1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 حالت شارژ (SOC)

حالت شارژ را می توان به عنوان وضعیت انرژی الکتریکی موجود در باتری تعریف کرد که معمولاً به صورت درصد بیان می شود. از آنجایی که انرژی الکتریکی موجود با جریان شارژ و دشارژ، دما و پدیده پیری متفاوت است، تعریف حالت شارژ نیز به دو نوع تقسیم می‌شود: حالت شارژ مطلق (ASOC) و حالت نسبی شارژ (وضعیت نسبی). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). به طور معمول وضعیت نسبی محدوده شارژ 0٪ – 100٪ است، در حالی که باتری در حالت شارژ کامل 100٪ و زمانی که کاملاً تخلیه می شود 0٪ است. حالت مطلق شارژ یک مقدار مرجع است که با توجه به مقدار ظرفیت ثابت طراحی شده هنگام تولید باتری محاسبه می شود. وضعیت مطلق شارژ یک باتری کاملاً جدید کاملاً شارژ شده 100٪ است. و حتی اگر باتری قدیمی کاملاً شارژ شود، در شرایط مختلف شارژ و دشارژ نمی تواند به 100٪ برسد.

شکل زیر رابطه بین ولتاژ و ظرفیت باتری را در نرخ های دشارژ مختلف نشان می دهد. هر چه میزان دشارژ بیشتر باشد ظرفیت باتری کمتر است. هنگامی که دما پایین است، ظرفیت باتری نیز کاهش می یابد.

شکل 1.

رابطه بین ولتاژ و ظرفیت در دبی‌ها و دماهای مختلف

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 کاملا شارژ

زمانی که اختلاف بین ولتاژ باتری و بالاترین ولتاژ شارژ کمتر از 100 میلی ولت باشد و جریان شارژ به C/10 کاهش یابد، باتری را می توان به عنوان شارژ کامل در نظر گرفت. مشخصات باتری متفاوت است و شرایط شارژ کامل نیز متفاوت است.

شکل زیر یک منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی را نشان می دهد. هنگامی که ولتاژ باتری برابر با بالاترین ولتاژ شارژ باشد و جریان شارژ به C/10 کاهش یابد، باتری کاملاً شارژ شده در نظر گرفته می شود.

شکل 2. منحنی مشخصه شارژ باتری لیتیومی

1.4 ولتاژ تخلیه کوچک

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 تخلیه کامل

هنگامی که ولتاژ باتری کمتر یا مساوی با حداقل ولتاژ تخلیه باشد، می توان آن را تخلیه کامل نامید.

1.6 نرخ شارژ و دشارژ (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 چرخه عمر

تعداد چرخه ها تعداد دفعاتی است که یک باتری تحت شارژ و دشارژ کامل قرار گرفته است که می توان از ظرفیت تخلیه واقعی و ظرفیت طراحی تخمین زد. هر زمان که ظرفیت تخلیه انباشته برابر با ظرفیت طراحی باشد، تعداد سیکل ها یک بار است. معمولاً پس از 500 چرخه شارژ-دشارژ، ظرفیت یک باتری کاملاً شارژ شده 10٪ تا 20٪ کاهش می یابد.

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

1.8 خود تخلیه

با افزایش دما، خود تخلیه تمام باتری ها افزایش می یابد. خود تخلیه اساساً یک نقص تولید نیست، بلکه ویژگی های خود باتری است. با این حال، جابجایی نامناسب در فرآیند تولید نیز می تواند باعث افزایش خود تخلیه شود. به طور کلی، نرخ خود تخلیه به ازای هر 10 درجه سانتی گراد افزایش دمای باتری دو برابر می شود. خود تخلیه ماهانه باتری های لیتیوم یونی حدود 1 تا 2 درصد است در حالی که خود تخلیه ماهانه باتری های مختلف مبتنی بر نیکل 10-15 درصد است.

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

2. مقدمه ای بر گیج سوخت باتری

2.1 مقدمه ای بر عملکرد گیج سوخت

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 روش ولتاژ مدار باز

کنتور برق با استفاده از روش ولتاژ مدار باز آسان تر است و با جستجوی جدول مربوط به وضعیت شارژ ولتاژ مدار باز می توان آن را به دست آورد. شرط فرضی ولتاژ مدار باز، ولتاژ پایانه باتری زمانی است که باتری حدود 30 دقیقه استراحت کند.

