1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Latauksen tila (SOC)

Varaustila voidaan määritellä akussa käytettävissä olevan sähköenergian tilaksi, joka ilmaistaan ​​yleensä prosentteina. Koska käytettävissä oleva sähköenergia vaihtelee lataus- ja purkausvirran, lämpötilan ja ikääntymisilmiöiden mukaan, myös varaustilan määritelmä on jaettu kahteen tyyppiin: Absolute-lataustila (ASOC) ja suhteellinen lataustila (suhteellinen tila) -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normaalisti suhteellinen lataustila on 0–100 %, kun taas akku on 100 % täyteen ladattuna ja 0 % täysin tyhjänä. Absoluuttinen lataustila on viitearvo, joka lasketaan akun valmistuksen yhteydessä suunnitellun kiinteän kapasiteettiarvon mukaan. Upouuden täyteen ladatun akun absoluuttinen lataustila on 100 %; ja vaikka ikääntyvä akku olisi täysin ladattu, se ei voi saavuttaa 100 % eri lataus- ja purkuolosuhteissa.

Alla oleva kuva näyttää jännitteen ja akun kapasiteetin välisen suhteen eri purkausnopeuksilla. Mitä suurempi purkausnopeus, sitä pienempi akun kapasiteetti. Kun lämpötila on alhainen, myös akun kapasiteetti laskee.

Kuva 1.

Jännitteen ja kapasiteetin suhde eri purkausnopeuksilla ja lämpötiloilla

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 Täyteen ladattu

Kun akun jännitteen ja korkeimman latausjännitteen ero on alle 100 mV ja latausvirta putoaa arvoon C/10, akkua voidaan pitää täyteen ladattuna. Akun ominaisuudet ovat erilaisia, ja myös täyden latausolosuhteet ovat erilaiset.

Alla oleva kuva näyttää tyypillisen litiumakun latauksen ominaiskäyrän. Kun akun jännite on yhtä suuri kuin suurin latausjännite ja latausvirta putoaa arvoon C/10, akun katsotaan olevan täyteen ladattu.

Kuva 2. Litiumakun latauksen ominaiskäyrä

1.4 Minipurkausjännite

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 Purku kokonaan

Kun akun jännite on pienempi tai yhtä suuri kuin pienin purkausjännite, sitä voidaan kutsua täydelliseksi purkautumiseksi.

1.6 Lataus- ja purkunopeus (C-Rate)

Lataus-purkausnopeus ilmaisee lataus-purkausvirran suhteessa akun kapasiteettiin. Jos esimerkiksi 1C:tä käytetään purkamaan tunnin ajan, ihannetapauksessa akku tyhjenee täysin. Erilaiset lataus- ja purkunopeudet johtavat erilaiseen käyttökapasiteettiin. Yleensä mitä suurempi lataus-purkausnopeus, sitä pienempi on käytettävissä oleva kapasiteetti.

1.7 Käyttöikä

Jaksojen määrä on kuinka monta kertaa akku on täysin latautunut ja purettu, mikä voidaan arvioida todellisen purkauskapasiteetin ja suunnittelukapasiteetin perusteella. Aina kun kertynyt purkauskapasiteetti on yhtä suuri kuin suunniteltu kapasiteetti, jaksojen lukumäärä on yksi. Yleensä 500 lataus-purkausjakson jälkeen täyteen ladatun akun kapasiteetti laskee 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Itsepurkaus

Kaikkien akkujen itsepurkautuminen lisääntyy lämpötilan noustessa. Itsepurkautuminen ei ole periaatteessa valmistusvirhe, vaan itse akun ominaisuudet. Epäasianmukainen käsittely valmistusprosessissa voi kuitenkin lisätä itsepurkautumista. Yleensä itsepurkautumisnopeus kaksinkertaistuu jokaista 10 °C:n akun lämpötilan nousua kohti. Litiumioniakkujen kuukausittainen itsepurkautuminen on noin 1-2%, kun taas erilaisten nikkelipohjaisten akkujen kuukausittainen itsepurkautuminen on 10-15%.

