1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Η κατάσταση φόρτισης μπορεί να οριστεί ως η κατάσταση της διαθέσιμης ηλεκτρικής ενέργειας στην μπαταρία, συνήθως εκφρασμένη ως ποσοστό. Επειδή η διαθέσιμη ηλεκτρική ενέργεια ποικίλλει ανάλογα με το ρεύμα φόρτισης και εκφόρτισης, τη θερμοκρασία και τα φαινόμενα γήρανσης, ο ορισμός της κατάστασης φόρτισης χωρίζεται επίσης σε δύο τύπους: Απόλυτη κατάσταση φόρτισης (ASOC) και σχετική κατάσταση φόρτισης (Σχετική κατάσταση φόρτισης). -Of-Charge· ASOC) State-Of-Charge· RSOC). Κανονικά το σχετικό εύρος κατάστασης φόρτισης είναι 0%-100%, ενώ η μπαταρία είναι 100% όταν είναι πλήρως φορτισμένη και 0% όταν είναι πλήρως αποφορτισμένη. Η απόλυτη κατάσταση φόρτισης είναι μια τιμή αναφοράς που υπολογίζεται σύμφωνα με τη σχεδιασμένη τιμή σταθερής χωρητικότητας όταν κατασκευάζεται η μπαταρία. Η απόλυτη κατάσταση φόρτισης μιας ολοκαίνουργιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας είναι 100%. Και ακόμη κι αν μια γερασμένη μπαταρία είναι πλήρως φορτισμένη, δεν μπορεί να φτάσει το 100% υπό διαφορετικές συνθήκες φόρτισης και εκφόρτισης.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει τη σχέση μεταξύ τάσης και χωρητικότητας μπαταρίας σε διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης. Όσο υψηλότερος είναι ο ρυθμός αποφόρτισης, τόσο μικρότερη είναι η χωρητικότητα της μπαταρίας. Όταν η θερμοκρασία είναι χαμηλή, η χωρητικότητα της μπαταρίας θα μειωθεί επίσης.

Εικόνα 1.

Η σχέση μεταξύ τάσης και χωρητικότητας σε διαφορετικούς ρυθμούς εκφόρτισης και θερμοκρασίες

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 Πλήρως φορτισμένο

Όταν η διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της υψηλότερης τάσης φόρτισης είναι μικρότερη από 100 mV και το ρεύμα φόρτισης πέσει σε C/10, η μπαταρία μπορεί να θεωρηθεί πλήρως φορτισμένη. Τα χαρακτηριστικά της μπαταρίας είναι διαφορετικά και οι συνθήκες πλήρους φόρτισης είναι επίσης διαφορετικές.

Το παρακάτω σχήμα δείχνει μια τυπική χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης μπαταρίας λιθίου. Όταν η τάση της μπαταρίας είναι ίση με την υψηλότερη τάση φόρτισης και το ρεύμα φόρτισης πέσει στο C/10, η μπαταρία θεωρείται πλήρως φορτισμένη.

Εικόνα 2. Χαρακτηριστική καμπύλη φόρτισης μπαταρίας λιθίου

1.4 Μίνι Τάση Εκφόρτισης

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 Πλήρης αποφόρτιση

Όταν η τάση της μπαταρίας είναι μικρότερη ή ίση με την ελάχιστη τάση εκφόρτισης, μπορεί να ονομαστεί πλήρης εκφόρτιση.

1.6 Charge and discharge rate (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 Κύκλος ζωής

Ο αριθμός των κύκλων είναι ο αριθμός των φορών που μια μπαταρία έχει υποστεί πλήρη φόρτιση και εκφόρτιση, ο οποίος μπορεί να υπολογιστεί από την πραγματική χωρητικότητα εκφόρτισης και την χωρητικότητα σχεδιασμού. Όποτε η συσσωρευμένη ικανότητα εκφόρτισης είναι ίση με την ικανότητα σχεδιασμού, ο αριθμός των κύκλων είναι μία φορά. Συνήθως μετά από 500 κύκλους φόρτισης-εκφόρτισης, η χωρητικότητα μιας πλήρως φορτισμένης μπαταρίας πέφτει κατά 10% ~ 20%.

