1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

El estado de carga se puede definir como el estado de la energía eléctrica disponible en la batería, generalmente expresado como un porcentaje. Debido a que la energía eléctrica disponible varía con la corriente de carga y descarga, la temperatura y los fenómenos de envejecimiento, la definición de estado de carga también se divide en dos tipos: estado de carga absoluto (ASOC) y estado de carga relativo (estado relativo -Of-Charge; ASOC) Estado de carga; RSOC). Normalmente, el estado relativo del rango de carga es 0% -100%, mientras que la batería es 100% cuando está completamente cargada y 0% cuando está completamente descargada. El estado de carga absoluto es un valor de referencia calculado de acuerdo con el valor de capacidad fijo diseñado cuando se fabrica la batería. El estado de carga absoluto de una batería nueva completamente cargada es del 100%; e incluso si una batería vieja está completamente cargada, no puede alcanzar el 100% en diferentes condiciones de carga y descarga.

La siguiente figura muestra la relación entre el voltaje y la capacidad de la batería a diferentes velocidades de descarga. Cuanto mayor sea la tasa de descarga, menor será la capacidad de la batería. Cuando la temperatura es baja, la capacidad de la batería también disminuirá.

Figura 1.

La relación entre voltaje y capacidad a diferentes velocidades y temperaturas de descarga.

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 Totalmente cargado

Cuando la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje de carga más alto es inferior a 100 mV, y la corriente de carga cae a C / 10, se puede considerar que la batería está completamente cargada. Las características de la batería son diferentes y las condiciones de carga completa también son diferentes.

La siguiente figura muestra una curva característica de carga de una batería de litio típica. Cuando el voltaje de la batería es igual al voltaje de carga más alto y la corriente de carga cae a C / 10, la batería se considera completamente cargada.

Figura 2. Curva característica de carga de la batería de litio

1.4 Mini voltaje de descarga

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 Descarga completa

Cuando el voltaje de la batería es menor o igual al voltaje de descarga mínimo, se puede llamar una descarga completa.

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 Ciclo de vida

El número de ciclos es el número de veces que una batería se ha cargado y descargado por completo, que se puede estimar a partir de la capacidad de descarga real y la capacidad de diseño. Siempre que la capacidad de descarga acumulada sea igual a la capacidad de diseño, el número de ciclos es uno. Por lo general, después de 500 ciclos de carga y descarga, la capacidad de una batería completamente cargada se reduce entre un 10% y un 20%.

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

1.8 Autodescarga

La autodescarga de todas las baterías aumenta a medida que aumenta la temperatura. La autodescarga no es básicamente un defecto de fabricación, sino las características de la propia batería. Sin embargo, una manipulación incorrecta en el proceso de fabricación también puede provocar un aumento de la autodescarga. Generalmente, la tasa de autodescarga se duplica por cada aumento de 10 ° C en la temperatura de la batería. La autodescarga mensual de las baterías de iones de litio es de aproximadamente el 1 ~ 2%, mientras que la autodescarga mensual de varias baterías de níquel es del 10-15%.

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

2. Introducción al indicador de combustible de la batería

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 Método de voltaje de circuito abierto

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.

Bajo diferente carga, temperatura y envejecimiento de la batería, la curva de voltaje de la batería será diferente. Por lo tanto, un voltímetro fijo de circuito abierto no puede representar completamente el estado de carga; el estado de carga no se puede estimar consultando la tabla solo. En otras palabras, si el estado de carga se estima solo consultando la tabla, el error será muy grande.

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.

Figura 5. Voltaje de la batería bajo carga y descarga

La siguiente figura muestra que el estado de carga varía mucho bajo diferentes cargas durante la descarga. Básicamente, el método de voltaje de circuito abierto solo es adecuado para sistemas con bajos requisitos de precisión del estado de carga, como el uso de baterías de plomo-ácido o fuentes de alimentación ininterrumpidas en automóviles.

Figura 6. Voltaje de la batería bajo diferentes cargas durante la descarga

2.3 Método de medición de Coulomb

El principio operativo del método de medición de culombio es conectar una resistencia de detección en la ruta de carga / descarga de la batería. El ADC mide el voltaje en la resistencia de detección y lo convierte en el valor actual de la batería que se está cargando o descargando. El contador en tiempo real (RTC) proporciona la integración del valor actual con el tiempo, para saber cuántos culombios atraviesan.

