1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 સ્ટેટ-ઓફ-ચાર્જ (SOC)

ચાર્જની સ્થિતિને બેટરીમાં ઉપલબ્ધ વિદ્યુત ઊર્જાની સ્થિતિ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરી શકાય છે, સામાન્ય રીતે ટકાવારી તરીકે દર્શાવવામાં આવે છે. કારણ કે ઉપલબ્ધ વિદ્યુત ઉર્જા ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ વર્તમાન, તાપમાન અને વૃદ્ધત્વની ઘટનાઓ સાથે બદલાય છે, ચાર્જની સ્થિતિની વ્યાખ્યા પણ બે પ્રકારમાં વિભાજિત કરવામાં આવી છે: એબ્સોલ્યુટ સ્ટેટ-ઓફ-ચાર્જ (ASOC) અને રિલેટિવ સ્ટેટ-ઓફ-ચાર્જ (રિલેટિવ સ્ટેટ) -ઓફ-ચાર્જ; ASOC) સ્ટેટ-ઓફ-ચાર્જ; RSOC). સામાન્ય રીતે ચાર્જ રેન્જની સંબંધિત સ્થિતિ 0% -100% હોય છે, જ્યારે બૅટરી સંપૂર્ણ ચાર્જ થાય ત્યારે 100% અને સંપૂર્ણ ડિસ્ચાર્જ થાય ત્યારે 0% હોય છે. ચાર્જની સંપૂર્ણ સ્થિતિ એ એક સંદર્ભ મૂલ્ય છે જે બેટરીનું ઉત્પાદન કરવામાં આવે ત્યારે ડિઝાઇન કરેલ નિશ્ચિત ક્ષમતા મૂલ્ય અનુસાર ગણવામાં આવે છે. તદ્દન નવી સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી બેટરીની સંપૂર્ણ ચાર્જ સ્થિતિ 100% છે; અને જો જૂની બેટરી સંપૂર્ણપણે ચાર્જ થઈ ગઈ હોય, તો પણ તે વિવિધ ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ પરિસ્થિતિઓમાં 100% સુધી પહોંચી શકતી નથી.

નીચેનો આંકડો વિવિધ ડિસ્ચાર્જ દરે વોલ્ટેજ અને બેટરી ક્ષમતા વચ્ચેનો સંબંધ દર્શાવે છે. ડિસ્ચાર્જ દર જેટલો ઊંચો છે, બેટરીની ક્ષમતા ઓછી છે. જ્યારે તાપમાન ઓછું હોય છે, ત્યારે બેટરીની ક્ષમતા પણ ઘટશે.

આકૃતિ 1.

વિવિધ ડિસ્ચાર્જ દરો અને તાપમાને વોલ્ટેજ અને ક્ષમતા વચ્ચેનો સંબંધ

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 સંપૂર્ણ ચાર્જ

જ્યારે બેટરી વોલ્ટેજ અને સર્વોચ્ચ ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ વચ્ચેનો તફાવત 100mV કરતાં ઓછો હોય અને ચાર્જિંગ કરંટ C/10 સુધી ઘટી જાય, ત્યારે બેટરીને સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી ગણી શકાય. બેટરીની લાક્ષણિકતાઓ અલગ છે, અને સંપૂર્ણ ચાર્જની સ્થિતિ પણ અલગ છે.

નીચેની આકૃતિ લાક્ષણિક લિથિયમ બેટરી ચાર્જિંગ લાક્ષણિક વળાંક દર્શાવે છે. જ્યારે બેટરી વોલ્ટેજ સૌથી વધુ ચાર્જિંગ વોલ્ટેજની બરાબર હોય છે અને ચાર્જિંગ કરંટ C/10 સુધી ઘટી જાય છે, ત્યારે બેટરી સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી માનવામાં આવે છે.

આકૃતિ 2. લિથિયમ બેટરી ચાર્જિંગ લાક્ષણિક વળાંક

1.4 મીની ડિસ્ચાર્જિંગ વોલ્ટેજ

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 સંપૂર્ણપણે ડિસ્ચાર્જ

જ્યારે બેટરી વોલ્ટેજ ન્યૂનતમ ડિસ્ચાર્જ વોલ્ટેજ કરતા ઓછું અથવા બરાબર હોય, ત્યારે તેને સંપૂર્ણ ડિસ્ચાર્જ કહી શકાય.

