1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 স্টেট-অফ-চার্জ (SOC)

চার্জের অবস্থাকে ব্যাটারিতে উপলব্ধ বৈদ্যুতিক শক্তির অবস্থা হিসাবে সংজ্ঞায়িত করা যেতে পারে, সাধারণত শতাংশ হিসাবে প্রকাশ করা হয়। যেহেতু উপলব্ধ বৈদ্যুতিক শক্তি চার্জ এবং স্রাব কারেন্ট, তাপমাত্রা এবং বার্ধক্যজনিত ঘটনার সাথে পরিবর্তিত হয়, তাই চার্জের অবস্থার সংজ্ঞাটিও দুটি প্রকারে বিভক্ত: অ্যাবসোলিউট স্টেট-অফ-চার্জ (ASOC) এবং রিলেটিভ স্টেট-অফ-চার্জ (আপেক্ষিক অবস্থা) -অফ-চার্জ; ASOC) স্টেট-অফ-চার্জ; RSOC)। সাধারণত চার্জ পরিসরের আপেক্ষিক অবস্থা 0% -100% হয়, যখন ব্যাটারি সম্পূর্ণ চার্জ হলে 100% এবং সম্পূর্ণরূপে ডিসচার্জ হলে 0% হয়। চার্জের পরম অবস্থা হল একটি রেফারেন্স মান যা ব্যাটারি তৈরি করার সময় ডিজাইন করা নির্দিষ্ট ক্ষমতার মান অনুযায়ী গণনা করা হয়। একেবারে নতুন সম্পূর্ণ চার্জযুক্ত ব্যাটারির চার্জের পরম অবস্থা হল 100%; এবং এমনকি যদি একটি বার্ধক্য ব্যাটারি সম্পূর্ণরূপে চার্জ করা হয়, এটি বিভিন্ন চার্জিং এবং ডিসচার্জিং অবস্থার অধীনে 100% পৌঁছাতে পারে না।

নীচের চিত্রটি বিভিন্ন স্রাব হারে ভোল্টেজ এবং ব্যাটারির ক্ষমতার মধ্যে সম্পর্ক দেখায়। স্রাবের হার যত বেশি, ব্যাটারির ক্ষমতা তত কম। তাপমাত্রা কম হলে ব্যাটারির ক্ষমতাও কমে যাবে।

চিত্র 1

বিভিন্ন স্রাব হার এবং তাপমাত্রায় ভোল্টেজ এবং ক্ষমতার মধ্যে সম্পর্ক

1.2 সর্বোচ্চ চার্জিং ভোল্টেজ

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 সম্পূর্ণ চার্জড

যখন ব্যাটারি ভোল্টেজ এবং সর্বোচ্চ চার্জিং ভোল্টেজের মধ্যে পার্থক্য 100mV-এর কম হয় এবং চার্জিং কারেন্ট C/10-এ নেমে যায়, তখন ব্যাটারিটিকে সম্পূর্ণ চার্জ হিসাবে গণ্য করা যেতে পারে। ব্যাটারির বৈশিষ্ট্য ভিন্ন, এবং সম্পূর্ণ চার্জের অবস্থাও ভিন্ন।

নীচের চিত্রটি একটি সাধারণ লিথিয়াম ব্যাটারি চার্জিং বৈশিষ্ট্যযুক্ত বক্ররেখা দেখায়৷ যখন ব্যাটারির ভোল্টেজ সর্বোচ্চ চার্জিং ভোল্টেজের সমান হয় এবং চার্জিং কারেন্ট C/10 এ নেমে যায়, তখন ব্যাটারিটিকে সম্পূর্ণ চার্জ করা বলে মনে করা হয়।

চিত্র 2. লিথিয়াম ব্যাটারি চার্জিং চরিত্রগত বক্ররেখা

1.4 মিনি ডিসচার্জিং ভোল্টেজ

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 সম্পূর্ণরূপে স্রাব

যখন ব্যাটারির ভোল্টেজ ন্যূনতম ডিসচার্জ ভোল্টেজের চেয়ে কম বা সমান হয়, তখন একে সম্পূর্ণ স্রাব বলা যেতে পারে।

1.6 চার্জ এবং ডিসচার্জ রেট (সি-রেট)