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

2. Akun polttoainemittarin esittely

2.1 Johdatus polttoainemittaritoimintoon

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 Avoimen piirin jännitemenetelmä

Avopiirijännitemenetelmällä toimiva sähkömittari on helpompi toteuttaa, ja se saadaan etsimällä avoimen piirin jännitteen varaustilaa vastaavasta taulukosta. Avoimen piirin jännitteen hypoteettinen tila on akun napajännite, kun akku lepää noin 30 minuuttia.

Eri kuormituksella, lämpötilalla ja akun ikääntymisellä akun jännitekäyrä on erilainen. Siksi kiinteä avoimen piirin volttimittari ei voi täysin edustaa lataustilaa; varaustilaa ei voi arvioida pelkällä taulukosta katsomalla. Toisin sanoen, jos varaustila arvioidaan vain etsimällä taulukkoa, virhe on erittäin suuri.

Seuraavasta kuvasta näkyy, että sama akun jännite on latauksessa ja purkautumassa, ja avoimen piirin jännitemenetelmällä havaittu lataustila on hyvin erilainen.

Kuva 5. Akun jännite latauksen ja purkauksen aikana

Alla olevasta kuvasta näkyy, että varaustila vaihtelee suuresti eri kuormituksissa purkauksen aikana. Pohjimmiltaan avoimen piirin jännitemenetelmä sopii siis vain järjestelmiin, joissa lataustilan tarkkuuden vaatimukset ovat alhaiset, kuten lyijyakkujen tai autojen keskeytymättömien virtalähteiden käyttöön.

Kuva 6. Akun jännite eri kuormituksissa purkauksen aikana

2.3 Coulombin mittausmenetelmä

Coulomb-mittausmenetelmän toimintaperiaate on kytkeä tunnistusvastus akun lataus-/purkausreitille. ADC mittaa tunnistusvastuksen jännitteen ja muuntaa sen ladattavan tai purettavan akun virta-arvoksi. Reaaliaikainen laskuri (RTC) integroi nykyisen arvon ajan kanssa, jotta tiedetään, kuinka monta coulombia virtaa läpi.

Kuva 7. Coulombin mittausmenetelmän perustyömenetelmä

Coulombin mittausmenetelmä voi laskea tarkasti reaaliaikaisen lataustilan latauksen tai purkauksen aikana. Latauskulmalaskurin ja purkautumiskulmalaskurin avulla se voi laskea jäljellä olevan kapasiteetin (RM) ja täyden latauskapasiteetin (FCC). Samalla jäljellä olevaa kapasiteettia (RM) ja täyden latauskapasiteettia (FCC) voidaan käyttää myös lataustilan laskemiseen, eli (SOC = RM / FCC). Lisäksi se voi myös arvioida jäljellä olevan ajan, kuten tehon loppumisen (TTE) ja täyden tehon (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

On olemassa kaksi päätekijää, jotka aiheuttavat poikkeamia Coulombin mittausmenetelmän tarkkuudessa. Ensimmäinen on offset-virheiden kerääntyminen virrantunnistuksessa ja ADC-mittauksessa. Vaikka mittausvirhe nykytekniikalla on vielä pieni, niin virhe kasvaa ajan myötä, jos sitä ei voida poistaa. Alla olevasta kuvasta nähdään, että käytännön sovelluksissa, jos ajan kestoon ei tehdä korjausta, kertyvä virhe on rajoittamaton.

Kuva 9. Coulombin mittausmenetelmän kumulatiivinen virhe

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.

Kuva 10. Edellytykset Coulombin mittausmenetelmän kumulatiivisen virheen eliminoimiseksi

Toinen suuri tekijä, joka aiheuttaa poikkeaman kulmanmittausmenetelmän tarkkuudessa, on täyden latauskapasiteetin (FCC) virhe, joka on akun suunnittelukapasiteetin arvon ja akun todellisen täyden latauskapasiteetin välinen ero. Täyteen latauskapasiteettiin (FCC) vaikuttavat lämpötila, ikääntyminen, kuormitus ja muut tekijät. Siksi täyden latauskapasiteetin uudelleenoppiminen ja kompensointimenetelmä on erittäin tärkeä kulonimittausmenetelmälle. Seuraavassa kuvassa näkyy lataustilavirheen trendiilmiö, kun täysi latauskapasiteetti on yli- ja aliarvioitu.

