1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Ang estado sa pagsingil mahimong ipasabut ingon ang kahimtang sa magamit nga elektrikal nga enerhiya sa baterya, kasagaran gipahayag ingon usa ka porsyento. Tungod kay ang anaa nga elektrikal nga enerhiya managlahi sa charge ug discharge nga kasamtangan, temperatura, ug pagkatigulang nga panghitabo, ang kahulugan sa estado sa bayad gibahin usab sa duha ka matang: Absolute State-Of-Charge (ASOC) ug Relative State-of-Charge (Relative State -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Kasagaran ang relatibong estado sa sakup sa bayad mao ang 0% -100%, samtang ang baterya 100% kung hingpit nga na-charge ug 0% kung hingpit nga na-discharge. Ang hingpit nga kahimtang sa bayad usa ka reperensiya nga kantidad nga gikalkula sumala sa gidisenyo nga gitakda nga kantidad sa kapasidad kung ang baterya gihimo. Ang hingpit nga kahimtang sa bayad sa usa ka bag-o nga bug-os nga na-charge nga baterya mao ang 100%; ug bisan kung ang usa ka tigulang nga baterya bug-os nga na-charge, dili kini makaabot sa 100% ubos sa lainlaing mga kondisyon sa pag-charge ug pagdiskarga.

Ang numero sa ubos nagpakita sa relasyon tali sa boltahe ug kapasidad sa baterya sa lainlaing mga rate sa pagdiskarga. Kon mas taas ang discharge rate, mas ubos ang kapasidad sa baterya. Kung ubos ang temperatura, ang kapasidad sa baterya mokunhod usab.

Figure 1.

Ang relasyon tali sa boltahe ug kapasidad sa lainlaing mga rate sa pagdiskarga ug temperatura

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 Bug-os nga Gi-charge

Kung ang kalainan tali sa boltahe sa baterya ug ang labing kataas nga boltahe sa pag-charge dili mubu sa 100mV, ug ang karon nga pag-charge nahulog sa C / 10, ang baterya mahimong isipon nga hingpit nga na-charge. Ang mga kinaiya sa baterya lahi, ug ang mga kondisyon sa bug-os nga bayad lahi usab.

Ang numero sa ubos nagpakita sa usa ka tipikal nga lithium battery charging nga kurba nga kinaiya. Kung ang boltahe sa baterya katumbas sa labing taas nga boltahe sa pag-charge ug ang kasamtangan nga pag-charge nahulog sa C/10, ang baterya giisip nga bug-os nga na-charge.

Figure 2. Lithium battery charging kinaiya kurba

1.4 Mini nga Discharging Boltahe

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 Bug-os nga Pag-discharge

Kung ang boltahe sa baterya mas ubos o katumbas sa minimum nga boltahe sa pag-discharge, matawag kini nga kompleto nga pag-discharge.

1.6 Charge ug discharge rate (C-Rate)

Ang charge-discharge rate kay usa ka ekspresyon sa charge-discharge nga kasamtangan kalabot sa kapasidad sa baterya. Pananglitan, kung ang 1C gigamit sa pag-discharge sulod sa usa ka oras, labing maayo, ang baterya hingpit nga ma-discharge. Ang lainlain nga mga bayranan sa pagsingil ug pagdiskarga moresulta sa lainlaing magamit nga kapasidad. Sa kinatibuk-an, kon mas dako ang charge-discharge rate, mas gamay ang available nga kapasidad.

1.7 Siklo sa kinabuhi

Ang gidaghanon sa mga siklo mao ang gidaghanon sa mga higayon nga ang usa ka baterya nakaagi sa kompleto nga pag-charge ug pagdiskarga, nga mahimong mabanabana gikan sa aktwal nga kapasidad sa pagdiskarga ug ang kapasidad sa disenyo. Sa matag higayon nga ang natipon nga kapasidad sa pagdiskarga parehas sa kapasidad sa disenyo, ang gidaghanon sa mga siklo usa kausa. Kasagaran pagkahuman sa 500 nga mga siklo sa pag-charge-discharge, ang kapasidad sa usa ka bug-os nga na-charge nga baterya mikunhod sa 10% ~ 20%.

