1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Laadimisseisund (SOC)

Laadimisolekut saab määratleda kui akus saadaoleva elektrienergia olekut, mida tavaliselt väljendatakse protsentides. Kuna saadaolev elektrienergia varieerub sõltuvalt laadimis- ja tühjenemisvoolust, temperatuurist ja vananemisnähtustest, jaguneb laadimisoleku määratlus ka kahte tüüpi: absoluutne laadimisseisund (ASOC) ja suhteline laadimisseisund (suhteline olek). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Tavaliselt on suhteline laadimisaste 0–100%, samal ajal kui aku on 100%, kui see on täielikult laetud ja 0%, kui see on täielikult tühjenenud. Absoluutne laetuse olek on võrdlusväärtus, mis arvutatakse aku valmistamisel kavandatud fikseeritud mahutavuse väärtuse järgi. Uhiuue täislaetud aku absoluutne laetuse tase on 100%; ja isegi kui vananev aku on täielikult laetud, ei saa see erinevatel laadimis- ja tühjenemistingimustel 100%-ni jõuda.

Alloleval joonisel on näidatud pinge ja aku mahutavuse suhe erinevatel tühjenemissagedustel. Mida kõrgem on tühjenemise määr, seda väiksem on aku mahutavus. Kui temperatuur on madal, väheneb ka aku mahtuvus.

Joonis 1.

Pinge ja võimsuse seos erinevatel tühjenemiskiirustel ja temperatuuridel

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 Täielikult laetud

Kui aku pinge ja kõrgeima laadimispinge erinevus on alla 100 mV ja laadimisvool langeb väärtusele C/10, võib akut lugeda täielikult laetuks. Aku omadused on erinevad ja ka täislaadimise tingimused on erinevad.

Allolev joonis näitab tüüpilist liitiumaku laadimiskarakteristikut. Kui aku pinge on võrdne kõrgeima laadimispingega ja laadimisvool langeb väärtusele C/10, loetakse aku täielikult laetuks.

Joonis 2. Liitiumaku laadimise tunnuskõver

1.4 Mini tühjenduspinge

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 Täielik tühjendamine

Kui aku pinge on väiksem või võrdne minimaalse tühjenemise pingega, võib seda nimetada täielikuks tühjenemiseks.

1.6 Laadimis- ja tühjenemiskiirus (C-määr)

Laadimis-tühjenemise määr on laadimis-tühjenemisvoolu väljendus aku mahutavuse suhtes. Näiteks kui 1C kasutatakse tühjendamiseks ühe tunni jooksul, siis ideaaljuhul tühjeneb aku täielikult. Erinevad laadimis- ja tühjendusmäärad toovad kaasa erineva kasutatava võimsuse. Üldiselt, mida suurem on laadimise ja tühjenemise kiirus, seda väiksem on saadaolev võimsus.

1.7 Tsükli eluiga

Tsüklite arv on aku täieliku laadimise ja tühjendamise kordade arv, mida saab hinnata tegeliku tühjendusvõimsuse ja kavandatud võimsuse põhjal. Kui akumuleeritud tühjendusvõimsus on võrdne kavandatud võimsusega, on tsüklite arv üks. Tavaliselt pärast 500 laadimis-tühjenemistsüklit langeb täielikult laetud aku võimsus 10% ~ 20%.

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

1.8 Isetühjenemine

Kõigi akude isetühjenemine suureneb temperatuuri tõustes. Isetühjenemine ei ole põhimõtteliselt tootmisviga, vaid aku enda omadused. Kuid vale käsitsemine tootmisprotsessis võib põhjustada ka isetühjenemise suurenemist. Üldiselt kahekordistub isetühjenemise kiirus iga 10 °C aku temperatuuri tõusuga. Liitium-ioonakude igakuine isetühjenemine on umbes 1-2%, erinevate niklipõhiste akude igakuine isetühjenemine aga 10-15%.