Kuva 11. Virhetrendi, kun täysi latauskapasiteetti on yli- ja aliarvioitu

2.4 Dynaaminen jännitealgoritmi, polttoainemittari

Dynaamisen jännitealgoritmin polttoainemittari voi laskea litiumakun varaustilan pelkästään akun jännitteen perusteella. Tällä menetelmällä arvioidaan varaustilan nousu tai lasku akun jännitteen ja akun avoimen piirin jännitteen välisen eron perusteella. Dynaamiset jännitetiedot voivat simuloida tehokkaasti litiumakun käyttäytymistä määrittääkseen lataustilan SOC (%), mutta tällä menetelmällä ei voida arvioida akun kapasiteetin arvoa (mAh).

Sen laskentamenetelmä perustuu akkujännitteen ja avoimen piirin jännitteen väliseen dynaamiseen eroon käyttämällä iteratiivista algoritmia, joka laskee jokaisen lataustilan nousun tai laskun varaustilan arvioimiseksi. Verrattuna coulomb-mittauspolttoainemittarin ratkaisuun, dynaaminen jännitealgoritmi polttoainemittari ei kerää virheitä ajan ja virran myötä. Coulomb-mittauspolttoainemittarit aiheuttavat yleensä epätarkan varaustilan arvioinnin virrantunnistusvirheiden ja akun itsepurkauksen vuoksi. Vaikka virran tunnistusvirhe olisi hyvin pieni, coulomb-laskuri jatkaa virheen keräämistä, ja kertynyt virhe voidaan poistaa vain, kun se on täysin ladattu tai tyhjä.

Dynaamisen jännitealgoritmin polttoainemittari arvioi akun varaustilan vain jännitetietojen perusteella; koska sitä ei arvioida akun nykyisten tietojen perusteella, se ei kerää virheitä. Varaustilan tarkkuuden parantamiseksi dynaamisen jännitealgoritmin on käytettävä todellista laitetta ja säädettävä optimoidun algoritmin parametrit todellisen akun jännitekäyrän mukaan, kun se on täysin ladattu ja täysin purettu.

Kuva 12. Dynaamisen jännitealgoritmin polttoainemittarin suorituskyky ja vahvistuksen optimointi

Seuraavassa on dynaamisen jännitealgoritmin suorituskyky eri purkausnopeusolosuhteissa. Kuvasta näkyy, että sen varaustilan tarkkuus on hyvä. Huolimatta purkausolosuhteista C/2, C/4, C/7 ja C/10, tämän menetelmän kokonaislatausvirhe on alle 3 %.

Kuva 13. Dynaamisen jännitealgoritmin varaustilan suorituskyky eri purkausnopeusolosuhteissa

Alla oleva kuva näyttää lataustilan suorituskyvyn, kun akku on oikosuljettu ja lyhyesti purettu. Lataustilavirhe on edelleen hyvin pieni, ja suurin virhe on vain 3%.

Kuva 14. Dynaamisen jännitealgoritmin lataustilan suorituskyky akun ollessa oikosulkussa ja lyhyesti purkautumassa

Verrattuna tilanteeseen, jossa Coulomb-mittauspolttoainemittari aiheuttaa yleensä epätarkan lataustilan virrantunnistusvirheiden ja akun itsepurkauksen vuoksi, dynaaminen jännitealgoritmi ei kerää virheitä ajan ja virran myötä, mikä on suuri etu. Koska lataus-/purkausvirrasta ei ole tietoa, dynaamisella jännitealgoritmilla on huono lyhytaikainen tarkkuus ja hidas vasteaika. Lisäksi se ei pysty arvioimaan täyttä latauskapasiteettia. Se toimii kuitenkin hyvin pitkän aikavälin tarkkuuden kannalta, koska akun jännite heijastelee lopulta suoraan sen lataustilaa.