1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Der Ladezustand kann als der Zustand der verfügbaren elektrischen Energie in der Batterie definiert werden, üblicherweise in Prozent ausgedrückt. Da die verfügbare elektrische Energie mit Lade- und Entladestrom, Temperatur und Alterungsphänomenen variiert, wird auch die Definition des Ladezustands in zwei Typen unterteilt: Absoluter Ladezustand (ASOC) und Relativer Ladezustand (Relativer Zustand) -Ladezustand; ASOC) Ladezustand; RSOC). Normalerweise beträgt der relative Ladezustandsbereich 0%-100%, während der Akku bei voller Ladung 100% und bei vollständiger Entladung 0% beträgt. Der absolute Ladezustand ist ein Referenzwert, der gemäß dem festgelegten festen Kapazitätswert bei der Herstellung der Batterie berechnet wird. Der absolute Ladezustand eines fabrikneuen voll aufgeladenen Akkus beträgt 100 %; und selbst wenn eine alternde Batterie vollständig geladen ist, kann sie unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen nicht 100 % erreichen.

Die folgende Abbildung zeigt die Beziehung zwischen Spannung und Batteriekapazität bei unterschiedlichen Entladeraten. Je höher die Entladerate, desto geringer die Batteriekapazität. Wenn die Temperatur niedrig ist, nimmt auch die Batteriekapazität ab.

Abbildung 1.

Die Beziehung zwischen Spannung und Kapazität bei unterschiedlichen Entladeraten und Temperaturen

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 Vollständig aufgeladen

Wenn die Differenz zwischen der Batteriespannung und der höchsten Ladespannung weniger als 100 mV beträgt und der Ladestrom auf C/10 abfällt, kann die Batterie als vollständig geladen angesehen werden. Die Batterieeigenschaften sind unterschiedlich und auch die Vollladebedingungen sind unterschiedlich.

Die folgende Abbildung zeigt eine typische Ladekennlinie für Lithiumbatterien. Wenn die Batteriespannung der höchsten Ladespannung entspricht und der Ladestrom auf C/10 abfällt, gilt die Batterie als voll geladen.

Abbildung 2. Ladekennlinie für Lithiumbatterien

1.4 Mini-Entladespannung

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 Vollständige Entladung

Wenn die Batteriespannung kleiner oder gleich der minimalen Entladespannung ist, kann dies als vollständige Entladung bezeichnet werden.

1.6 Lade- und Entladerate (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 Zykluslebensdauer

Die Anzahl der Zyklen ist die Anzahl der vollständigen Lade- und Entladevorgänge einer Batterie, die aus der tatsächlichen Entladekapazität und der Auslegungskapazität abgeschätzt werden kann. Immer wenn die akkumulierte Entladekapazität gleich der Auslegungskapazität ist, beträgt die Anzahl der Zyklen einmal. Normalerweise sinkt die Kapazität eines vollständig geladenen Akkus nach 500 Lade-Entlade-Zyklen um 10 % bis 20 %.

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

1.8 Selbstentladung

Die Selbstentladung aller Batterien nimmt mit steigender Temperatur zu. Selbstentladung ist im Grunde kein Herstellungsfehler, sondern die Eigenart des Akkus. Aber auch unsachgemäße Handhabung im Herstellungsprozess kann zu einer erhöhten Selbstentladung führen. Im Allgemeinen verdoppelt sich die Selbstentladungsrate pro 10 °C Anstieg der Batterietemperatur. Die monatliche Selbstentladung von Lithium-Ionen-Akkus beträgt etwa 1~2%, während die monatliche Selbstentladung verschiedener Nickel-basierter Batterien 10-15% beträgt.

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

2. Einführung in die Batteriestandsanzeige

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 Leerlaufspannungsmethode

Der Stromzähler, der das Leerlaufspannungsverfahren verwendet, ist einfacher zu implementieren und kann durch Nachschlagen der Tabelle erhalten werden, die dem Ladezustand der Leerlaufspannung entspricht. Der hypothetische Zustand der Leerlaufspannung ist die Batterieklemmenspannung, wenn die Batterie etwa 30 Minuten lang ruht.