চার্জ-ডিসচার্জ রেট হল ব্যাটারির ক্ষমতার সাপেক্ষে চার্জ-ডিসচার্জ কারেন্টের একটি অভিব্যক্তি। উদাহরণস্বরূপ, যদি 1C এক ঘন্টার জন্য স্রাব করার জন্য ব্যবহার করা হয়, আদর্শভাবে, ব্যাটারি সম্পূর্ণরূপে নিষ্কাশন করা হবে। বিভিন্ন চার্জ এবং স্রাবের হারের ফলে বিভিন্ন ব্যবহারযোগ্য ক্ষমতা হবে। সাধারণত, চার্জ-ডিসচার্জের হার যত বেশি, উপলব্ধ ক্ষমতা তত কম।

1.7 চক্র জীবন

চক্রের সংখ্যা হল একটি ব্যাটারি কতবার সম্পূর্ণ চার্জিং এবং ডিসচার্জিংয়ের মধ্য দিয়ে গেছে, যা প্রকৃত নিষ্কাশন ক্ষমতা এবং নকশা ক্ষমতা থেকে অনুমান করা যেতে পারে। যখনই সঞ্চিত স্রাব ক্ষমতা নকশা ক্ষমতার সমান হয়, চক্রের সংখ্যা একবার হয়। সাধারণত 500 চার্জ-ডিসচার্জ চক্রের পরে, একটি সম্পূর্ণ চার্জযুক্ত ব্যাটারির ক্ষমতা 10% ~ 20% কমে যায়।

চিত্র 3। চক্রের সংখ্যা এবং ব্যাটারির ক্ষমতার মধ্যে সম্পর্ক

1.8 স্ব-স্রাব

তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে সমস্ত ব্যাটারির স্ব-স্রাব বৃদ্ধি পায়। স্ব-স্রাব মূলত একটি উত্পাদন ত্রুটি নয়, কিন্তু ব্যাটারি নিজেই বৈশিষ্ট্য. যাইহোক, উত্পাদন প্রক্রিয়ার মধ্যে অনুপযুক্ত হ্যান্ডলিং এছাড়াও স্ব-স্রাব বৃদ্ধি হতে পারে. সাধারণত, ব্যাটারির তাপমাত্রায় প্রতি 10°C বৃদ্ধির জন্য স্ব-স্রাবের হার দ্বিগুণ হয়। লিথিয়াম-আয়ন ব্যাটারির মাসিক স্ব-স্রাব প্রায় 1~2%, যখন বিভিন্ন নিকেল-ভিত্তিক ব্যাটারির মাসিক স্ব-স্রাব হয় 10-15%।

চিত্র 4. বিভিন্ন তাপমাত্রায় লিথিয়াম ব্যাটারির স্ব-স্রাবের হারের কার্যক্ষমতা

2. ব্যাটারি ফুয়েল গেজের পরিচিতি

2.1 ফুয়েল গেজ ফাংশনের ভূমিকা

ব্যাটারি ব্যবস্থাপনাকে পাওয়ার ম্যানেজমেন্টের অংশ হিসেবে বিবেচনা করা যেতে পারে। ব্যাটারি ব্যবস্থাপনায়, জ্বালানী গেজ ব্যাটারির ক্ষমতা অনুমানের জন্য দায়ী। এর মৌলিক কাজ হল ভোল্টেজ, চার্জ/ডিসচার্জ কারেন্ট এবং ব্যাটারির তাপমাত্রা নিরীক্ষণ করা এবং ব্যাটারির চার্জ অবস্থা (SOC) এবং ব্যাটারির সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা (FCC) অনুমান করা। একটি ব্যাটারির চার্জের অবস্থা অনুমান করার জন্য দুটি সাধারণ পদ্ধতি রয়েছে: ওপেন সার্কিট ভোল্টেজ পদ্ধতি (OCV) এবং কুলোমেট্রিক পদ্ধতি। আরেকটি পদ্ধতি হল RICHTEK দ্বারা ডিজাইন করা ডায়নামিক ভোল্টেজ অ্যালগরিদম।

2.2 ওপেন সার্কিট ভোল্টেজ পদ্ধতি

ওপেন সার্কিট ভোল্টেজ পদ্ধতি ব্যবহার করে বিদ্যুতের মিটার প্রয়োগ করা সহজ, এবং এটি ওপেন সার্কিট ভোল্টেজের চার্জের অবস্থার সাথে সম্পর্কিত টেবিলটি দেখে প্রাপ্ত করা যেতে পারে। ওপেন সার্কিট ভোল্টেজের অনুমানমূলক অবস্থা হল ব্যাটারি টার্মিনাল ভোল্টেজ যখন ব্যাটারি প্রায় 30 মিনিটের জন্য বিশ্রাম নেয়।