1.6 ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ રેટ (C-રેટ)

ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ દર એ બેટરીની ક્ષમતાની તુલનામાં ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ વર્તમાનની અભિવ્યક્તિ છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો 1C નો ઉપયોગ એક કલાક માટે ડિસ્ચાર્જ કરવા માટે કરવામાં આવે છે, તો આદર્શ રીતે, બેટરી સંપૂર્ણપણે ડિસ્ચાર્જ થઈ જશે. અલગ-અલગ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ દરો અલગ-અલગ ઉપયોગ કરી શકાય તેવી ક્ષમતામાં પરિણમશે. સામાન્ય રીતે, ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ દર જેટલો મોટો હોય છે, તેટલી ઉપલબ્ધ ક્ષમતા ઓછી હોય છે.

1.7 ચક્ર જીવન

સાયકલની સંખ્યા એ બેટરીના સંપૂર્ણ ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગમાંથી કેટલી વખત પસાર થઈ છે તે સંખ્યા છે, જેનો વાસ્તવિક ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા અને ડિઝાઇન ક્ષમતા પરથી અંદાજ લગાવી શકાય છે. જ્યારે પણ સંચિત ડિસ્ચાર્જ ક્ષમતા ડિઝાઇન ક્ષમતા જેટલી હોય છે, ત્યારે ચક્રની સંખ્યા એકવાર હોય છે. સામાન્ય રીતે 500 ચાર્જ-ડિસ્ચાર્જ ચક્ર પછી, સંપૂર્ણ ચાર્જ થયેલી બેટરીની ક્ષમતા 10% ~ 20% ઘટી જાય છે.

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

1.8 સ્વ-ડિસ્ચાર્જ

તાપમાનમાં વધારો થતાં તમામ બેટરીનું સ્વ-ડિસ્ચાર્જ વધે છે. સ્વ-ડિસ્ચાર્જ એ મૂળભૂત રીતે ઉત્પાદનની ખામી નથી, પરંતુ બેટરીની લાક્ષણિકતાઓ છે. જો કે, ઉત્પાદન પ્રક્રિયામાં અયોગ્ય હેન્ડલિંગ પણ સ્વ-ડિસ્ચાર્જમાં વધારો કરી શકે છે. સામાન્ય રીતે, બેટરીના તાપમાનમાં દર 10 ° સે વધારા માટે સ્વ-ડિસ્ચાર્જ દર બમણું થાય છે. લિથિયમ-આયન બેટરીનું માસિક સ્વ-ડિસ્ચાર્જ લગભગ 1~2% છે, જ્યારે વિવિધ નિકલ-આધારિત બેટરીનું માસિક સ્વ-ડિસ્ચાર્જ 10-15% છે.

આકૃતિ 4. વિવિધ તાપમાને લિથિયમ બેટરીના સ્વ-ડિસ્ચાર્જ દરનું પ્રદર્શન

2. બેટરી ફ્યુઅલ ગેજનો પરિચય

2.1 ફ્યુઅલ ગેજ ફંક્શનનો પરિચય

બેટરી મેનેજમેન્ટને પાવર મેનેજમેન્ટના ભાગ તરીકે ગણી શકાય. બેટરી મેનેજમેન્ટમાં, ઇંધણ ગેજ બેટરીની ક્ષમતાના અંદાજ માટે જવાબદાર છે. તેનું મૂળભૂત કાર્ય વોલ્ટેજ, ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વર્તમાન અને બેટરીના તાપમાનનું નિરીક્ષણ કરવાનું છે અને બેટરીની ચાર્જ સ્થિતિ (SOC) અને બેટરીની સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા (FCC) નો અંદાજ કાઢવો છે. બેટરીના ચાર્જની સ્થિતિનો અંદાજ કાઢવા માટે બે વિશિષ્ટ પદ્ધતિઓ છે: ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ પદ્ધતિ (OCV) અને કોલોમેટ્રિક પદ્ધતિ. બીજી પદ્ધતિ RICHTEK દ્વારા રચાયેલ ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ છે.