Bei unterschiedlicher Belastung, Temperatur und Batteriealterung ist die Batteriespannungskurve unterschiedlich. Daher kann ein fest installiertes Leerlaufvoltmeter den Ladezustand nicht vollständig darstellen; Der Ladezustand kann nicht allein durch das Nachschlagen in der Tabelle abgeschätzt werden. Mit anderen Worten, wenn der Ladezustand nur durch Nachschlagen in der Tabelle geschätzt wird, ist der Fehler sehr groß.

Die folgende Abbildung zeigt, dass die gleiche Batteriespannung geladen und entladen wird und der Ladezustand, der durch die Leerlaufspannungsmethode ermittelt wird, sehr unterschiedlich ist.

Abbildung 5. Batteriespannung beim Laden und Entladen

Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustand bei unterschiedlichen Belastungen beim Entladen stark variiert. Grundsätzlich eignet sich das Leerlaufspannungsverfahren also nur für Systeme mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit des Ladezustands, wie zum Beispiel den Einsatz von Blei-Säure-Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen in Automobilen.

Abbildung 6. Batteriespannung unter verschiedenen Lasten während der Entladung

2.3 Coulomb-Messmethode

Das Funktionsprinzip des Coulomb-Messverfahrens besteht darin, einen Detektionswiderstand an den Lade-/Entladepfad der Batterie anzuschließen. Der ADC misst die Spannung am Detektionswiderstand und wandelt sie in den aktuellen Wert der geladenen oder entladenen Batterie um. Der Echtzeitzähler (RTC) liefert die Integration des aktuellen Werts mit der Zeit, um zu wissen, wie viele Coulombs durchfließen.

Abbildung 7. Grundlegende Arbeitsweise der Coulomb-Messmethode

Die Coulomb-Messmethode kann den Ladezustand während des Ladens oder Entladens in Echtzeit genau berechnen. Mit dem Lade-Coulomb-Zähler und dem Entlade-Coulomb-Zähler kann er die Restkapazität (RM) und die Vollladekapazität (FCC) berechnen. Gleichzeitig kann aus der Restkapazität (RM) und der Vollladekapazität (FCC) auch der Ladezustand berechnet werden, also (SOC = RM / FCC). Darüber hinaus kann es auch die verbleibende Zeit schätzen, wie z. B. Leistungserschöpfung (TTE) und volle Leistung (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Es gibt zwei Hauptfaktoren, die Abweichungen in der Genauigkeit der Coulomb-Messmethode verursachen. Der erste ist die Akkumulation von Offset-Fehlern bei der Strommessung und der ADC-Messung. Obwohl der Messfehler mit der aktuellen Technologie noch klein ist, wird der Fehler mit der Zeit zunehmen, wenn es keine gute Möglichkeit gibt, ihn zu beseitigen. Die folgende Abbildung zeigt, dass in praktischen Anwendungen der akkumulierte Fehler unbegrenzt ist, wenn keine Korrektur in der Zeitdauer erfolgt.

Abbildung 9. Kumulativer Fehler der Coulomb-Messmethode

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.

Abbildung 10. Bedingungen zur Eliminierung des kumulativen Fehlers der Coulomb-Messmethode

Der zweite Hauptfaktor, der die Abweichung der Genauigkeit des Coulomb-Messverfahrens verursacht, ist der Vollladekapazitätsfehler (FCC), der die Differenz zwischen dem Wert der Batterieentwurfskapazität und der wahren Vollladekapazität der Batterie ist. Die volle Ladekapazität (FCC) wird durch Temperatur, Alterung, Last und andere Faktoren beeinflusst. Daher ist das Wiedererlernen und Kompensationsverfahren der vollen Ladungskapazität für das Coulomb-Messverfahren sehr wichtig. Die folgende Abbildung zeigt das Trendphänomen des Ladezustandsfehlers, wenn die volle Ladekapazität über- und unterschätzt wird.