বিভিন্ন লোড, তাপমাত্রা এবং ব্যাটারি বার্ধক্যের অধীনে, ব্যাটারি ভোল্টেজ বক্ররেখা ভিন্ন হবে। অতএব, একটি নির্দিষ্ট ওপেন-সার্কিট ভোল্টমিটার চার্জের অবস্থাকে সম্পূর্ণরূপে উপস্থাপন করতে পারে না; শুধুমাত্র টেবিল দেখে চার্জের অবস্থা অনুমান করা যায় না। অন্য কথায়, যদি শুধুমাত্র টেবিলটি দেখে চার্জের অবস্থা অনুমান করা হয় তবে ত্রুটিটি অনেক বড় হবে।

নিম্নলিখিত চিত্রটি দেখায় যে একই ব্যাটারি ভোল্টেজ চার্জ এবং স্রাবের অধীনে রয়েছে এবং ওপেন সার্কিট ভোল্টেজ পদ্ধতি দ্বারা পাওয়া চার্জের অবস্থাটি খুব আলাদা।

চিত্র 5. চার্জিং এবং ডিসচার্জিংয়ের অধীনে ব্যাটারি ভোল্টেজ

নীচের চিত্রটি দেখায় যে চার্জের অবস্থা স্রাবের সময় বিভিন্ন লোডের অধীনে ব্যাপকভাবে পরিবর্তিত হয়। তাই মূলত, ওপেন সার্কিট ভোল্টেজ পদ্ধতি শুধুমাত্র চার্জের অবস্থার নির্ভুলতার জন্য কম প্রয়োজনীয় সিস্টেমগুলির জন্য উপযুক্ত, যেমন সীসা-অ্যাসিড ব্যাটারির ব্যবহার বা অটোমোবাইলে নিরবচ্ছিন্ন বিদ্যুৎ সরবরাহ।

চিত্র 6. স্রাবের সময় বিভিন্ন লোডের অধীনে ব্যাটারি ভোল্টেজ

2.3 কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতি

কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির অপারেটিং নীতি হল ব্যাটারির চার্জিং/ডিসচার্জিং পাথে একটি সনাক্তকরণ প্রতিরোধককে সংযুক্ত করা। ADC সনাক্তকরণ প্রতিরোধকের উপর ভোল্টেজ পরিমাপ করে এবং এটিকে চার্জ করা বা ডিসচার্জ হওয়া ব্যাটারির বর্তমান মূল্যে রূপান্তর করে। রিয়েল-টাইম কাউন্টার (RTC) সময়ের সাথে বর্তমান মানের একীকরণ প্রদান করে, যাতে কতগুলি কুলম্ব প্রবাহিত হয় তা জানতে।

চিত্র 7. কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির মৌলিক কাজ পদ্ধতি

কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতি চার্জিং বা ডিসচার্জিংয়ের সময় চার্জের রিয়েল-টাইম অবস্থা সঠিকভাবে গণনা করতে পারে। চার্জ কুলম্ব কাউন্টার এবং ডিসচার্জ কুলম্ব কাউন্টার দিয়ে, এটি অবশিষ্ট ক্ষমতা (RM) এবং সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা (FCC) গণনা করতে পারে। একই সময়ে, অবশিষ্ট ক্ষমতা (RM) এবং সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা (FCC) চার্জের অবস্থা গণনা করতে ব্যবহার করা যেতে পারে, অর্থাৎ (SOC = RM/FCC)। উপরন্তু, এটি অবশিষ্ট সময় অনুমান করতে পারে, যেমন পাওয়ার এক্সজাশন (TTE) এবং সম্পূর্ণ শক্তি (TTF)।

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

দুটি প্রধান কারণ রয়েছে যা কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির নির্ভুলতায় বিচ্যুতি ঘটায়। প্রথমটি হল বর্তমান সেন্সিং এবং এডিসি পরিমাপে অফসেট ত্রুটির সঞ্চয়। যদিও বর্তমান প্রযুক্তির সাথে পরিমাপের ত্রুটি এখনও ছোট, যদি এটি দূর করার কোনও ভাল উপায় না থাকে তবে সময়ের সাথে ত্রুটি বাড়বে। নীচের চিত্রটি দেখায় যে ব্যবহারিক অ্যাপ্লিকেশনগুলিতে, যদি সময়কালের মধ্যে কোনও সংশোধন না হয়, তবে জমা ত্রুটি সীমাহীন।

চিত্র 9. কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির ক্রমবর্ধমান ত্রুটি

