1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-of-Charge (SOC)

Stav nabití lze definovat jako stav dostupné elektrické energie v baterii, obvykle vyjádřený v procentech. Protože se dostupná elektrická energie mění s nabíjecím a vybíjecím proudem, teplotou a jevy stárnutí, je definice stavu nabití také rozdělena do dvou typů: Absolutní stav nabití (ASOC) a relativní stav nabití (relativní stav). -Of-Charge; ASOC) State-of-Charge; RSOC). Normálně je relativní stav nabití 0%-100%, zatímco baterie je 100% při plném nabití a 0% při úplném vybití. Absolutní stav nabití je referenční hodnota vypočítaná podle navržené hodnoty pevné kapacity při výrobě baterie. Absolutní stav nabití zcela nové plně nabité baterie je 100 %; a i když je stárnoucí baterie plně nabitá, nemůže dosáhnout 100 % za různých podmínek nabíjení a vybíjení.

Obrázek níže ukazuje vztah mezi napětím a kapacitou baterie při různých rychlostech vybíjení. Čím vyšší je rychlost vybíjení, tím nižší je kapacita baterie. Při nízké teplotě se také sníží kapacita baterie.

Obrázek 1.

Vztah mezi napětím a kapacitou při různých rychlostech vybíjení a teplotách

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 Plně nabito

Pokud je rozdíl mezi napětím baterie a nejvyšším nabíjecím napětím menší než 100 mV a nabíjecí proud klesne na C/10, lze baterii považovat za plně nabitou. Vlastnosti baterie jsou odlišné a podmínky plného nabití jsou také odlišné.

Níže uvedený obrázek ukazuje typickou charakteristiku nabíjení lithiové baterie. Když se napětí baterie rovná nejvyššímu nabíjecímu napětí a nabíjecí proud klesne na C/10, je baterie považována za plně nabitou.

Obrázek 2. Charakteristická křivka nabíjení lithiové baterie

1.4 Mini vybíjecí napětí

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 Úplné vybití

Když je napětí baterie menší nebo rovno minimálnímu vybíjecímu napětí, lze to nazvat úplným vybitím.

1.6 Rychlost nabíjení a vybíjení (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 Životnost cyklu

Počet cyklů je počet, kolikrát baterie prošla úplným nabitím a vybitím, což lze odhadnout ze skutečné vybíjecí kapacity a projektované kapacity. Kdykoli se akumulovaná kapacita vypouštění rovná projektované kapacitě, počet cyklů je jeden. Obvykle po 500 cyklech nabití a vybití klesne kapacita plně nabité baterie o 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Samovybíjení

Samovybíjení všech baterií se zvyšuje s rostoucí teplotou. Samovybíjení v podstatě není výrobní vadou, ale charakteristikou samotné baterie. Nesprávná manipulace ve výrobním procesu však může také způsobit zvýšení samovybíjení. Obecně platí, že rychlost samovybíjení se zdvojnásobí s každým zvýšením teploty baterie o 10 °C. Měsíční samovybíjení lithium-iontových baterií je asi 1~2%, zatímco měsíční samovybíjení různých baterií na bázi niklu je 10-15%.

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

2. Úvod do ukazatele stavu baterie

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 Metoda napětí naprázdno

Elektroměr využívající metodu napětí naprázdno je jednodušší na implementaci a lze jej získat vyhledáním tabulky odpovídající stavu nabití napětí naprázdno. Hypotetická podmínka napětí naprázdno je napětí na svorce baterie, když je baterie v klidu po dobu asi 30 minut.

Při různé zátěži, teplotě a stárnutí baterie se bude křivka napětí baterie lišit. Proto pevný voltmetr s otevřeným obvodem nemůže plně reprezentovat stav nabití; stav nabití nelze odhadnout pouhým pohledem do tabulky. Jinými slovy, pokud je stav nabití odhadnut pouze pohledem do tabulky, bude chyba velmi velká.

Následující obrázek ukazuje, že stejné napětí baterie se nabíjí a vybíjí a stav nabití zjištěný metodou napětí naprázdno je velmi odlišný.

Obrázek 5. Napětí baterie při nabíjení a vybíjení

Obrázek níže ukazuje, že stav nabití se při různé zátěži během vybíjení značně liší. V zásadě je tedy metoda napětí naprázdno vhodná pouze pro systémy s nízkými požadavky na přesnost stavu nabití, jako je použití olověných baterií nebo nepřerušitelných zdrojů energie v automobilech.

Obrázek 6. Napětí baterie při různém zatížení během vybíjení

2.3 Coulombova metoda měření

Princip činnosti coulombovské metody měření spočívá v připojení detekčního odporu na nabíjecí/vybíjecí dráhu baterie. ADC měří napětí na detekčním rezistoru a převádí ho na aktuální hodnotu nabíjené nebo vybíjené baterie. Počítadlo v reálném čase (RTC) poskytuje integraci aktuální hodnoty s časem, aby bylo možné vědět, kolik coulombů proteče.