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

1.8 Pag-discharge sa Kaugalingon

Ang pag-discharge sa kaugalingon sa tanan nga mga baterya nagdugang samtang ang temperatura mosaka. Ang pag-discharge sa kaugalingon sa panguna dili usa ka depekto sa paghimo, apan ang mga kinaiya sa baterya mismo. Bisan pa, ang dili husto nga pagdumala sa proseso sa paggama mahimo usab nga hinungdan sa pagdugang sa pagtangtang sa kaugalingon. Kasagaran, ang self-discharge rate modoble sa matag 10°C nga pagtaas sa temperatura sa baterya. Ang binulan nga self-discharge sa lithium-ion nga mga baterya mao ang mahitungod sa 1 ~ 2%, samtang ang binulan nga self-discharge sa nagkalain-laing nickel-based nga mga baterya mao ang 10-15%.

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

2. Pasiuna sa Battery Fuel Gauge

2.1 Pasiuna sa Fuel Gauge Function

Ang pagdumala sa baterya mahimong isipon nga bahin sa pagdumala sa kuryente. Sa pagdumala sa baterya, ang fuel gauge maoy responsable sa pagbanabana sa kapasidad sa baterya. Ang sukaranan nga gimbuhaton niini mao ang pag-monitor sa boltahe, pag-charge/pagdiskarga sa kasamtangan ug temperatura sa baterya, ug pagbanabana sa kahimtang sa baterya sa bayad (SOC) ug ang tibuuk nga kapasidad sa baterya (FCC). Adunay duha ka tipikal nga mga pamaagi sa pagbanabana sa kahimtang sa bayad sa usa ka baterya: ang open circuit voltage method (OCV) ug ang coulometric nga pamaagi. Ang laing pamaagi mao ang dinamikong boltahe nga algorithm nga gidisenyo sa RICHTEK.

2.2 Open circuit boltahe nga pamaagi

Ang metro sa kuryente gamit ang pamaagi sa open circuit boltahe mas sayon ​​nga ipatuman, ug kini makuha pinaagi sa pagtan-aw sa lamesa nga katumbas sa estado sa bayad sa open circuit boltahe. Ang hypothetical nga kondisyon sa open circuit voltage mao ang battery terminal voltage kung ang baterya mopahulay sulod sa mga 30 minutos.

Ubos sa lainlaing load, temperatura, ug pagkatigulang sa baterya, lahi ang kurba sa boltahe sa baterya. Busa, ang usa ka pirmi nga open-circuit voltmeter dili hingpit nga magrepresentar sa estado sa bayad; ang kahimtang sa bayad dili mabanabana pinaagi sa pagtan-aw sa lamesa nga mag-inusara. Sa laing pagkasulti, kung ang estado sa bayad gibanabana lamang pinaagi sa pagtan-aw sa lamesa, ang sayup mahimong dako kaayo.

Ang mosunud nga numero nagpakita nga ang parehas nga boltahe sa baterya naa sa ilawom sa bayad ug pag-discharge, ug ang kahimtang sa bayad nga nakit-an sa pamaagi sa boltahe sa bukas nga circuit lahi kaayo.

Figure 5. Boltahe sa baterya ubos sa pag-charge ug pagdiskarga

Ang numero sa ubos nagpakita nga ang kahimtang sa bayad magkalainlain kaayo sa ilawom sa lainlaing mga karga sa panahon sa pag-discharge. Sa panguna, ang pamaagi sa boltahe sa bukas nga sirkito angay lamang alang sa mga sistema nga adunay ubos nga mga kinahanglanon alang sa katukma sa estado sa bayad, sama sa paggamit sa mga lead-acid nga baterya o dili mabalda nga mga suplay sa kuryente sa mga awto.

