1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 État de charge (SOC)

L’état de charge peut être défini comme l’état de l’énergie électrique disponible dans la batterie, généralement exprimé en pourcentage. Étant donné que l’énergie électrique disponible varie avec le courant de charge et de décharge, la température et les phénomènes de vieillissement, la définition de l’état de charge est également divisée en deux types : l’état de charge absolu (ASOC) et l’état de charge relatif (état de charge relatif -de charge; ASOC) état de charge ; RSOC). Normalement, l’état relatif de la plage de charge est de 0 % à 100 %, tandis que la batterie est à 100 % lorsqu’elle est complètement chargée et à 0 % lorsqu’elle est complètement déchargée. L’état de charge absolu est une valeur de référence calculée en fonction de la valeur de capacité fixe conçue lors de la fabrication de la batterie. L’état de charge absolu d’une toute nouvelle batterie complètement chargée est de 100 % ; et même si une batterie vieillissante est complètement chargée, elle ne peut pas atteindre 100 % dans différentes conditions de charge et de décharge.

La figure ci-dessous montre la relation entre la tension et la capacité de la batterie à différents taux de décharge. Plus le taux de décharge est élevé, plus la capacité de la batterie est faible. Lorsque la température est basse, la capacité de la batterie diminue également.

Figure 1.

La relation entre la tension et la capacité à différents taux de décharge et températures

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 Entièrement chargé

Lorsque la différence entre la tension de la batterie et la tension de charge la plus élevée est inférieure à 100 mV et que le courant de charge chute à C/10, la batterie peut être considérée comme complètement chargée. Les caractéristiques de la batterie sont différentes et les conditions de charge complète sont également différentes.

La figure ci-dessous montre une courbe caractéristique de charge de batterie au lithium typique. Lorsque la tension de la batterie est égale à la tension de charge la plus élevée et que le courant de charge chute à C/10, la batterie est considérée comme complètement chargée.

Figure 2. Courbe caractéristique de charge de la batterie au lithium

1.4 Mini tension de décharge

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 Décharge complète

Lorsque la tension de la batterie est inférieure ou égale à la tension de décharge minimale, on peut parler de décharge complète.

1.6 Taux de charge et de décharge (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 Durée de vie

Le nombre de cycles est le nombre de fois qu’une batterie a subi une charge et une décharge complètes, qui peut être estimée à partir de la capacité de décharge réelle et de la capacité de conception. Chaque fois que la capacité de décharge accumulée est égale à la capacité de conception, le nombre de cycles est d’une fois. Habituellement, après 500 cycles de charge-décharge, la capacité d’une batterie complètement chargée chute de 10 % à 20 %.

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

1.8 Autodécharge

L’autodécharge de toutes les batteries augmente à mesure que la température augmente. L’autodécharge n’est fondamentalement pas un défaut de fabrication, mais les caractéristiques de la batterie elle-même. Cependant, une mauvaise manipulation dans le processus de fabrication peut également entraîner une augmentation de l’autodécharge. Généralement, le taux d’autodécharge double pour chaque augmentation de 10 °C de la température de la batterie. L’autodécharge mensuelle des batteries lithium-ion est d’environ 1 à 2 %, tandis que l’autodécharge mensuelle de diverses batteries à base de nickel est de 10 à 15 %.

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

2. Introduction à la jauge de carburant de la batterie

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 Méthode de tension en circuit ouvert

Le compteur électrique utilisant la méthode de la tension en circuit ouvert est plus simple à mettre en œuvre, et il peut être obtenu en consultant le tableau correspondant à l’état de charge de la tension en circuit ouvert. La condition hypothétique de la tension en circuit ouvert est la tension aux bornes de la batterie lorsque la batterie repose pendant environ 30 minutes.

Sous différentes charges, températures et vieillissement de la batterie, la courbe de tension de la batterie sera différente. Par conséquent, un voltmètre fixe en circuit ouvert ne peut pas représenter complètement l’état de charge ; l’état de charge ne peut être estimé en consultant uniquement le tableau. En d’autres termes, si l’état de charge est estimé uniquement en consultant le tableau, l’erreur sera très importante.

La figure suivante montre que la même tension de batterie est en charge et en décharge, et que l’état de charge trouvé par la méthode de tension en circuit ouvert est très différent.

Figure 5. Tension de la batterie en charge et en décharge

La figure ci-dessous montre que l’état de charge varie considérablement sous différentes charges pendant la décharge. Donc, fondamentalement, la méthode de la tension en circuit ouvert ne convient qu’aux systèmes ayant de faibles exigences en matière de précision de l’état de charge, tels que l’utilisation de batteries plomb-acide ou d’alimentations sans coupure dans les automobiles.

Figure 6. Tension de la batterie sous différentes charges pendant la décharge

2.3 Méthode de mesure coulombienne

Le principe de fonctionnement de la méthode de mesure coulomb est de connecter une résistance de détection sur le trajet de charge/décharge de la batterie. L’ADC mesure la tension sur la résistance de détection et la convertit en la valeur actuelle de la batterie en cours de charge ou de décharge. Le compteur en temps réel (RTC) fournit l’intégration de la valeur courante avec le temps, afin de savoir combien de coulombs traversent.

