan tam doldurma qabiliyyəti (FCC) xətasıdır. Tam doldurma qabiliyyətinə (FCC) temperatur, yaşlanma, yük və digər amillər təsir edəcək. Buna görə də, tam doldurma qabiliyyətinin yenidən öyrənilməsi və kompensasiya üsulu kulon ölçmə üsulu üçün çox vacibdir. Aşağıdakı rəqəm, tam doldurma qabiliyyəti həddən artıq qiymətləndirildikdə və aşağı qiymətləndirildikdə şarj xətası vəziyyətinin tendensiya fenomenini göstərir.

Şəkil 11. Tam doldurma qabiliyyəti həddən artıq qiymətləndirildikdə və aşağı qiymətləndirildikdə xəta tendensiyası

2.4 Dinamik gərginlik alqoritmi yanacaq ölçmə cihazı

Dinamik gərginlik alqoritmi yanacaq ölçmə cihazı litium batareyanın doldurulma vəziyyətini yalnız batareyanın gərginliyinə əsaslanaraq hesablaya bilər. Bu üsul, batareyanın gərginliyi ilə batareyanın açıq dövrə gərginliyi arasındakı fərqə əsaslanaraq, şarj vəziyyətinin artması və ya azalmasının hesablanmasıdır. Dinamik gərginlik məlumatı SOC (%) doldurulma vəziyyətini müəyyən etmək üçün litium batareyanın davranışını effektiv şəkildə simulyasiya edə bilər, lakin bu üsul batareya tutumunun dəyərini (mAh) qiymətləndirə bilməz.

Onun hesablama metodu, şarj vəziyyətini qiymətləndirmək üçün şarj vəziyyətinin hər bir artımını və ya azalmasını hesablamaq üçün iterativ bir alqoritmdən istifadə edərək, batareya gərginliyi ilə açıq dövrə gərginliyi arasındakı dinamik fərqə əsaslanır. Coulomb ölçmə yanacaq ölçmə cihazının həlli ilə müqayisədə dinamik gərginlik alqoritmi yanacaq ölçmə cihazı zaman və cərəyanla səhvlər yığmayacaq. Coulomb ölçmə yanacaq ölçmə cihazları adətən cərəyan algılama səhvləri və batareyanın özünü boşalması səbəbindən doldurulma vəziyyətinin qeyri-dəqiq qiymətləndirilməsinə səbəb olur. Cari algılama xətası çox kiçik olsa belə, kulon sayğacı xətanı toplamağa davam edəcək və yığılmış xəta yalnız tam doldurulduqda və ya tam boşaldıqda aradan qaldırıla bilər.

Dinamik gərginlik alqoritmi yanacaq ölçmə cihazı batareyanın doldurulma vəziyyətini yalnız gərginlik məlumatı ilə qiymətləndirir; batareyanın cari məlumatı ilə təxmin edilmədiyi üçün səhvləri yığmır. Şarj vəziyyətinin dəqiqliyini artırmaq üçün dinamik gərginlik alqoritmi faktiki cihazdan istifadə etməli və tam doldurulduqda və tam boşaldıqda batareyanın faktiki gərginlik əyrisinə uyğun olaraq optimallaşdırılmış alqoritmin parametrlərini tənzimləməlidir.

Şəkil 12. Dinamik gərginlik alqoritminin yanacaq ölçmə cihazının performansı və qazancın optimallaşdırılması

Aşağıda müxtəlif boşalma dərəcəsi şərtlərində dinamik gərginlik alqoritminin performansı verilmişdir. Şəkildən görünür ki, onun doldurulma vəziyyəti yaxşı dəqiqliyə malikdir. C/2, C/4, C/7 və C/10 boşalma şəraitindən asılı olmayaraq, bu metodun yüklənmə xətasının ümumi vəziyyəti 3%-dən azdır.

Şəkil 13. Müxtəlif boşalma sürəti şəraitində dinamik gərginlik alqoritminin yüklənmə vəziyyətinin icrası

Aşağıdakı rəqəm batareyanın qısa doldurulması və boşaldılması zamanı doldurulma vəziyyətinin performansını göstərir. Şarj vəziyyəti səhvi hələ də çox kiçikdir və maksimum xəta yalnız 3% -dir.

Şəkil 14. Batareyanın qısa doldurulması və boşaldılması zamanı dinamik gərginlik alqoritminin doldurulma vəziyyətinin performansı.

Coulomb ölçmə yanacaq ölçmə cihazının adətən cərəyan algılama səhvləri və batareyanın özünü boşalması səbəbindən qeyri-dəqiq yük vəziyyətinə səbəb olduğu vəziyyətlə müqayisədə, dinamik gərginlik alqoritmi zaman və cərəyanla səhvləri yığmır, bu böyük bir üstünlükdür. Doldurma/boşaltma cərəyanı haqqında heç bir məlumat olmadığı üçün dinamik gərginlik alqoritmi zəif qısamüddətli dəqiqliyə və yavaş cavab müddətinə malikdir. Bundan əlavə, tam doldurma qabiliyyətini qiymətləndirə bilməz. Bununla belə, uzunmüddətli dəqiqlik baxımından yaxşı performans göstərir, çünki akkumulyatorun gərginliyi nəhayət, onun doldurulma vəziyyətini birbaşa əks etdirəcəkdir.