1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Състояние на зареждане (SOC)

Състоянието на заряд може да се дефинира като състоянието на наличната електрическа енергия в батерията, обикновено изразена като процент. Тъй като наличната електрическа енергия варира в зависимост от тока на заряд и разряд, температурата и стареенето, дефиницията на състоянието на заряд също е разделена на два типа: абсолютно състояние на заряд (ASOC) и относително състояние на заряд (относително състояние ASOC) Състояние на такса; RSOC). Обикновено относителният диапазон на зареждане е 0%-100%, докато батерията е 100% при пълно зареждане и 0% при пълно разреждане. Абсолютното състояние на заряд е референтна стойност, изчислена според проектираната стойност на фиксиран капацитет, когато батерията е произведена. Абсолютното състояние на заряд на чисто нова напълно заредена батерия е 100%; и дори ако остарялата батерия е напълно заредена, тя не може да достигне 100% при различни условия на зареждане и разреждане.

Фигурата по-долу показва връзката между напрежението и капацитета на батерията при различни скорости на разреждане. Колкото по-висока е скоростта на разреждане, толкова по-малък е капацитетът на батерията. Когато температурата е ниска, капацитетът на батерията също ще намалее.

Фигура 1.

Връзката между напрежение и капацитет при различни скорости на разреждане и температури

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 Напълно зареден

Когато разликата между напрежението на батерията и най-високото напрежение на зареждане е по-малко от 100mV и зарядният ток спадне до C/10, батерията може да се счита за напълно заредена. Характеристиките на батерията са различни, както и условията за пълно зареждане също са различни.

Фигурата по-долу показва типична крива за зареждане на литиева батерия. Когато напрежението на батерията е равно на най-високото напрежение на зареждане и зарядният ток спадне до C/10, батерията се счита за напълно заредена.

Фигура 2. Характеристична крива на зареждане на литиева батерия

1.4 Мини напрежение на разреждане

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 Напълно разреждане

Когато напрежението на батерията е по-малко или равно на минималното напрежение на разреждане, може да се нарече пълен разряд.

1.6 Скорост на зареждане и разреждане (C-Rate)

Скоростта на заряд-разряд е израз на тока на зареждане-разряд спрямо капацитета на батерията. Например, ако 1C се използва за разреждане за един час, в идеалния случай батерията ще бъде напълно разредена. Различните скорости на зареждане и разреждане ще доведат до различен използваем капацитет. Като цяло, колкото по-голяма е скоростта на зареждане-разреждане, толкова по-малък е наличният капацитет.

1.7 Живот на цикъла

Броят на циклите е броят пъти, когато батерията е претърпяла пълно зареждане и разреждане, което може да бъде оценено от действителния капацитет на разреждане и проектния капацитет. Всеки път, когато натрупаният капацитет на разреждане е равен на проектния капацитет, броят на циклите е еднократен. Обикновено след 500 цикъла на зареждане-разреждане, капацитетът на напълно заредена батерия намалява с 10% ~ 20%.

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

1.8 Саморазреждане

Саморазрядът на всички батерии се увеличава с повишаване на температурата. Саморазреждането основно не е производствен дефект, а характеристиките на самата батерия. Въпреки това, неправилното боравене в производствения процес също може да доведе до увеличаване на саморазряда. Обикновено скоростта на саморазреждане се удвоява за всеки 10°C повишаване на температурата на батерията. Месечният саморазряд на литиево-йонните батерии е около 1~2%, докато месечният саморазряд на различни батерии на база никел е 10-15%.

Фигура 4. Производителността на скоростта на саморазреждане на литиеви батерии при различни температури

2. Въведение в индикатора за гориво на батерията

2.1 Въведение във функцията за измерване на горивото

Управлението на батерията може да се разглежда като част от управлението на захранването. При управлението на батерията индикаторът за гориво е отговорен за оценката на капацитета на батерията. Основната му функция е да следи напрежението, тока на зареждане/разреждане и температурата на батерията и да оценява състоянието на заряд на батерията (SOC) и пълния капацитет на батерията (FCC). Има два типични метода за оценка на състоянието на заряд на батерията: методът на напрежението на отворената верига (OCV) и кулометричният метод. Друг метод е алгоритъмът за динамично напрежение, проектиран от RICHTEK.

2.2 Метод на напрежение в отворена верига

Електромерът, използващ метода на напрежението в отворена верига, е по-лесен за изпълнение и може да се получи, като се потърси таблицата, съответстваща на състоянието на заряд на напрежението в отворената верига. Хипотетичното състояние на напрежението на отворената верига е напрежението на клемата на акумулатора, когато батерията почива за около 30 минути.

При различно натоварване, температура и стареене на батерията, кривата на напрежението на батерията ще бъде различна. Следователно, фиксиран волтметър с отворена верига не може напълно да представи състоянието на заряд; състоянието на зареждане не може да бъде оценено само чрез търсене в таблицата. С други думи, ако състоянието на зареждане се оценява само чрез търсене на таблицата, грешката ще бъде много голяма.

Следващата фигура показва, че едно и също напрежение на батерията се зарежда и разрежда, а състоянието на заряд, установено чрез метода на напрежението в отворена верига, е много различно.

Фигура 5. Напрежение на батерията при зареждане и разреждане

Фигурата по-долу показва, че състоянието на заряд варира значително при различни натоварвания по време на разреждане. Така че по принцип методът на напрежението в отворена верига е подходящ само за системи с ниски изисквания за точност на състоянието на заряд, като например използването на оловно-киселинни батерии или непрекъсваеми захранвания в автомобилите.