Figure 6. Boltahe sa baterya ubos sa lain-laing mga load sa panahon sa pagdiskarga

2.3 Pamaagi sa pagsukod sa Coulomb

Ang prinsipyo sa operasyon sa pamaagi sa pagsukod sa coulomb mao ang pagkonektar sa usa ka detection resistor sa agianan sa pag-charge/discharging sa baterya. Gisukod sa ADC ang boltahe sa detection resistor ug gi-convert kini ngadto sa kasamtangang bili sa baterya nga gi-charge o gi-discharge. Ang real-time counter (RTC) naghatag sa integrasyon sa kasamtangan nga bili sa panahon, aron mahibal-an kung pila ka coulomb ang nag-agay.

Figure 7. Batakang pamaagi sa pagtrabaho sa pamaagi sa pagsukod sa Coulomb

Ang pamaagi sa pagsukod sa Coulomb mahimong tukma nga makalkula ang tinuod nga oras nga kahimtang sa bayad sa panahon sa pag-charge o pagdiskarga. Uban sa charge coulomb counter ug sa discharge coulomb counter, kini makalkulo sa nahabilin nga kapasidad (RM) ug ang bug-os nga charge capacity (FCC). Sa parehas nga oras, ang nahabilin nga kapasidad (RM) ug ang tibuuk nga kapasidad sa pagsingil (FCC) mahimo usab nga magamit aron makalkulo ang estado sa bayad, kana mao ang (SOC = RM / FCC). Dugang pa, mahimo usab nga banabanaon ang nahabilin nga oras, sama sa power exhaustion (TTE) ug full power (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Adunay duha ka nag-unang hinungdan nga hinungdan sa mga pagtipas sa katukma sa pamaagi sa pagsukod sa Coulomb. Ang una mao ang pagtipon sa mga sayup sa pag-offset sa kasamtangan nga sensing ug pagsukod sa ADC. Bisan kung ang sayup sa pagsukod sa karon nga teknolohiya gamay pa, kung wala’y maayong paagi sa pagwagtang niini, ang sayup modaghan sa paglabay sa panahon. Ang numero sa ubos nagpakita nga sa praktikal nga mga aplikasyon, kung walay pagtul-id sa gidugayon sa panahon, ang natipon nga sayop walay kinutuban.

Figure 9. Cumulative error sa pamaagi sa pagsukod sa Coulomb

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.

Figure 10. Mga kondisyon sa pagwagtang sa cumulative error sa pamaagi sa pagsukod sa Coulomb

Ang ikaduha nga mayor nga hinungdan nga hinungdan sa pagtipas sa katukma sa pamaagi sa pagsukod sa coulomb mao ang bug-os nga bayad nga kapasidad (FCC) nga sayup, nga mao ang kalainan tali sa kantidad sa kapasidad sa disenyo sa baterya ug ang tinuud nga kapasidad sa tibuuk nga bayad sa baterya. Ang full charge capacity (FCC) maapektuhan sa temperatura, pagkatigulang, load ug uban pang mga hinungdan. Busa, ang re-learning ug compensation method sa full charge capacity importante kaayo para sa coulomb measurement method. Ang mosunud nga numero nagpakita sa trend phenomenon sa kahimtang sa kasaypanan sa bayad kung ang tibuuk nga kapasidad sa pagsingil gipasobrahan ug gipaubos.

Figure 11. Ang sayup nga uso sa dihang ang bug-os nga kapasidad sa pag-charge sobra nga gibanabana ug gipaubos

2.4 Dynamic nga boltahe algorithm fuel gauge

Ang dinamikong boltahe algorithm fuel gauge mahimong kuwentahon ang kahimtang sa bayad sa lithium battery base lamang sa boltahe sa baterya. Kini nga pamaagi mao ang pagbanabana sa pagtaas o pagkunhod sa estado sa bayad base sa kalainan tali sa boltahe sa baterya ug sa bukas nga boltahe sa sirkito sa baterya. Ang dinamikong impormasyon sa boltahe mahimong epektibo nga magsundog sa kinaiya sa lithium nga baterya aron mahibal-an ang estado sa bayad sa SOC (%), apan kini nga pamaagi dili makabanabana sa kantidad sa kapasidad sa baterya (mAh).