Abbildung 11. Der Fehlertrend bei Über- und Unterschätzung der vollen Ladekapazität

2.4 Kraftstoffanzeige mit dynamischem Spannungsalgorithmus

Die Tankanzeige des dynamischen Spannungsalgorithmus kann den Ladezustand der Lithiumbatterie nur basierend auf der Batteriespannung berechnen. Dieses Verfahren dient dazu, die Zunahme oder Abnahme des Ladezustands basierend auf der Differenz zwischen der Batteriespannung und der Leerlaufspannung der Batterie zu schätzen. Die dynamischen Spannungsinformationen können das Verhalten der Lithiumbatterie effektiv simulieren, um den Ladezustand SOC (%) zu bestimmen, aber diese Methode kann den Batteriekapazitätswert (mAh) nicht schätzen.

Seine Berechnungsmethode basiert auf der dynamischen Differenz zwischen der Batteriespannung und der Leerlaufspannung, indem ein iterativer Algorithmus verwendet wird, um jede Zunahme oder Abnahme des Ladezustands zu berechnen, um den Ladezustand zu schätzen. Verglichen mit der Lösung der Coulomb-Messtankanzeige akkumuliert die Kraftstoffanzeige mit dynamischem Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom. Coulomb-Messtankanzeigen verursachen aufgrund von Stromerfassungsfehlern und der Selbstentladung der Batterie normalerweise eine ungenaue Schätzung des Ladezustands. Selbst wenn der Stromerfassungsfehler sehr klein ist, wird der Coulomb-Zähler den Fehler weiter akkumulieren, und der akkumulierte Fehler kann nur beseitigt werden, wenn er vollständig geladen oder vollständig entladen ist.

Die Kraftstoffanzeige des dynamischen Spannungsalgorithmus schätzt den Ladezustand der Batterie nur anhand von Spannungsinformationen; da es nicht durch die aktuellen Informationen der Batterie geschätzt wird, akkumuliert es keine Fehler. Um die Genauigkeit des Ladezustands zu verbessern, muss der dynamische Spannungsalgorithmus ein tatsächliches Gerät verwenden und die Parameter eines optimierten Algorithmus gemäß der tatsächlichen Batteriespannungskurve anpassen, wenn diese vollständig geladen und vollständig entladen ist.

Abbildung 12. Leistung der Kraftstoffanzeige des dynamischen Spannungsalgorithmus und Optimierung der Verstärkung

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%.

Abbildung 13. Die Leistung des Ladezustands des dynamischen Spannungsalgorithmus unter verschiedenen Entladeratenbedingungen

Die folgende Abbildung zeigt die Leistung des Ladezustands, wenn der Akku kurz geladen und entladen ist. Der Ladezustandsfehler ist noch sehr klein und der maximale Fehler beträgt nur 3%.

Abbildung 14. Die Leistung des Ladezustands des dynamischen Spannungsalgorithmus, wenn die Batterie kurz geladen und entladen ist

Verglichen mit der Situation, in der die Coulomb-Messtankanzeige normalerweise aufgrund von Stromerfassungsfehlern und der Selbstentladung der Batterie einen ungenauen Ladezustand verursacht, akkumuliert der dynamische Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom, was ein großer Vorteil ist. Da keine Informationen über den Lade-/Entladestrom vorliegen, weist der dynamische Spannungsalgorithmus eine geringe Kurzzeitgenauigkeit und eine langsame Reaktionszeit auf. Außerdem kann er die volle Ladekapazität nicht abschätzen. In Bezug auf die Langzeitgenauigkeit schneidet es jedoch gut ab, da die Batteriespannung schließlich direkt ihren Ladezustand widerspiegelt.