Obrázek 7. Základní pracovní metoda metody Coulombova měření

Coulombova metoda měření dokáže přesně vypočítat stav nabití v reálném čase během nabíjení nebo vybíjení. Pomocí počítadla coulombů nabití a počítadla coulombů vybití může vypočítat zbývající kapacitu (RM) a kapacitu plného nabití (FCC). Současně lze zbývající kapacitu (RM) a kapacitu plného nabití (FCC) použít také pro výpočet stavu nabití, tedy (SOC = RM / FCC). Kromě toho dokáže odhadnout i zbývající čas, jako je vyčerpání energie (TTE) a plný výkon (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Existují dva hlavní faktory, které způsobují odchylky v přesnosti Coulombovy metody měření. První je akumulace chyb offsetu při snímání proudu a měření ADC. Přestože je chyba měření u současné technologie stále malá, pokud neexistuje dobrý způsob, jak ji odstranit, chyba se bude časem zvyšovat. Obrázek níže ukazuje, že v praktických aplikacích, pokud nedojde ke korekci doby trvání, je akumulovaná chyba neomezená.

Obrázek 9. Kumulativní chyba metody Coulombova měření

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.

Obrázek 10. Podmínky pro eliminaci kumulativní chyby Coulombovy metody měření

Druhým hlavním faktorem způsobujícím odchylku přesnosti coulombovské metody měření je chyba plné kapacity nabití (FCC), což je rozdíl mezi hodnotou konstrukční kapacity baterie a skutečnou kapacitou plného nabití baterie. Kapacita plného nabití (FCC) bude ovlivněna teplotou, stárnutím, zatížením a dalšími faktory. Proto je pro coulombovu metodu měření velmi důležitá metoda přeučení a kompenzace kapacity plného nabití. Následující obrázek ukazuje trendový jev chybového stavu nabíjení, kdy je kapacita plného nabití nadhodnocena a podhodnocena.

Obrázek 11. Chybový trend, když je kapacita plného nabití nadhodnocena a podhodnocena

2.4 Palivoměr s dynamickým napěťovým algoritmem

Palivoměr s dynamickým napěťovým algoritmem dokáže vypočítat stav nabití lithiové baterie pouze na základě napětí baterie. Tato metoda odhaduje zvýšení nebo snížení stavu nabití na základě rozdílu mezi napětím baterie a napětím baterie naprázdno. Dynamické informace o napětí mohou účinně simulovat chování lithiové baterie pro určení stavu nabití SOC (%), ale tato metoda nedokáže odhadnout hodnotu kapacity baterie (mAh).

Jeho výpočetní metoda je založena na dynamickém rozdílu mezi napětím baterie a napětím naprázdno pomocí iterativního algoritmu pro výpočet každého zvýšení nebo snížení stavu nabití pro odhad stavu nabití. Ve srovnání s řešením coulombovského měřicího palivoměru nebude palivoměr s dynamickým napěťovým algoritmem akumulovat chyby v průběhu času a proudu. Coulombovy dávkovací palivoměry obvykle způsobují nepřesný odhad stavu nabití v důsledku chyb snímání proudu a samovybíjení baterie. I když je aktuální chyba snímání velmi malá, coulombův čítač bude chybu nadále akumulovat a nahromaděnou chybu lze odstranit pouze tehdy, když je plně nabitý nebo zcela vybitý.

Dynamický napěťový algoritmus palivoměr odhaduje stav nabití baterie pouze na základě informací o napětí; protože není odhadován podle aktuálních informací o baterii, nehromadí chyby. Aby se zlepšila přesnost stavu nabití, algoritmus dynamického napětí potřebuje použít skutečné zařízení a upravit parametry optimalizovaného algoritmu podle skutečné křivky napětí baterie, když je plně nabitá a plně vybitá.

Obrázek 12. Výkon dynamického napěťového algoritmu palivoměru a optimalizace zisku

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%.

Obrázek 13. Výkon stavu nabití dynamického napěťového algoritmu za různých podmínek rychlosti vybíjení

Obrázek níže ukazuje průběh stavu nabití, když je baterie krátce nabitá a krátce vybitá. Chyba stavu nabití je stále velmi malá a maximální chyba je pouze 3 %.

Obrázek 14. Výkon stavu nabití dynamického napěťového algoritmu při krátkém nabití a krátkém vybití baterie

Ve srovnání se situací, kdy Coulombův dávkovací palivoměr obvykle způsobuje nepřesný stav nabití v důsledku chyb snímání proudu a samovybíjení baterie, dynamický napěťový algoritmus nekumuluje chyby v čase a proudu, což je velká výhoda. Protože neexistují žádné informace o nabíjecím/vybíjecím proudu, má dynamický napěťový algoritmus špatnou krátkodobou přesnost a pomalou dobu odezvy. Navíc nedokáže odhadnout kapacitu plného nabití. Z hlediska dlouhodobé přesnosti si však vede dobře, protože napětí baterie bude nakonec přímo odrážet její stav nabití.