1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Ladetilstanden kan defineres som tilstanden af ​​tilgængelig elektrisk energi i batteriet, normalt udtrykt som en procentdel. Fordi den tilgængelige elektriske energi varierer med lade- og afladningsstrøm, temperatur og ældningsfænomener, er definitionen af ​​ladningstilstand også opdelt i to typer: Absolut ladningstilstand (ASOC) og relativ ladningstilstand (relativ tilstand) -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalt er det relative ladetilstandsområde 0%-100%, mens batteriet er 100%, når det er fuldt opladet, og 0%, når det er helt afladet. Den absolutte ladetilstand er en referenceværdi, der beregnes i henhold til den beregnede faste kapacitetsværdi, når batteriet fremstilles. Den absolutte ladetilstand for et helt nyt fuldt opladet batteri er 100 %; og selvom et aldrende batteri er fuldt opladet, kan det ikke nå 100 % under forskellige op- og afladningsforhold.

Nedenstående figur viser forholdet mellem spænding og batterikapacitet ved forskellige afladningshastigheder. Jo højere afladningshastighed, jo lavere batterikapacitet. Når temperaturen er lav, vil batterikapaciteten også falde.

Figur 1.

Forholdet mellem spænding og kapacitet ved forskellige afladningshastigheder og temperaturer

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 Fuldt opladet

Når forskellen mellem batterispændingen og den højeste ladespænding er mindre end 100mV, og ladestrømmen falder til C/10, kan batteriet betragtes som fuldt opladet. Batteriets egenskaber er forskellige, og betingelserne for fuld opladning er også forskellige.

Figuren nedenfor viser en typisk karakteristik af lithiumbatteriets opladning. Når batterispændingen er lig med den højeste ladespænding, og ladestrømmen falder til C/10, anses batteriet for at være fuldt opladet.

Figur 2. Karakteristikkurve for lithiumbatteri

1.4 Mini afladningsspænding

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 Fuldstændig afladning

Når batterispændingen er mindre end eller lig med minimumsafladningsspændingen, kan det kaldes en fuldstændig afladning.

1.6 Opladnings- og afladningshastighed (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 Cyklusliv

Antallet af cyklusser er antallet af gange, et batteri har gennemgået fuldstændig op- og afladning, hvilket kan estimeres ud fra den faktiske afladningskapacitet og designkapaciteten. Når den akkumulerede afladningskapacitet er lig med designkapaciteten, er antallet af cyklusser én gang. Normalt efter 500 opladning-afladningscyklusser falder kapaciteten af ​​et fuldt opladet batteri med 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Selvafladning

Selvafladningen af ​​alle batterier stiger i takt med at temperaturen stiger. Selvafladning er som udgangspunkt ikke en fabrikationsfejl, men selve batteriets egenskaber. Forkert håndtering i fremstillingsprocessen kan dog også forårsage en stigning i selvafladning. Generelt fordobles selvafladningshastigheden for hver 10°C stigning i batteritemperaturen. Den månedlige selvafladning af lithium-ion-batterier er omkring 1~2%, mens den månedlige selvafladning af forskellige nikkel-baserede batterier er 10-15%.

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

2. Introduktion til batteribrændstofmåler

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 Åben kredsløbsspændingsmetode

The electricity meter using the open circuit voltage method is easier to implement, and it can be obtained by looking up the table corresponding to the state of charge of the open circuit voltage. The hypothetical condition of the open circuit voltage is the battery terminal voltage when the battery rests for about 30 minutes.

Under forskellig belastning, temperatur og batteriældning vil batterispændingskurven være anderledes. Derfor kan et fast åbent kredsløb voltmeter ikke fuldt ud repræsentere ladningstilstanden; ladetilstanden kan ikke estimeres alene ved at slå op i tabellen. Med andre ord, hvis ladetilstanden kun estimeres ved at slå op i tabellen, vil fejlen være meget stor.

The following figure shows that the same battery voltage is under charge and discharge, and the state of charge found by the open circuit voltage method is very different.

Figur 5. Batterispænding under op- og afladning

Nedenstående figur viser, at ladetilstanden varierer meget under forskellige belastninger under afladning. Så dybest set er åben kredsløbsspændingsmetoden kun egnet til systemer med lave krav til nøjagtigheden af ​​ladetilstanden, såsom brugen af ​​bly-syre-batterier eller uafbrydelige strømforsyninger i biler.

Figur 6. Batterispænding under forskellige belastninger under afladning

2.3 Coulomb målemetode

Funktionsprincippet for coulomb-målemetoden er at tilslutte en detektionsmodstand på batteriets opladnings-/afladningsvej. ADC’en måler spændingen på detekteringsmodstanden og konverterer den til den aktuelle værdi af batteriet, der oplades eller aflades. Realtidstælleren (RTC) sørger for integration af den aktuelle værdi med tiden for at vide, hvor mange coulombs der strømmer igennem.