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

2. Aku kütusenäidiku tutvustus

2.1 Sissejuhatus kütusenäidiku funktsiooni

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 Avatud vooluahela pinge meetod

Lahtise ahela pinge meetodit kasutavat elektriarvestit on lihtsam rakendada ja selle saab kätte, kui otsida lahti avatud ahela pinge laenguseisundile vastavat tabelit. Lahtise vooluahela pinge hüpoteetiline seisund on aku klemmi pinge, kui aku seisab umbes 30 minutit.

Erineva koormuse, temperatuuri ja aku vananemise korral on aku pingekõver erinev. Seetõttu ei saa fikseeritud avatud ahelaga voltmeeter täielikult esitada laetuse olekut; laetuse taset ei saa hinnata ainult tabelit otsides. Teisisõnu, kui laetuse taset hinnatakse ainult tabelit üles otsides, on viga väga suur.

Järgmisel joonisel on näha, et laadimisel ja tühjenemisel on sama aku pinge ning avatud vooluahela pinge meetodil leitud laetuse olek on väga erinev.

Joonis 5. Aku pinge laadimisel ja tühjenemisel

Alloleval joonisel on näha, et laadimisaste on tühjenemise ajal erinevatel koormustel väga erinev. Põhimõtteliselt sobib avatud ahela pinge meetod ainult süsteemide jaoks, millel on madalad nõuded laadimisoleku täpsusele, näiteks pliiakude või katkematute toiteallikate kasutamine autodes.

Joonis 6. Aku pinge erinevatel koormustel tühjenemise ajal

2.3 Coulombi mõõtmismeetod

Kuloni mõõtmismeetodi tööpõhimõte on ühendada tuvastustakisti aku laadimise/tühjenemise teel. ADC mõõdab tuvastustakisti pinget ja teisendab selle laetava või tühjeneva aku praeguseks väärtuseks. Reaalajaloendur (RTC) integreerib praeguse väärtuse ajaga, et teada saada, mitu kulonit läbi voolab.

Joonis 7. Coulombi mõõtmismeetodi põhitöömeetod

Coulombi mõõtmismeetodi abil saab laadimise või tühjenemise ajal reaalajas laadimisolekut täpselt arvutada. Laadimiskulonide loenduri ja tühjenduskuloni loenduri abil saab see arvutada järelejäänud võimsuse (RM) ja täislaadimisvõimsuse (FCC). Samal ajal saab laetuse oleku arvutamiseks kasutada ka järelejäänud võimsust (RM) ja täislaadimisvõimsust (FCC), see tähendab (SOC = RM / FCC). Lisaks saab see hinnata ka järelejäänud aega, näiteks võimsuse ammendumist (TTE) ja täisvõimsust (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

On kaks peamist tegurit, mis põhjustavad kõrvalekaldeid Coulombi mõõtmismeetodi täpsuses. Esimene on nihkevigade kogunemine voolu tuvastamisel ja ADC mõõtmisel. Kuigi mõõtmisviga praeguse tehnoloogiaga on veel väike, siis kui selle kõrvaldamiseks pole head võimalust, siis aja jooksul viga suureneb. Alloleval joonisel on näha, et praktilistes rakendustes, kui ajalist kestust ei korrigeerita, on akumuleeritud viga piiramatu.

Joonis 9. Coulombi mõõtmismeetodi kumulatiivne viga

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.

Joonis 10. Coulombi mõõtmismeetodi kumulatiivse vea kõrvaldamise tingimused

Teine oluline tegur, mis põhjustab kuloni mõõtmismeetodi täpsuse kõrvalekaldeid, on täislaadimismahu (FCC) viga, mis on erinevus aku projekteerimisvõimsuse väärtuse ja aku tegeliku täislaadimismahu vahel. Täislaadimisvõimsust (FCC) mõjutavad temperatuur, vananemine, koormus ja muud tegurid. Seetõttu on täislaadimisvõimsuse ümberõppimise ja kompenseerimise meetod kulonide mõõtmise meetodi jaoks väga oluline. Järgmisel joonisel on näidatud laetuse oleku vea trendi nähtus, kui täislaadimisvõimsus on üle- ja alahinnatud.