منحنی ولتاژ باتری تحت بار، دما و پیری باتری متفاوت خواهد بود. بنابراین، یک ولت متر مدار باز ثابت نمی تواند وضعیت شارژ را به طور کامل نشان دهد. تنها با نگاه کردن به جدول نمی توان وضعیت شارژ را تخمین زد. به عبارت دیگر، اگر وضعیت شارژ تنها با نگاه کردن به جدول تخمین زده شود، خطا بسیار بزرگ خواهد بود.

شکل زیر نشان می دهد که ولتاژ باتری یکسان تحت شارژ و دشارژ است و وضعیت شارژ یافت شده با روش ولتاژ مدار باز بسیار متفاوت است.

شکل 5. ولتاژ باتری در حال شارژ و دشارژ

شکل زیر نشان می دهد که وضعیت شارژ تحت بارهای مختلف در حین تخلیه بسیار متفاوت است. بنابراین اساساً روش ولتاژ مدار باز فقط برای سیستم‌هایی با نیازهای پایین برای دقت وضعیت شارژ مناسب است، مانند استفاده از باتری‌های سرب اسید یا منابع تغذیه بدون وقفه در خودروها.

شکل 6. ولتاژ باتری تحت بارهای مختلف در هنگام تخلیه

2.3 روش اندازه گیری کولن

اصل عملکرد روش اندازه گیری کولن اتصال یک مقاومت تشخیص در مسیر شارژ/دشارژ باتری است. ADC ولتاژ مقاومت تشخیص را اندازه گیری می کند و آن را به مقدار فعلی باتری در حال شارژ یا دشارژ تبدیل می کند. شمارنده بلادرنگ (RTC) ادغام مقدار فعلی را با زمان فراهم می کند تا بدانیم چند کولن از آن عبور می کند.

شکل 7. روش کار اساسی روش اندازه گیری کولن

روش اندازه گیری کولن می تواند به طور دقیق وضعیت شارژ را در زمان شارژ یا دشارژ محاسبه کند. با کولن شمارشگر شارژ و کولن شمارشگر تخلیه، می تواند ظرفیت باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) را محاسبه کند. در همان زمان، ظرفیت باقیمانده (RM) و ظرفیت شارژ کامل (FCC) نیز می تواند برای محاسبه وضعیت شارژ استفاده شود، یعنی (SOC = RM / FCC). علاوه بر این، می‌تواند زمان باقی‌مانده مانند تخلیه برق (TTE) و توان کامل (TTF) را نیز تخمین بزند.

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

دو عامل اصلی وجود دارد که باعث انحراف در دقت روش اندازه گیری کولن می شود. اولین مورد انباشته شدن خطاهای افست در سنجش جریان و اندازه گیری ADC است. اگرچه خطای اندازه گیری با فناوری فعلی هنوز کم است، اما اگر راه خوبی برای حذف آن وجود نداشته باشد، خطا با گذشت زمان افزایش می یابد. شکل زیر نشان می دهد که در کاربردهای عملی، در صورت عدم اصلاح در مدت زمان، خطای انباشته نامحدود است.

شکل 9. خطای تجمعی روش اندازه گیری کولن

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.

شکل 10. شرایط حذف خطای تجمعی روش اندازه گیری کولن

دومین عامل اصلی که باعث انحراف دقت روش اندازه گیری کولن می شود، خطای ظرفیت شارژ کامل (FCC) است که تفاوت بین مقدار ظرفیت طراحی باتری و ظرفیت شارژ کامل واقعی باتری است. ظرفیت شارژ کامل (FCC) تحت تأثیر دما، پیری، بار و عوامل دیگر قرار خواهد گرفت. بنابراین، روش یادگیری مجدد و جبران ظرفیت شارژ کامل برای روش اندازه گیری کولن بسیار مهم است. شکل زیر پدیده روند خطای حالت شارژ را در زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد تخمین زده و دست کم گرفته شود نشان می دهد.