Figur 7. Grundlæggende arbejdsmetode for Coulomb målemetode

Coulomb målemetode kan nøjagtigt beregne opladningstilstanden i realtid under opladning eller afladning. Med ladnings-coulomb-tælleren og afladnings-coulomb-tælleren kan den beregne den resterende kapacitet (RM) og den fulde ladekapacitet (FCC). Samtidig kan den resterende kapacitet (RM) og den fulde ladekapacitet (FCC) også bruges til at beregne ladetilstanden, det vil sige (SOC = RM / FCC). Derudover kan den også estimere den resterende tid, såsom strømudtømning (TTE) og fuld effekt (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Der er to hovedfaktorer, der forårsager afvigelser i nøjagtigheden af ​​Coulomb-målemetoden. Den første er akkumuleringen af ​​offset-fejl i strømregistrering og ADC-måling. Selvom målefejlen med den nuværende teknologi stadig er lille, vil fejlen stige med tiden, hvis der ikke er nogen god måde at eliminere den på. Nedenstående figur viser, at i praktiske applikationer, hvis der ikke er nogen korrektion i tidsvarigheden, er den akkumulerede fejl ubegrænset.

Figur 9. Kumulativ fejl af Coulomb målemetode

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.

Figur 10. Betingelser for at eliminere den kumulative fejl i Coulomb-målemetoden

Den anden hovedfaktor, der forårsager afvigelsen af ​​nøjagtigheden af ​​coulomb-målemetoden, er fejlen ved fuld opladningskapacitet (FCC), som er forskellen mellem værdien af ​​batteriets designkapacitet og batteriets sande fuld opladningskapacitet. Fuld ladekapacitet (FCC) vil blive påvirket af temperatur, aldring, belastning og andre faktorer. Derfor er genlærings- og kompensationsmetoden for den fulde ladekapacitet meget vigtig for coulomb-målemetoden. Følgende figur viser trendfænomenet for ladetilstandsfejlen, når den fulde ladekapacitet er overvurderet og undervurderet.

Figur 11. Fejltendensen, når den fulde ladekapacitet er overvurderet og undervurderet

2.4 Dynamisk spændingsalgoritme brændstofmåler

Den dynamiske spændingsalgoritme brændstofmåler kan beregne ladetilstanden for lithiumbatteriet kun baseret på batterispændingen. Denne metode er at estimere stigningen eller faldet i ladetilstanden baseret på forskellen mellem batterispændingen og batteriets åbent kredsløbsspænding. Den dynamiske spændingsinformation kan effektivt simulere lithiumbatteriets opførsel for at bestemme ladetilstanden SOC (%), men denne metode kan ikke estimere batterikapacitetsværdien (mAh).

Dens beregningsmetode er baseret på den dynamiske forskel mellem batterispændingen og åben kredsløbsspænding ved at bruge en iterativ algoritme til at beregne hver stigning eller formindskelse af ladetilstanden for at estimere ladetilstanden. Sammenlignet med løsningen af ​​coulomb-målerens brændstofmåler vil den dynamiske spændingsalgoritme brændstofmåler ikke akkumulere fejl over tid og strøm. Coulomb-målebrændstofmålere forårsager normalt unøjagtig estimering af ladetilstanden på grund af strømfølingsfejl og batteriets selvafladning. Selvom den aktuelle registreringsfejl er meget lille, vil coulomb-tælleren fortsætte med at akkumulere fejlen, og den akkumulerede fejl kan kun elimineres, når den er fuldt opladet eller helt afladet.

Den dynamiske spændingsalgoritme brændstofmåler estimerer batteriets ladetilstand kun ved spændingsinformation; fordi det ikke estimeres af batteriets aktuelle information, akkumulerer det ikke fejl. For at forbedre nøjagtigheden af ​​ladetilstanden skal den dynamiske spændingsalgoritme bruge en faktisk enhed og justere parametrene for en optimeret algoritme i henhold til den faktiske batterispændingskurve, når den er fuldt opladet og helt afladet.

Figur 12. Ydeevne af dynamisk spændingsalgoritme brændstofmåler og forstærkningsoptimering

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%.

Figur 13. Ydeevnen af ​​ladetilstanden for den dynamiske spændingsalgoritme under forskellige afladningshastighedsforhold

Nedenstående figur viser ydelsen af ​​ladetilstanden, når batteriet er kort- og kortafladet. Ladetilstandsfejlen er stadig meget lille, og den maksimale fejl er kun 3%.

Figur 14. Ydeevnen af ​​ladetilstanden for den dynamiske spændingsalgoritme, når batteriet er kort- og kort-afladet

Sammenlignet med situationen, hvor Coulomb-målerens brændstofmåler normalt forårsager unøjagtig ladningstilstand på grund af strømfølingsfejl og batteriets selvafladning, akkumulerer den dynamiske spændingsalgoritme ikke fejl over tid og strøm, hvilket er en stor fordel. Fordi der ikke er nogen information om lade-/afladningsstrømmen, har den dynamiske spændingsalgoritme dårlig kortsigtet nøjagtighed og langsom responstid. Derudover kan den ikke estimere den fulde ladekapacitet. Den klarer sig dog godt med hensyn til langsigtet nøjagtighed, fordi batterispændingen i sidste ende vil afspejle dens ladetilstand direkte.