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

1.8 Αυτοεκφόρτιση

Η αυτοεκφόρτιση όλων των μπαταριών αυξάνεται καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Η αυτοεκφόρτιση δεν είναι βασικά κατασκευαστικό ελάττωμα, αλλά τα χαρακτηριστικά της ίδιας της μπαταρίας. Ωστόσο, ο ακατάλληλος χειρισμός στη διαδικασία κατασκευής μπορεί επίσης να προκαλέσει αύξηση της αυτοεκφόρτισης. Γενικά, ο ρυθμός αυτοεκφόρτισης διπλασιάζεται για κάθε 10°C αύξηση της θερμοκρασίας της μπαταρίας. Η μηνιαία αυτοεκφόρτιση των μπαταριών ιόντων λιθίου είναι περίπου 1~2%, ενώ η μηνιαία αυτοεκφόρτιση διαφόρων μπαταριών με βάση το νικέλιο είναι 10-15%.

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

2. Εισαγωγή στο μετρητή καυσίμου μπαταρίας

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 Μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος

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.

Κάτω από διαφορετικό φορτίο, θερμοκρασία και γήρανση της μπαταρίας, η καμπύλη τάσης της μπαταρίας θα είναι διαφορετική. Επομένως, ένα σταθερό βολτόμετρο ανοιχτού κυκλώματος δεν μπορεί να αντιπροσωπεύει πλήρως την κατάσταση φόρτισης. η κατάσταση φόρτισης δεν μπορεί να εκτιμηθεί κοιτάζοντας μόνο τον πίνακα. Με άλλα λόγια, εάν η κατάσταση φόρτισης εκτιμάται μόνο κοιτάζοντας τον πίνακα, το σφάλμα θα είναι πολύ μεγάλο.

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.

Εικόνα 5. Τάση μπαταρίας υπό φόρτιση και αποφόρτιση

Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι η κατάσταση φόρτισης ποικίλλει πολύ κάτω από διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση. Επομένως, βασικά, η μέθοδος τάσης ανοιχτού κυκλώματος είναι κατάλληλη μόνο για συστήματα με χαμηλές απαιτήσεις για την ακρίβεια της κατάστασης φόρτισης, όπως η χρήση μπαταριών μολύβδου-οξέος ή αδιάλειπτων τροφοδοτικών σε αυτοκίνητα.

Εικόνα 6. Τάση μπαταρίας υπό διαφορετικά φορτία κατά την εκφόρτιση

2.3 Μέθοδος μέτρησης Coulomb

Η αρχή λειτουργίας της μεθόδου μέτρησης coulomb είναι η σύνδεση μιας αντίστασης ανίχνευσης στη διαδρομή φόρτισης/εκφόρτισης της μπαταρίας. Το ADC μετρά την τάση στην αντίσταση ανίχνευσης και τη μετατρέπει στην τρέχουσα τιμή της μπαταρίας που φορτίζεται ή αποφορτίζεται. Ο μετρητής πραγματικού χρόνου (RTC) παρέχει την ενοποίηση της τρέχουσας τιμής με το χρόνο, έτσι ώστε να γνωρίζουμε πόσα κουλόμπ διέρχονται.