Figura 7. Método de trabajo básico del método de medición de Coulomb

El método de medición de Coulomb puede calcular con precisión el estado de carga en tiempo real durante la carga o descarga. Con el contador de culombio de carga y el contador de culombio de descarga, puede calcular la capacidad restante (RM) y la capacidad de carga completa (FCC). Al mismo tiempo, la capacidad restante (RM) y la capacidad de carga completa (FCC) también se pueden utilizar para calcular el estado de carga, es decir (SOC = RM / FCC). Además, también puede estimar el tiempo restante, como el agotamiento de la energía (TTE) y la potencia total (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Hay dos factores principales que causan desviaciones en la precisión del método de medición de Coulomb. El primero es la acumulación de errores de compensación en la detección de corriente y la medición de ADC. Aunque el error de medición con la tecnología actual aún es pequeño, si no hay una buena forma de eliminarlo, el error aumentará con el tiempo. La siguiente figura muestra que en aplicaciones prácticas, si no hay corrección en el tiempo de duración, el error acumulado es ilimitado.

Figura 9. Error acumulativo del método de medición de 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.

Figura 10. Condiciones para eliminar el error acumulativo del método de medición de Coulomb

El segundo factor principal que causa la desviación de la precisión del método de medición de culombio es el error de capacidad de carga completa (FCC), que es la diferencia entre el valor de la capacidad de diseño de la batería y la verdadera capacidad de carga completa de la batería. La capacidad de carga completa (FCC) se verá afectada por la temperatura, el envejecimiento, la carga y otros factores. Por lo tanto, el método de reaprendizaje y compensación de la capacidad de carga completa es muy importante para el método de medición de culombios. La siguiente figura muestra el fenómeno de tendencia del error de estado de carga cuando se sobreestima y subestima la capacidad de carga total.

Figura 11. La tendencia de error cuando se sobreestima y subestima la capacidad de carga completa

2.4 Indicador de combustible del algoritmo de voltaje dinámico

El medidor de combustible del algoritmo de voltaje dinámico puede calcular el estado de carga de la batería de litio basándose únicamente en el voltaje de la batería. Este método consiste en estimar el aumento o la disminución del estado de carga en función de la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje de circuito abierto de la batería. La información de voltaje dinámico puede simular efectivamente el comportamiento de la batería de litio para determinar el estado de carga SOC (%), pero este método no puede estimar el valor de capacidad de la batería (mAh).

Su método de cálculo se basa en la diferencia dinámica entre el voltaje de la batería y el voltaje de circuito abierto, utilizando un algoritmo iterativo para calcular cada aumento o disminución del estado de carga para estimar el estado de carga. En comparación con la solución del medidor de combustible de medición de coulomb, el medidor de combustible del algoritmo de voltaje dinámico no acumulará errores con el tiempo y la corriente. Los medidores de combustible de medición de coulomb generalmente causan una estimación inexacta del estado de carga debido a errores de detección de corriente y autodescarga de la batería. Incluso si el error de detección de corriente es muy pequeño, el contador de culombio continuará acumulando el error y el error acumulado solo se puede eliminar cuando está completamente cargado o completamente descargado.

El medidor de combustible del algoritmo de voltaje dinámico estima el estado de carga de la batería solo mediante la información de voltaje; debido a que no se estima por la información actual de la batería, no acumula errores. Para mejorar la precisión del estado de carga, el algoritmo de voltaje dinámico necesita usar un dispositivo real y ajustar los parámetros de un algoritmo optimizado de acuerdo con la curva de voltaje real de la batería cuando está completamente cargada y completamente descargada.

Figura 12. Rendimiento del medidor de combustible del algoritmo de voltaje dinámico y optimización de ganancia

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%.

Figura 13. El rendimiento del estado de carga del algoritmo de voltaje dinámico en diferentes condiciones de tasa de descarga

La siguiente figura muestra el rendimiento del estado de carga cuando la batería tiene poca carga y poca descarga. El error del estado de carga sigue siendo muy pequeño y el error máximo es solo del 3%.

Figura 14. El rendimiento del estado de carga del algoritmo de voltaje dinámico cuando la batería tiene poca carga y poca descarga.

En comparación con la situación en la que el medidor de combustible de medición de Coulomb generalmente causa un estado de carga inexacto debido a errores de detección de corriente y autodescarga de la batería, el algoritmo de voltaje dinámico no acumula errores con el tiempo y la corriente, lo cual es una gran ventaja. Debido a que no hay información sobre la corriente de carga / descarga, el algoritmo de voltaje dinámico tiene poca precisión a corto plazo y un tiempo de respuesta lento. Además, no puede estimar la capacidad de carga completa. Sin embargo, funciona bien en términos de precisión a largo plazo, porque el voltaje de la batería eventualmente reflejará directamente su estado de carga.