Joonis 11. Vea trend, kui täislaadimisvõimsus on üle- ja alahinnatud

2.4 Dünaamilise pinge algoritmi kütusenäidik

Dünaamilise pinge algoritmi kütusenäidik suudab liitiumaku laetuse oleku arvutada ainult aku pinge põhjal. Selle meetodi eesmärk on hinnata laetuse suurenemist või langust aku pinge ja aku avatud vooluahela pinge erinevuse põhjal. Dünaamiline pingeteave võib tõhusalt simuleerida liitiumaku käitumist, et määrata laetuse taset SOC (%), kuid see meetod ei saa hinnata aku mahu väärtust (mAh).

Selle arvutusmeetod põhineb dünaamilisel erinevusel aku pinge ja avatud vooluahela pinge vahel, kasutades iteratiivset algoritmi, et arvutada laadimisoleku iga suurenemine või vähenemine, et hinnata laadimisolekut. Võrreldes kuloni mõõtmise kütusenäidiku lahendusega, ei kogune dünaamilise pinge algoritmi kütusenäidik aja ja voolu jooksul vigu. Coulombi mõõtmise kütusenäidikud põhjustavad tavaliselt vooluanduri vigade ja aku isetühjenemise tõttu laetuse oleku ebatäpset hindamist. Isegi kui praegune anduri viga on väga väike, jätkab kulonide loendur vea kogumist ja kogunenud viga saab kõrvaldada ainult siis, kui see on täielikult laetud või tühjenenud.

Dünaamilise pinge algoritmi kütusenäidik hindab aku laetuse taset ainult pingeteabe põhjal; kuna seda ei hinnata aku hetketeabe järgi, ei kogune see vigu. Laadimisoleku täpsuse parandamiseks peab dünaamilise pinge algoritm kasutama tegelikku seadet ja kohandama optimeeritud algoritmi parameetreid vastavalt tegelikule aku pingekõverale, kui see on täielikult laetud ja täielikult tühjenenud.

Joonis 12. Dünaamilise pinge algoritmi kütusenäidik ja võimenduse optimeerimine

Järgnevalt on toodud dünaamilise pinge algoritmi toimimine erinevatel tühjenemiskiiruse tingimustel. Jooniselt on näha, et selle laetuse olek on hea täpsusega. Olenemata tühjendustingimustest C/2, C/4, C/7 ja C/10 on selle meetodi üldine laadimisviga alla 3%.

Joonis 13. Dünaamilise pinge algoritmi laenguseisundi toimimine erinevatel tühjenemiskiiruse tingimustel

Alloleval joonisel on näidatud laadimisoleku toimivus lühi- ja tühjenenud aku korral. Laadimisoleku viga on endiselt väga väike ja maksimaalne viga on vaid 3%.

Joonis 14. Dünaamilise pinge algoritmi laetuse oleku toimimine aku lühi- ja tühjenemisel

Võrreldes olukorraga, kus Coulombi mõõtev kütusenäidik põhjustab vooluanduri vigade ja aku isetühjenemise tõttu tavaliselt ebatäpset laadimisolekut, ei kogune dünaamiline pinge algoritm aja ja vooluga vigu, mis on suur eelis. Kuna laadimis-/tühjenemisvoolu kohta pole teavet, on dünaamilise pinge algoritmi lühiajaline täpsus ja aeglane reageerimisaeg. Lisaks ei suuda see hinnata täislaadimisvõimsust. Pikaajalise täpsuse osas toimib see aga hästi, sest aku pinge peegeldab lõpuks otseselt selle laetuse taset.