Фигура 6. Напрежение на акумулатора при различни натоварвания по време на разреждане

2.3 Кулонов метод на измерване

Принципът на действие на метода за измерване на кулон е свързването на резистор за откриване на пътя за зареждане/разреждане на батерията. ADC измерва напрежението на резистора за откриване и го преобразува в текущата стойност на батерията, която се зарежда или разрежда. Броячът в реално време (RTC) осигурява интегриране на текущата стойност с времето, така че да се знае колко кулона преминават.

Фигура 7. Основен работен метод на кулоновия метод на измерване

Кулоновият метод за измерване може точно да изчисли състоянието на заряд в реално време по време на зареждане или разреждане. С кулоновия брояч на заряда и кулоновия брояч на разряда той може да изчисли оставащия капацитет (RM) и пълния капацитет на зареждане (FCC). В същото време оставащият капацитет (RM) и пълният капацитет на зареждане (FCC) също могат да се използват за изчисляване на състоянието на зареждане, тоест (SOC = RM / FCC). В допълнение, той може също да оцени оставащото време, като например изчерпване на мощността (TTE) и пълна мощност (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Има два основни фактора, които причиняват отклонения в точността на метода за измерване на Кулон. Първият е натрупването на офсетни грешки при измерване на тока и измерване на ADC. Въпреки че грешката при измерването с настоящата технология все още е малка, ако няма добър начин да се премахне, грешката ще се увеличи с времето. Фигурата по-долу показва, че при практически приложения, ако няма корекция във времето, натрупаната грешка е неограничена.

Фигура 9. Кумулативна грешка на кулоновия метод на измерване

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.

Фигура 10. Условия за елиминиране на кумулативната грешка на кулоновия метод на измерване

Вторият основен фактор, причиняващ отклонението на точността на метода за измерване на кулон, е грешката на пълен заряден капацитет (FCC), която е разликата между стойността на проектния капацитет на батерията и истинския пълен капацитет на зареждане на батерията. Пълният капацитет на зареждане (FCC) ще бъде повлиян от температура, стареене, натоварване и други фактори. Следователно методът за повторно обучение и компенсация на пълния капацитет на зареждане е много важен за метода на измерване на кулон. Следващата фигура показва тенденцията на грешката в състоянието на зареждане, когато пълният капацитет на зареждане е надценен и подценен.

Фигура 11. Тенденция на грешката, когато пълният капацитет на зареждане е надценен и подценен

2.4 Алгоритъм за динамично напрежение

Динамичният алгоритъм за измерване на напрежението може да изчисли състоянието на заряд на литиевата батерия въз основа само на напрежението на батерията. Този метод е да се оцени увеличаването или намаляването на състоянието на заряд въз основа на разликата между напрежението на батерията и напрежението на отворената верига на батерията. Информацията за динамично напрежение може ефективно да симулира поведението на литиевата батерия, за да определи състоянието на зареждане SOC (%), но този метод не може да оцени стойността на капацитета на батерията (mAh).

Методът му за изчисляване се основава на динамичната разлика между напрежението на батерията и напрежението на отворената верига, като се използва итеративен алгоритъм за изчисляване на всяко увеличение или намаляване на състоянието на заряд, за да се оцени състоянието на заряд. В сравнение с решението на кулоновия габарит на горивото, алгоритъмът на динамичното напрежение няма да натрупва грешки във времето и тока. Кулоновите измервателни уреди за гориво обикновено причиняват неточна оценка на състоянието на заряд поради грешки при измерване на тока и саморазреждане на батерията. Дори ако грешката при измерване на тока е много малка, броячът на кулоните ще продължи да натрупва грешката и натрупаната грешка може да бъде елиминирана само когато е напълно зареден или напълно разреден.

Динамичният алгоритъм на напрежението измерване на горивото оценява състоянието на заряд на батерията само чрез информация за напрежението; тъй като не се оценява от текущата информация на батерията, не натрупва грешки. За да се подобри точността на състоянието на зареждане, алгоритъмът за динамично напрежение трябва да използва действително устройство и да коригира параметрите на оптимизиран алгоритъм според действителната крива на напрежението на батерията, когато е напълно заредена и напълно разредена.

Фигура 12. Изпълнение на алгоритъм за динамично напрежение, оптимизиране на горивата и усилването

По-долу е представянето на алгоритъма за динамично напрежение при различни условия на скорост на разреждане. От фигурата се вижда, че състоянието на заряд има добра точност. Независимо от условията на разреждане на C/2, C/4, C/7 и C/10, общата грешка при зареждане на този метод е по-малка от 3%.

Фигура 13. Изпълнението на състоянието на заряд на алгоритъма за динамично напрежение при различни условия на скорост на разреждане

Фигурата по-долу показва ефективността на състоянието на зареждане, когато батерията е късо заредена и късо разредена. Грешката на състоянието на заряда все още е много малка, а максималната грешка е само 3%.

Фигура 14. Изпълнението на състоянието на заряд на алгоритъма за динамично напрежение, когато батерията е късо заредена и късо разредена

В сравнение със ситуацията, при която Coulomb измервателният уред за гориво обикновено причинява неточно състояние на заряд поради грешки при измерване на тока и саморазреждане на батерията, алгоритъмът за динамично напрежение не натрупва грешки във времето и тока, което е голямо предимство. Тъй като няма информация за тока на зареждане/разряд, алгоритъмът за динамично напрежение има ниска краткосрочна точност и бавно време за реакция. Освен това не може да оцени пълния капацитет на зареждане. Въпреки това, той се представя добре по отношение на дългосрочната точност, тъй като напрежението на батерията в крайна сметка директно ще отразява състоянието на заряда.