Figure 7. Méthode de travail de base de la méthode de mesure de Coulomb

La méthode de mesure Coulomb peut calculer avec précision l’état de charge en temps réel pendant la charge ou la décharge. Avec le compteur de coulomb de charge et le compteur de coulomb de décharge, il peut calculer la capacité restante (RM) et la capacité de pleine charge (FCC). Dans le même temps, la capacité restante (RM) et la capacité de charge complète (FCC) peuvent également être utilisées pour calculer l’état de charge, c’est-à-dire (SOC = RM / FCC). De plus, il peut également estimer le temps restant, tel que l’épuisement de la puissance (TTE) et la pleine puissance (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Deux facteurs principaux provoquent des écarts dans la précision de la méthode de mesure de Coulomb. Le premier est l’accumulation d’erreurs de décalage dans la détection de courant et la mesure ADC. Bien que l’erreur de mesure avec la technologie actuelle soit encore faible, s’il n’y a pas de bon moyen de l’éliminer, l’erreur augmentera avec le temps. La figure ci-dessous montre que dans les applications pratiques, s’il n’y a pas de correction de la durée, l’erreur cumulée est illimitée.

Figure 9. Erreur cumulée de la méthode de mesure 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.

Figure 10. Conditions d’élimination de l’erreur cumulée de la méthode de mesure de Coulomb

Le deuxième facteur majeur provoquant la déviation de la précision de la méthode de mesure de coulomb est l’erreur de capacité de charge complète (FCC), qui est la différence entre la valeur de la capacité de conception de la batterie et la véritable capacité de charge complète de la batterie. La capacité de charge complète (FCC) sera affectée par la température, le vieillissement, la charge et d’autres facteurs. Par conséquent, la méthode de réapprentissage et de compensation de la capacité de charge complète est très importante pour la méthode de mesure coulombienne. La figure suivante montre le phénomène de tendance de l’erreur d’état de charge lorsque la capacité de charge complète est surestimée et sous-estimée.

Figure 11. La tendance des erreurs lorsque la capacité de charge complète est surestimée et sous-estimée

2.4 Jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique

La jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique peut calculer l’état de charge de la batterie au lithium en se basant uniquement sur la tension de la batterie. Cette méthode consiste à estimer l’augmentation ou la diminution de l’état de charge en fonction de la différence entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert de la batterie. Les informations de tension dynamique peuvent simuler efficacement le comportement de la batterie au lithium pour déterminer l’état de charge SOC (%), mais cette méthode ne peut pas estimer la valeur de capacité de la batterie (mAh).

Sa méthode de calcul est basée sur la différence dynamique entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert, en utilisant un algorithme itératif pour calculer chaque augmentation ou diminution de l’état de charge pour estimer l’état de charge. Par rapport à la solution de la jauge de carburant à dosage coulomb, la jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique n’accumulera pas d’erreurs au fil du temps et du courant. Les jauges de carburant de mesure Coulomb provoquent généralement une estimation inexacte de l’état de charge en raison d’erreurs de détection de courant et d’une autodécharge de la batterie. Même si l’erreur de détection de courant est très faible, le compteur de coulombs continuera à accumuler l’erreur, et l’erreur accumulée ne peut être éliminée que lorsqu’il est complètement chargé ou complètement déchargé.

La jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique estime l’état de charge de la batterie uniquement par des informations de tension ; car il n’est pas estimé par les informations actuelles de la batterie, il n’accumule pas les erreurs. Afin d’améliorer la précision de l’état de charge, l’algorithme de tension dynamique doit utiliser un appareil réel et ajuster les paramètres d’un algorithme optimisé en fonction de la courbe de tension réelle de la batterie lorsqu’elle est complètement chargée et complètement déchargée.

Figure 12. Performances de la jauge de carburant de l’algorithme de tension dynamique et optimisation du gain

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%.

Figure 13. Performance de l’état de charge de l’algorithme de tension dynamique dans différentes conditions de taux de décharge

La figure ci-dessous montre les performances de l’état de charge lorsque la batterie est chargée et déchargée brièvement. L’erreur d’état de charge est encore très faible et l’erreur maximale n’est que de 3 %.

Figure 14. Performances de l’état de charge de l’algorithme de tension dynamique lorsque la batterie est chargée et déchargée à court terme

Par rapport à la situation où la jauge de carburant de mesure Coulomb provoque généralement un état de charge inexact en raison d’erreurs de détection de courant et d’autodécharge de la batterie, l’algorithme de tension dynamique n’accumule pas d’erreurs au fil du temps et du courant, ce qui est un gros avantage. Comme il n’y a aucune information sur le courant de charge/décharge, l’algorithme de tension dynamique a une faible précision à court terme et un temps de réponse lent. De plus, il ne peut pas estimer la capacité de charge complète. Cependant, il fonctionne bien en termes de précision à long terme, car la tension de la batterie finira par refléter directement son état de charge.