জমে থাকা ত্রুটি দূর করার জন্য, সাধারণ ব্যাটারি অপারেশনে তিনটি সম্ভাব্য ব্যবহারযোগ্য সময় পয়েন্ট রয়েছে: চার্জের শেষ (EOC), নিষ্কাশনের শেষ (EOD) এবং বিশ্রাম (বিশ্রাম)। চার্জিং শেষ অবস্থায় পৌঁছে গেলে, এর মানে হল ব্যাটারি পুরোপুরি চার্জ হয়ে গেছে এবং চার্জের অবস্থা (SOC) 100% হওয়া উচিত। ডিসচার্জ শেষ অবস্থার অর্থ হল ব্যাটারি সম্পূর্ণরূপে ডিসচার্জ করা হয়েছে এবং চার্জের অবস্থা (SOC) 0% হওয়া উচিত; এটি একটি পরম ভোল্টেজ মান বা লোডের সাথে পরিবর্তন হতে পারে। যখন এটি বিশ্রামের অবস্থায় পৌঁছায়, তখন ব্যাটারি চার্জ হয় না বা ডিসচার্জ হয় না এবং এটি দীর্ঘ সময়ের জন্য এই অবস্থায় থাকে। ব্যবহারকারী যদি কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির ত্রুটি সংশোধন করতে ব্যাটারির অবশিষ্ট অবস্থা ব্যবহার করতে চান, তাহলে এই সময়ে একটি ওপেন-সার্কিট ভোল্টমিটার ব্যবহার করতে হবে। নীচের চিত্রটি দেখায় যে চার্জের ত্রুটিটি উপরের অবস্থায় সংশোধন করা যেতে পারে।

চিত্র 10. কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির ক্রমবর্ধমান ত্রুটি দূর করার শর্তাবলী

কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির নির্ভুলতার বিচ্যুতি ঘটানো দ্বিতীয় প্রধান কারণ হল পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা (FCC) ত্রুটি, যা ব্যাটারির ডিজাইন ক্ষমতার মান এবং ব্যাটারির প্রকৃত পূর্ণ চার্জ ক্ষমতার মধ্যে পার্থক্য। সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা (FCC) তাপমাত্রা, বার্ধক্য, লোড এবং অন্যান্য কারণ দ্বারা প্রভাবিত হবে। অতএব, কুলম্ব পরিমাপ পদ্ধতির জন্য সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতার পুনরায় শিক্ষা এবং ক্ষতিপূরণ পদ্ধতি খুবই গুরুত্বপূর্ণ। নিম্নোক্ত চিত্রটি চার্জ ত্রুটির অবস্থার প্রবণতা প্রপঞ্চ দেখায় যখন সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতাকে অত্যধিক মূল্যায়ন করা হয় এবং অবমূল্যায়ন করা হয়।

চিত্র 11. ত্রুটির প্রবণতা যখন সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতাকে অতিমাত্রায় এবং অবমূল্যায়ন করা হয়

2.4 ডাইনামিক ভোল্টেজ অ্যালগরিদম ফুয়েল গেজ

ডায়নামিক ভোল্টেজ অ্যালগরিদম ফুয়েল গেজ শুধুমাত্র ব্যাটারি ভোল্টেজের উপর ভিত্তি করে লিথিয়াম ব্যাটারির চার্জের অবস্থা গণনা করতে পারে। এই পদ্ধতিটি ব্যাটারির ভোল্টেজ এবং ব্যাটারির খোলা সার্কিট ভোল্টেজের মধ্যে পার্থক্যের উপর ভিত্তি করে চার্জের অবস্থার বৃদ্ধি বা হ্রাস অনুমান করা। গতিশীল ভোল্টেজ তথ্য কার্যকরভাবে লিথিয়াম ব্যাটারির আচরণের অনুকরণ করে চার্জের অবস্থা SOC (%) নির্ধারণ করতে পারে, কিন্তু এই পদ্ধতিটি ব্যাটারির ক্ষমতার মান (mAh) অনুমান করতে পারে না।