2.2 ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ પદ્ધતિ

ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ પદ્ધતિનો ઉપયોગ કરીને વીજળી મીટર અમલમાં મૂકવું સરળ છે, અને તે ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજના ચાર્જની સ્થિતિને અનુરૂપ ટેબલ જોઈને મેળવી શકાય છે. ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજની અનુમાનિત સ્થિતિ એ બેટરી ટર્મિનલ વોલ્ટેજ છે જ્યારે બેટરી લગભગ 30 મિનિટ સુધી આરામ કરે છે.

વિવિધ લોડ, તાપમાન અને બેટરી વૃદ્ધત્વ હેઠળ, બેટરી વોલ્ટેજ વળાંક અલગ હશે. તેથી, નિશ્ચિત ઓપન-સર્કિટ વોલ્ટમીટર સંપૂર્ણપણે ચાર્જની સ્થિતિનું પ્રતિનિધિત્વ કરી શકતું નથી; એકલા ટેબલ ઉપર જોઈને ચાર્જની સ્થિતિનો અંદાજ લગાવી શકાતો નથી. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, જો માત્ર ટેબલ ઉપર જોઈને ચાર્જની સ્થિતિનો અંદાજ લગાવવામાં આવે, તો ભૂલ ઘણી મોટી હશે.

નીચેનો આંકડો દર્શાવે છે કે સમાન બેટરી વોલ્ટેજ ચાર્જ અને ડિસ્ચાર્જ હેઠળ છે, અને ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ પદ્ધતિ દ્વારા મળેલી ચાર્જની સ્થિતિ ઘણી અલગ છે.

આકૃતિ 5. ચાર્જિંગ અને ડિસ્ચાર્જિંગ હેઠળ બેટરી વોલ્ટેજ

નીચેનો આંકડો દર્શાવે છે કે ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન વિવિધ લોડ હેઠળ ચાર્જની સ્થિતિ મોટા પ્રમાણમાં બદલાય છે. તેથી મૂળભૂત રીતે, ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ પદ્ધતિ માત્ર ચાર્જની સ્થિતિની ચોકસાઈ માટે ઓછી જરૂરિયાતો ધરાવતી સિસ્ટમો માટે જ યોગ્ય છે, જેમ કે લીડ-એસિડ બેટરીનો ઉપયોગ અથવા ઓટોમોબાઈલમાં અવિરત વીજ પુરવઠો.

આકૃતિ 6. ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન વિવિધ લોડ હેઠળ બેટરી વોલ્ટેજ

2.3 કૂલમ્બ માપન પદ્ધતિ

કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિનો ઓપરેટિંગ સિદ્ધાંત એ છે કે બેટરીના ચાર્જિંગ/ડિસ્ચાર્જિંગ પાથ પર ડિટેક્શન રેઝિસ્ટરને જોડવું. ADC ડિટેક્શન રેઝિસ્ટર પર વોલ્ટેજને માપે છે અને તેને ચાર્જ અથવા ડિસ્ચાર્જ કરવામાં આવતી બેટરીના વર્તમાન મૂલ્યમાં રૂપાંતરિત કરે છે. રીઅલ-ટાઇમ કાઉન્ટર (RTC) વર્તમાન મૂલ્યનું સમય સાથે સંકલન પૂરું પાડે છે, જેથી જાણી શકાય કે કેટલા કૂલમ્બ વહે છે.

આકૃતિ 7. કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિની મૂળભૂત કાર્ય પદ્ધતિ

કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિ ચાર્જિંગ અથવા ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન ચાર્જની વાસ્તવિક સમયની સ્થિતિની ચોક્કસ ગણતરી કરી શકે છે. ચાર્જ કુલોમ્બ કાઉન્ટર અને ડિસ્ચાર્જ કુલોમ્બ કાઉન્ટર સાથે, તે બાકીની ક્ષમતા (RM) અને સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા (FCC) ની ગણતરી કરી શકે છે. તે જ સમયે, બાકીની ક્ષમતા (RM) અને સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા (FCC) નો ઉપયોગ ચાર્જની સ્થિતિની ગણતરી કરવા માટે પણ થઈ શકે છે, એટલે કે (SOC = RM/FCC). વધુમાં, તે બાકીના સમયનો અંદાજ પણ લગાવી શકે છે, જેમ કે પાવર એક્ઝોશન (TTE) અને ફુલ પાવર (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