شکل 11. روند خطا زمانی که ظرفیت شارژ کامل بیش از حد برآورد و دست کم گرفته شود

2.4 گیج سوخت الگوریتم ولتاژ دینامیک

گیج سوخت الگوریتم ولتاژ دینامیکی می تواند وضعیت شارژ باتری لیتیومی را تنها بر اساس ولتاژ باتری محاسبه کند. این روش برای تخمین افزایش یا کاهش حالت شارژ بر اساس اختلاف ولتاژ باتری و ولتاژ مدار باز باتری است. اطلاعات ولتاژ دینامیکی می تواند به طور موثر رفتار باتری لیتیومی را برای تعیین وضعیت SOC شارژ (%) شبیه سازی کند، اما این روش نمی تواند مقدار ظرفیت باتری (mAh) را تخمین بزند.

روش محاسبه آن بر اساس اختلاف دینامیکی بین ولتاژ باتری و ولتاژ مدار باز است، با استفاده از یک الگوریتم تکراری برای محاسبه هر افزایش یا کاهش وضعیت شارژ برای تخمین وضعیت شارژ. در مقایسه با راه حل گیج سوخت اندازه گیری کولن، گیج سوخت الگوریتم ولتاژ دینامیکی در طول زمان و جریان خطا جمع نمی شود. گیج های سوخت اندازه گیری کولن معمولاً به دلیل خطاهای حسگر جریان و تخلیه خود باتری باعث تخمین نادرست وضعیت شارژ می شوند. حتی اگر خطای سنجش جریان بسیار کوچک باشد، شمارنده کولن به جمع آوری خطا ادامه می دهد و خطای انباشته را تنها زمانی می توان حذف کرد که کاملاً شارژ یا تخلیه شود.

الگوریتم ولتاژ دینامیک گیج سوخت، وضعیت شارژ باتری را تنها با اطلاعات ولتاژ تخمین می زند. از آنجایی که با اطلاعات فعلی باتری تخمین زده نمی شود، خطا انباشته نمی شود. به منظور بهبود دقت وضعیت شارژ، الگوریتم ولتاژ دینامیکی نیاز به استفاده از یک دستگاه واقعی دارد و پارامترهای یک الگوریتم بهینه شده را با توجه به منحنی ولتاژ واقعی باتری زمانی که کاملا شارژ و تخلیه می شود، تنظیم کند.

شکل 12. عملکرد الگوریتم ولتاژ دینامیکی گیج سوخت و بهینه سازی بهره

در زیر عملکرد الگوریتم ولتاژ دینامیکی تحت شرایط نرخ دشارژ متفاوت است. از شکل مشخص است که حالت شارژ آن از دقت خوبی برخوردار است. صرف نظر از شرایط دبی C/2، C/4، C/7 و C/10، حالت کلی خطای شارژ این روش کمتر از 3 درصد است.

شکل 13. عملکرد حالت شارژ الگوریتم ولتاژ دینامیکی تحت شرایط نرخ دشارژ مختلف

شکل زیر عملکرد وضعیت شارژ را در هنگام شارژ کوتاه و تخلیه کوتاه باتری نشان می دهد. خطای وضعیت شارژ هنوز بسیار کوچک است و حداکثر خطا تنها 3٪ است.

شکل 14. عملکرد وضعیت شارژ الگوریتم ولتاژ دینامیکی در زمانی که باتری کوتاه و کم شارژ است.

در مقایسه با وضعیتی که نشانگر سوخت اندازه گیری کولن معمولاً به دلیل خطاهای حسگر جریان و تخلیه خود باتری باعث وضعیت شارژ نادرست می شود، الگوریتم ولتاژ دینامیکی در طول زمان و جریان خطا را جمع نمی کند که یک مزیت بزرگ است. از آنجایی که هیچ اطلاعاتی در مورد جریان شارژ/دشارژ وجود ندارد، الگوریتم ولتاژ دینامیکی دقت کوتاه مدت ضعیف و زمان پاسخ آهسته دارد. علاوه بر این، نمی تواند ظرفیت شارژ کامل را تخمین بزند. با این حال، از نظر دقت طولانی مدت عملکرد خوبی دارد، زیرا ولتاژ باتری در نهایت به طور مستقیم وضعیت شارژ آن را منعکس می کند.