Εικόνα 7. Βασική μέθοδος εργασίας της μεθόδου μέτρησης Coulomb

Η μέθοδος μέτρησης Coulomb μπορεί να υπολογίσει με ακρίβεια την κατάσταση φόρτισης σε πραγματικό χρόνο κατά τη φόρτιση ή την εκφόρτιση. Με τον μετρητή κουλόμπ φόρτισης και τον μετρητή κουλόμπ εκφόρτισης, μπορεί να υπολογίσει την υπολειπόμενη χωρητικότητα (RM) και τη χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC). Ταυτόχρονα, η υπολειπόμενη χωρητικότητα (RM) και η χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) μπορούν επίσης να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της κατάστασης φόρτισης, δηλαδή (SOC = RM / FCC). Επιπλέον, μπορεί επίσης να εκτιμήσει τον υπολειπόμενο χρόνο, όπως εξάντληση ισχύος (TTE) και πλήρη ισχύ (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Δύο είναι οι κύριοι παράγοντες που προκαλούν αποκλίσεις στην ακρίβεια της μεθόδου μέτρησης Coulomb. Το πρώτο είναι η συσσώρευση σφαλμάτων μετατόπισης στην ανίχνευση ρεύματος και τη μέτρηση ADC. Αν και το σφάλμα μέτρησης με την τρέχουσα τεχνολογία είναι ακόμα μικρό, εάν δεν υπάρχει καλός τρόπος για να το εξαλείψετε, το σφάλμα θα αυξηθεί με την πάροδο του χρόνου. Το παρακάτω σχήμα δείχνει ότι σε πρακτικές εφαρμογές, εάν δεν υπάρχει διόρθωση στη χρονική διάρκεια, το συσσωρευμένο σφάλμα είναι απεριόριστο.

Σχήμα 9. Σωρευτικό σφάλμα μεθόδου μέτρησης 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.

Εικόνα 10. Προϋποθέσεις για την εξάλειψη του αθροιστικού σφάλματος της μεθόδου μέτρησης Coulomb

Ο δεύτερος σημαντικός παράγοντας που προκαλεί την απόκλιση της ακρίβειας της μεθόδου μέτρησης coulomb είναι το σφάλμα χωρητικότητας πλήρους φόρτισης (FCC), το οποίο είναι η διαφορά μεταξύ της τιμής της χωρητικότητας σχεδιασμού της μπαταρίας και της πραγματικής χωρητικότητας πλήρους φόρτισης της μπαταρίας. Η χωρητικότητα πλήρους φόρτισης (FCC) θα επηρεαστεί από τη θερμοκρασία, τη γήρανση, το φορτίο και άλλους παράγοντες. Επομένως, η μέθοδος εκ νέου εκμάθησης και αντιστάθμισης της χωρητικότητας πλήρους φόρτισης είναι πολύ σημαντική για τη μέθοδο μέτρησης coulomb. Το παρακάτω σχήμα δείχνει το φαινόμενο τάσης του σφάλματος κατάστασης φόρτισης όταν η πλήρης χωρητικότητα φόρτισης υπερεκτιμάται και υποτιμάται.

Εικόνα 11. Η τάση σφάλματος όταν η πλήρης χωρητικότητα φόρτισης υπερεκτιμάται και υποτιμάται

2.4 Δυναμικός αλγόριθμος τάσης Μετρητής καυσίμου

Ο μετρητής καυσίμου με αλγόριθμο δυναμικής τάσης μπορεί να υπολογίσει την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας λιθίου με βάση μόνο την τάση της μπαταρίας. Αυτή η μέθοδος είναι η εκτίμηση της αύξησης ή της μείωσης της κατάστασης φόρτισης με βάση τη διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος της μπαταρίας. Οι πληροφορίες δυναμικής τάσης μπορούν να προσομοιώσουν αποτελεσματικά τη συμπεριφορά της μπαταρίας λιθίου για να προσδιορίσουν την κατάσταση φόρτισης SOC (%), αλλά αυτή η μέθοδος δεν μπορεί να εκτιμήσει την τιμή χωρητικότητας της μπαταρίας (mAh).