এর গণনা পদ্ধতিটি ব্যাটারি ভোল্টেজ এবং ওপেন সার্কিট ভোল্টেজের মধ্যে গতিশীল পার্থক্যের উপর ভিত্তি করে, চার্জের অবস্থা অনুমান করার জন্য চার্জের অবস্থার প্রতিটি বৃদ্ধি বা হ্রাস গণনা করার জন্য একটি পুনরাবৃত্তিমূলক অ্যালগরিদম ব্যবহার করে। কুলম্ব মিটারিং ফুয়েল গেজের সমাধানের সাথে তুলনা করে, গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদম ফুয়েল গেজ সময় এবং বর্তমানের সাথে ত্রুটি জমা করবে না। কুলম্ব মিটারিং ফুয়েল গেজগুলি সাধারণত বর্তমান সেন্সিং ত্রুটি এবং ব্যাটারি স্ব-স্রাবের কারণে চার্জের অবস্থার ভুল অনুমান করে। এমনকি যদি বর্তমান সেন্সিং ত্রুটি খুব ছোট হয়, কুলম্ব কাউন্টার ত্রুটি জমা করতে থাকবে, এবং পুঞ্জীভূত ত্রুটি শুধুমাত্র তখনই নির্মূল করা যেতে পারে যখন এটি সম্পূর্ণরূপে চার্জ বা সম্পূর্ণরূপে নিষ্কাশন করা হয়।

ডায়নামিক ভোল্টেজ অ্যালগরিদম ফুয়েল গেজ শুধুমাত্র ভোল্টেজ তথ্যের মাধ্যমে ব্যাটারির চার্জের অবস্থা অনুমান করে; কারণ এটি ব্যাটারির বর্তমান তথ্য দ্বারা অনুমান করা হয় না, এটি ত্রুটিগুলি জমা করে না। চার্জের অবস্থার নির্ভুলতা উন্নত করার জন্য, গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদমকে একটি প্রকৃত ডিভাইস ব্যবহার করতে হবে এবং একটি অপ্টিমাইজড অ্যালগরিদমের পরামিতিগুলিকে প্রকৃত ব্যাটারি ভোল্টেজ বক্ররেখা অনুযায়ী সামঞ্জস্য করতে হবে যখন এটি সম্পূর্ণরূপে চার্জ করা হয় এবং সম্পূর্ণরূপে ডিসচার্জ হয়৷

চিত্র 12. গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদম ফুয়েল গেজের পারফরম্যান্স এবং অপ্টিমাইজেশান লাভ

বিভিন্ন স্রাব হার অবস্থার অধীনে গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদমের কর্মক্ষমতা নিম্নলিখিত। এটি চিত্র থেকে দেখা যায় যে এর চার্জের অবস্থা ভাল নির্ভুলতা রয়েছে। C/2, C/4, C/7 এবং C/10 এর ডিসচার্জ অবস্থা নির্বিশেষে, এই পদ্ধতির চার্জ ত্রুটির সামগ্রিক অবস্থা 3% এর কম।

চিত্র 13. বিভিন্ন স্রাব হার অবস্থার অধীনে গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদমের চার্জ অবস্থার কর্মক্ষমতা

নীচের চিত্রটি ব্যাটারি শর্ট-চার্জ এবং শর্ট-ডিসচার্জ হওয়ার সময় চার্জের অবস্থার কার্যকারিতা দেখায়। চার্জ ত্রুটির অবস্থা এখনও খুব ছোট, এবং সর্বোচ্চ ত্রুটি মাত্র 3%।

চিত্র 14. যখন ব্যাটারি শর্ট-চার্জ এবং শর্ট-ডিসচার্জ হয় তখন গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদমের চার্জ অবস্থার কার্যকারিতা

কুলম্ব মিটারিং ফুয়েল গেজ সাধারণত কারেন্ট সেন্সিং ত্রুটি এবং ব্যাটারি স্ব-স্রাবের কারণে চার্জের ভুল অবস্থার সৃষ্টি করে এমন পরিস্থিতির সাথে তুলনা করে, গতিশীল ভোল্টেজ অ্যালগরিদম সময় এবং বর্তমানের সাথে ত্রুটি জমা করে না, যা একটি বড় সুবিধা। যেহেতু চার্জ/ডিসচার্জ কারেন্ট সম্পর্কে কোন তথ্য নেই, তাই ডায়নামিক ভোল্টেজ অ্যালগরিদমের স্বল্পমেয়াদী নির্ভুলতা এবং ধীর প্রতিক্রিয়ার সময় নেই। উপরন্তু, এটি সম্পূর্ণ চার্জ ক্ষমতা অনুমান করতে পারে না. যাইহোক, এটি দীর্ঘমেয়াদী নির্ভুলতার পরিপ্রেক্ষিতে ভাল কার্য সম্পাদন করে, কারণ ব্যাটারি ভোল্টেজ অবশেষে সরাসরি চার্জের অবস্থা প্রতিফলিত করবে।