ત્યાં બે મુખ્ય પરિબળો છે જે કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિની ચોકસાઈમાં વિચલનોનું કારણ બને છે. પ્રથમ વર્તમાન સેન્સિંગ અને ADC માપનમાં ઓફસેટ ભૂલોનું સંચય છે. જો કે વર્તમાન ટેક્નોલોજી સાથે માપનની ભૂલ હજુ પણ નાની છે, જો તેને દૂર કરવાની કોઈ સારી રીત ન હોય, તો સમય જતાં ભૂલ વધશે. નીચેનો આંકડો બતાવે છે કે વ્યવહારિક એપ્લિકેશનમાં, જો સમય અવધિમાં કોઈ સુધારણા ન હોય, તો સંચિત ભૂલ અમર્યાદિત છે.

આકૃતિ 9. કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિની સંચિત ભૂલ

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.

આકૃતિ 10. કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિની સંચિત ભૂલને દૂર કરવા માટેની શરતો

કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિની ચોકસાઈના વિચલનનું કારણ બનેલું બીજું મુખ્ય પરિબળ સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા (FCC) ભૂલ છે, જે બેટરી ડિઝાઇન ક્ષમતાના મૂલ્ય અને બેટરીની સાચી સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા વચ્ચેનો તફાવત છે. સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા (FCC) તાપમાન, વૃદ્ધત્વ, ભાર અને અન્ય પરિબળોથી પ્રભાવિત થશે. તેથી, કુલોમ્બ માપન પદ્ધતિ માટે સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતાની રી-લર્નિંગ અને વળતર પદ્ધતિ ખૂબ જ મહત્વપૂર્ણ છે. નીચેનો આંકડો ચાર્જ ભૂલની સ્થિતિની વલણ ઘટના દર્શાવે છે જ્યારે સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા વધારે પડતી અને ઓછી આંકવામાં આવે છે.

આકૃતિ 11. જ્યારે સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતા વધારે પડતી અને ઓછી આંકવામાં આવે ત્યારે ભૂલનું વલણ

2.4 ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ ફ્યુઅલ ગેજ

ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ ફ્યુઅલ ગેજ ફક્ત બેટરી વોલ્ટેજના આધારે લિથિયમ બેટરીના ચાર્જની સ્થિતિની ગણતરી કરી શકે છે. આ પદ્ધતિ બેટરીના વોલ્ટેજ અને બેટરીના ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ વચ્ચેના તફાવતના આધારે ચાર્જની સ્થિતિમાં વધારો અથવા ઘટાડો કરવાનો છે. ગતિશીલ વોલ્ટેજ માહિતી ચાર્જ SOC (%) ની સ્થિતિ નક્કી કરવા માટે લિથિયમ બેટરીના વર્તનનું અસરકારક રીતે અનુકરણ કરી શકે છે, પરંતુ આ પદ્ધતિ બેટરી ક્ષમતા મૂલ્ય (mAh) નો અંદાજ લગાવી શકતી નથી.

તેની ગણતરી પદ્ધતિ બેટરી વોલ્ટેજ અને ઓપન સર્કિટ વોલ્ટેજ વચ્ચેના ગતિશીલ તફાવત પર આધારિત છે, ચાર્જની સ્થિતિનો અંદાજ કાઢવા માટે ચાર્જની સ્થિતિના દરેક વધારા અથવા ઘટાડાની ગણતરી કરવા માટે પુનરાવર્તિત અલ્ગોરિધમનો ઉપયોગ કરીને. કુલોમ્બ મીટરિંગ ફ્યુઅલ ગેજના સોલ્યુશનની તુલનામાં, ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ ફ્યુઅલ ગેજ સમય અને વર્તમાનમાં ભૂલો એકઠા કરશે નહીં. કુલોમ્બ મીટરિંગ ફ્યુઅલ ગેજ સામાન્ય રીતે વર્તમાન સેન્સિંગ ભૂલો અને બેટરી સ્વ-ડિસ્ચાર્જને કારણે ચાર્જની સ્થિતિનો અચોક્કસ અંદાજ લાવે છે. જો વર્તમાન સેન્સિંગ ભૂલ ખૂબ નાની હોય, તો પણ કુલોમ્બ કાઉન્ટર ભૂલને એકઠા કરવાનું ચાલુ રાખશે, અને સંચિત ભૂલ ત્યારે જ દૂર થઈ શકે છે જ્યારે તે સંપૂર્ણપણે ચાર્જ થઈ જાય અથવા સંપૂર્ણ રીતે ડિસ્ચાર્જ થઈ જાય.

ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ ફ્યુઅલ ગેજ માત્ર વોલ્ટેજની માહિતી દ્વારા બેટરીના ચાર્જની સ્થિતિનો અંદાજ લગાવે છે; કારણ કે તે બેટરીની વર્તમાન માહિતી દ્વારા અંદાજવામાં આવતી નથી, તે ભૂલો એકઠા કરતી નથી. ચાર્જની સ્થિતિની ચોકસાઈને સુધારવા માટે, ગતિશીલ વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમને વાસ્તવિક ઉપકરણનો ઉપયોગ કરવાની જરૂર છે, અને જ્યારે તે સંપૂર્ણપણે ચાર્જ થાય છે અને સંપૂર્ણ રીતે ડિસ્ચાર્જ થાય છે ત્યારે વાસ્તવિક બેટરી વોલ્ટેજ વળાંક અનુસાર ઑપ્ટિમાઇઝ અલ્ગોરિધમના પરિમાણોને સમાયોજિત કરે છે.

આકૃતિ 12. ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ ફ્યુઅલ ગેજ અને ગેઇન ઓપ્ટિમાઇઝેશનનું પ્રદર્શન

વિવિધ ડિસ્ચાર્જ રેટ શરતો હેઠળ ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમનું પ્રદર્શન નીચે મુજબ છે. તે આકૃતિ પરથી જોઈ શકાય છે કે તેની ચાર્જની સ્થિતિ સારી ચોકસાઈ ધરાવે છે. C/2, C/4, C/7 અને C/10 ની ડિસ્ચાર્જ શરતોને ધ્યાનમાં લીધા વિના, આ પદ્ધતિની ચાર્જ ભૂલની એકંદર સ્થિતિ 3% કરતા ઓછી છે.

આકૃતિ 13. વિવિધ ડિસ્ચાર્જ રેટ શરતો હેઠળ ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમના ચાર્જની સ્થિતિનું પ્રદર્શન

નીચેનો આંકડો જ્યારે બેટરી શોર્ટ-ચાર્જ થાય છે અને શોર્ટ-ડિસ્ચાર્જ થાય છે ત્યારે ચાર્જની સ્થિતિનું પ્રદર્શન દર્શાવે છે. ચાર્જ ભૂલની સ્થિતિ હજુ પણ ખૂબ નાની છે, અને મહત્તમ ભૂલ માત્ર 3% છે.

આકૃતિ 14. જ્યારે બેટરી શોર્ટ-ચાર્જ અને શોર્ટ-ડિસ્ચાર્જ થાય ત્યારે ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમના ચાર્જની સ્થિતિનું પ્રદર્શન

વર્તમાન સેન્સિંગ ભૂલો અને બેટરી સ્વ-ડિસ્ચાર્જને કારણે કુલોમ્બ મીટરિંગ ફ્યુઅલ ગેજ સામાન્ય રીતે અચોક્કસ ચાર્જની સ્થિતિનું કારણ બને છે તેવી પરિસ્થિતિની સરખામણીમાં, ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમ સમય અને વર્તમાન સાથે ભૂલો એકઠા કરતું નથી, જે એક મોટો ફાયદો છે. ચાર્જ/ડિસ્ચાર્જ વર્તમાન વિશે કોઈ માહિતી ન હોવાને કારણે, ડાયનેમિક વોલ્ટેજ અલ્ગોરિધમમાં ટૂંકા ગાળાની સચોટતા અને ધીમો પ્રતિભાવ સમય છે. વધુમાં, તે સંપૂર્ણ ચાર્જ ક્ષમતાનો અંદાજ લગાવી શકતો નથી. જો કે, તે લાંબા ગાળાની ચોકસાઈના સંદર્ભમાં સારું પ્રદર્શન કરે છે, કારણ કે બેટરી વોલ્ટેજ આખરે તેની ચાર્જની સ્થિતિને સીધું પ્રતિબિંબિત કરશે.