Η μέθοδος υπολογισμού του βασίζεται στη δυναμική διαφορά μεταξύ της τάσης της μπαταρίας και της τάσης ανοιχτού κυκλώματος, χρησιμοποιώντας έναν επαναληπτικό αλγόριθμο για τον υπολογισμό κάθε αύξησης ή μείωσης της κατάστασης φόρτισης για την εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης. Σε σύγκριση με τη λύση του μετρητή καυσίμου μέτρησης κουλόμπ, ο μετρητής καυσίμου με αλγόριθμο δυναμικής τάσης δεν θα συσσωρεύει σφάλματα με την πάροδο του χρόνου και του ρεύματος. Οι μετρητές καυσίμου μέτρησης Coulomb συνήθως προκαλούν ανακριβή εκτίμηση της κατάστασης φόρτισης λόγω σφαλμάτων ανίχνευσης ρεύματος και αυτοεκφόρτισης της μπαταρίας. Ακόμα κι αν το τρέχον σφάλμα ανίχνευσης είναι πολύ μικρό, ο μετρητής coulomb θα συνεχίσει να συσσωρεύει το σφάλμα και το συσσωρευμένο σφάλμα μπορεί να εξαλειφθεί μόνο όταν είναι πλήρως φορτισμένο ή πλήρως αποφορτισμένο.

Ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης μετρητής καυσίμου εκτιμά την κατάσταση φόρτισης της μπαταρίας μόνο με πληροφορίες τάσης. επειδή δεν υπολογίζεται από τις τρέχουσες πληροφορίες της μπαταρίας, δεν συσσωρεύει σφάλματα. Προκειμένου να βελτιωθεί η ακρίβεια της κατάστασης φόρτισης, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης πρέπει να χρησιμοποιεί μια πραγματική συσκευή και να προσαρμόζει τις παραμέτρους ενός βελτιστοποιημένου αλγορίθμου σύμφωνα με την πραγματική καμπύλη τάσης της μπαταρίας όταν είναι πλήρως φορτισμένη και πλήρως αποφορτισμένη.

Εικόνα 12. Απόδοση αλγορίθμου δυναμικής τάσης μετρητής καυσίμου και βελτιστοποίηση απολαβής

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%.

Εικόνα 13. Η απόδοση της κατάστασης φόρτισης του αλγόριθμου δυναμικής τάσης υπό διαφορετικές συνθήκες ρυθμού εκφόρτισης

Το παρακάτω σχήμα δείχνει την απόδοση της κατάστασης φόρτισης όταν η μπαταρία είναι βραχυφορτισμένη και βραχυφορτισμένη. Το σφάλμα κατάστασης φόρτισης εξακολουθεί να είναι πολύ μικρό και το μέγιστο σφάλμα είναι μόνο 3%.

Εικόνα 14. Η απόδοση της κατάστασης φόρτισης του αλγόριθμου δυναμικής τάσης όταν η μπαταρία είναι βραχυφορτισμένη και βραχυφορτισμένη

Σε σύγκριση με την κατάσταση όπου ο μετρητής καυσίμου μέτρησης Coulomb συνήθως προκαλεί ανακριβή κατάσταση φόρτισης λόγω σφαλμάτων ανίχνευσης ρεύματος και αυτοεκφόρτισης της μπαταρίας, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης δεν συσσωρεύει σφάλματα με την πάροδο του χρόνου και του ρεύματος, κάτι που είναι μεγάλο πλεονέκτημα. Επειδή δεν υπάρχουν πληροφορίες σχετικά με το ρεύμα φόρτισης/εκφόρτισης, ο αλγόριθμος δυναμικής τάσης έχει χαμηλή βραχυπρόθεσμη ακρίβεια και αργό χρόνο απόκρισης. Επιπλέον, δεν μπορεί να εκτιμήσει την πλήρη χωρητικότητα φόρτισης. Ωστόσο, αποδίδει καλά όσον αφορά τη μακροπρόθεσμη ακρίβεια, επειδή η τάση της μπαταρίας τελικά θα αντανακλά άμεσα την κατάσταση φόρτισής της.