Ang pamaagi sa pagkalkula niini gibase sa dinamikong kalainan tali sa boltahe sa baterya ug sa bukas nga boltahe sa sirkito, pinaagi sa paggamit sa usa ka iterative algorithm aron makalkulo ang matag pagtaas o pagkunhod sa estado sa bayad aron mabanabana ang kahimtang sa bayad. Kung itandi sa solusyon sa coulomb metering fuel gauge, ang dinamikong boltahe algorithm fuel gauge dili magtigum og mga sayop sa paglabay sa panahon ug sa kasamtangan. Ang pagsukod sa gasolina sa Coulomb kasagarang hinungdan sa dili tukma nga pagbanabana sa kahimtang sa bayad tungod sa mga sayup sa pag-sensing karon ug pag-discharge sa kaugalingon sa baterya. Bisag gamay ra kaayo ang kasamtangang sensing error, ang coulomb counter magpadayon sa pagtigom sa sayop, ug ang natigom nga sayop mawagtang lamang kung kini bug-os nga ma-charge o hingpit nga ma-discharge.

Ang dinamikong boltahe algorithm fuel gauge nagbanabana sa kahimtang sa bayad sa baterya pinaagi lamang sa impormasyon sa boltahe; tungod kay wala kini gibana-bana sa kasamtangan nga impormasyon sa baterya, wala kini magtigum og mga sayup. Aron mapauswag ang katukma sa estado sa pagsingil, ang dinamikong boltahe nga algorithm kinahanglan nga mogamit usa ka aktwal nga aparato, ug i-adjust ang mga parameter sa usa ka na-optimize nga algorithm sumala sa aktwal nga kurba sa boltahe sa baterya kung kini bug-os nga na-charge ug hingpit nga na-discharge.

Figure 12. Pagpasundayag sa dinamikong boltahe algorithm fuel gauge ug pag-optimize sa pag-angkon

Ang mosunod mao ang performance sa dinamikong boltahe algorithm sa ilalum sa lain-laing mga kahimtang sa discharge rate. Makita gikan sa numero nga ang kahimtang sa bayad niini adunay maayo nga katukma. Dili igsapayan ang mga kondisyon sa pag-discharge sa C / 2, C / 4, C / 7 ug C / 10, ang kinatibuk-ang kahimtang sa sayup nga bayad niini nga pamaagi dili mubu sa 3%.

Figure 13. Ang pasundayag sa estado sa bayad sa dinamikong boltahe algorithm ubos sa lain-laing mga kahimtang sa discharge rate

Ang numero sa ubos nagpakita sa performance sa estado sa bayad sa diha nga ang baterya mubo-charged ug mubo-discharged. Ang state of charge error gamay pa kaayo, ug ang maximum error kay 3% lang.

Figure 14. Ang pasundayag sa estado sa pag-charge sa dinamikong boltahe nga algorithm kung ang baterya mubo nga gi-charge ug mubo nga gi-discharge

Kung itandi sa sitwasyon diin ang Coulomb metering fuel gauge kasagarang hinungdan sa dili tukma nga estado sa bayad tungod sa kasamtangan nga sensing errors ug battery self-discharge, ang dinamikong boltahe nga algorithm wala magtigum og mga sayop sa paglabay sa panahon ug sa kasamtangan, nga usa ka dako nga bentaha. Tungod kay wala’y kasayuran mahitungod sa pag-charge/discharge nga kasamtangan, ang dinamikong boltahe nga algorithm adunay dili maayo nga short-term accuracy ug hinay nga response time. Dugang pa, dili kini makabanabana sa bug-os nga kapasidad sa pagkarga. Bisan pa, kini maayo nga nahimo sa mga termino sa dugay nga katukma, tungod kay ang boltahe sa baterya sa kadugayan direktang magpakita sa kahimtang sa bayad niini.