1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 प्रभारी राज्य (एसओसी)

चार्ज की स्थिति को बैटरी में उपलब्ध विद्युत ऊर्जा की स्थिति के रूप में परिभाषित किया जा सकता है, जिसे आमतौर पर प्रतिशत के रूप में व्यक्त किया जाता है। क्योंकि उपलब्ध विद्युत ऊर्जा चार्ज और डिस्चार्ज करंट, तापमान और उम्र बढ़ने की घटनाओं के साथ बदलती रहती है, चार्ज की स्थिति की परिभाषा को भी दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है: एब्सोल्यूट स्टेट-ऑफ-चार्ज (ASOC) और रिलेटिव स्टेट-ऑफ-चार्ज (रिलेटिव स्टेट) -ऑफ-चार्ज; एएसओसी) राज्य-प्रभारी; आरएसओसी)। आम तौर पर चार्ज रेंज की सापेक्ष स्थिति 0% -100% होती है, जबकि बैटरी पूरी तरह चार्ज होने पर 100% और पूरी तरह से डिस्चार्ज होने पर 0% होती है। चार्ज की निरपेक्ष स्थिति एक संदर्भ मान है जिसकी गणना बैटरी के निर्माण के समय डिज़ाइन की गई निश्चित क्षमता मान के अनुसार की जाती है। एक नई पूरी तरह से चार्ज की गई बैटरी के चार्ज की पूर्ण स्थिति 100% है; और अगर पुरानी बैटरी पूरी तरह से चार्ज हो जाती है, तो भी यह विभिन्न चार्जिंग और डिस्चार्जिंग स्थितियों के तहत 100% तक नहीं पहुंच सकती है।

नीचे दिया गया आंकड़ा विभिन्न डिस्चार्ज दरों पर वोल्टेज और बैटरी क्षमता के बीच संबंध को दर्शाता है। डिस्चार्ज दर जितनी अधिक होगी, बैटरी की क्षमता उतनी ही कम होगी। तापमान कम होने पर बैटरी की क्षमता भी कम हो जाएगी।

चित्रा 1।

विभिन्न डिस्चार्ज दरों और तापमानों पर वोल्टेज और क्षमता के बीच संबंध

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 पूरी तरह चार्ज

जब बैटरी वोल्टेज और उच्चतम चार्जिंग वोल्टेज के बीच का अंतर 100mV से कम होता है, और चार्जिंग करंट C/10 तक गिर जाता है, तो बैटरी को पूरी तरह से चार्ज माना जा सकता है। बैटरी की विशेषताएं अलग हैं, और पूर्ण चार्ज की स्थिति भी अलग है।

नीचे दिया गया आंकड़ा एक विशिष्ट लिथियम बैटरी चार्जिंग विशेषता वक्र दिखाता है। जब बैटरी वोल्टेज उच्चतम चार्जिंग वोल्टेज के बराबर होता है और चार्जिंग करंट C/10 तक गिर जाता है, तो बैटरी को पूरी तरह से चार्ज माना जाता है।

चित्रा 2. लिथियम बैटरी चार्जिंग विशेषता वक्र

1.4 मिनी डिस्चार्जिंग वोल्टेज

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 पूरी तरह से निर्वहन

जब बैटरी वोल्टेज न्यूनतम डिस्चार्ज वोल्टेज से कम या उसके बराबर हो, तो इसे पूर्ण निर्वहन कहा जा सकता है।

1.6 चार्ज और डिस्चार्ज रेट (सी-रेट)

चार्ज-डिस्चार्ज दर बैटरी क्षमता के सापेक्ष चार्ज-डिस्चार्ज करंट की अभिव्यक्ति है। उदाहरण के लिए, यदि 1C का उपयोग एक घंटे के लिए डिस्चार्ज करने के लिए किया जाता है, तो आदर्श रूप से, बैटरी पूरी तरह से डिस्चार्ज हो जाएगी। अलग-अलग चार्ज और डिस्चार्ज दरों के परिणामस्वरूप अलग-अलग प्रयोग करने योग्य क्षमता होगी। आम तौर पर, चार्ज-डिस्चार्ज दर जितनी अधिक होगी, उपलब्ध क्षमता उतनी ही कम होगी।

1.7 साइकिल जीवन

चक्रों की संख्या एक बैटरी के पूर्ण चार्जिंग और डिस्चार्जिंग से गुजरने की संख्या है, जिसका अनुमान वास्तविक डिस्चार्ज क्षमता और डिजाइन क्षमता से लगाया जा सकता है। जब भी संचित निर्वहन क्षमता डिजाइन क्षमता के बराबर होती है, चक्रों की संख्या एक बार होती है। आमतौर पर 500 चार्ज-डिस्चार्ज चक्रों के बाद, पूरी तरह चार्ज बैटरी की क्षमता 10% ~ 20% तक गिर जाती है।

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

1.8 स्व-निर्वहन

तापमान बढ़ने पर सभी बैटरियों का स्व-निर्वहन बढ़ता है। स्व-निर्वहन मूल रूप से एक विनिर्माण दोष नहीं है, बल्कि बैटरी की विशेषताएं हैं। हालांकि, निर्माण प्रक्रिया में अनुचित संचालन भी स्व-निर्वहन में वृद्धि का कारण बन सकता है। आम तौर पर, बैटरी के तापमान में प्रत्येक 10 डिग्री सेल्सियस की वृद्धि के लिए स्व-निर्वहन दर दोगुनी हो जाती है। लिथियम-आयन बैटरी का मासिक स्व-निर्वहन लगभग 1 ~ 2% है, जबकि विभिन्न निकल-आधारित बैटरी का मासिक स्व-निर्वहन 10-15% है।

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

2. बैटरी ईंधन गेज का परिचय

2.1 फ्यूल गेज फंक्शन का परिचय

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 ओपन सर्किट वोल्टेज विधि

ओपन सर्किट वोल्टेज विधि का उपयोग करने वाले बिजली मीटर को लागू करना आसान है, और इसे ओपन सर्किट वोल्टेज के चार्ज की स्थिति से संबंधित तालिका को देखकर प्राप्त किया जा सकता है। ओपन सर्किट वोल्टेज की काल्पनिक स्थिति बैटरी टर्मिनल वोल्टेज है जब बैटरी लगभग 30 मिनट तक आराम करती है।

विभिन्न भार, तापमान और बैटरी उम्र बढ़ने के तहत, बैटरी वोल्टेज वक्र अलग होगा। इसलिए, एक निश्चित ओपन-सर्किट वाल्टमीटर पूरी तरह से आवेश की स्थिति का प्रतिनिधित्व नहीं कर सकता है; केवल तालिका को देखकर ही आवेश की स्थिति का अनुमान नहीं लगाया जा सकता है। दूसरे शब्दों में, यदि केवल तालिका को देखकर ही आवेश की स्थिति का अनुमान लगाया जाता है, तो त्रुटि बहुत बड़ी होगी।

निम्न आंकड़ा दिखाता है कि एक ही बैटरी वोल्टेज चार्ज और डिस्चार्ज के अधीन है, और ओपन सर्किट वोल्टेज विधि द्वारा पाई जाने वाली चार्ज की स्थिति बहुत अलग है।

चित्रा 5. चार्जिंग और डिस्चार्जिंग के तहत बैटरी वोल्टेज

नीचे दिया गया आंकड़ा दर्शाता है कि निर्वहन के दौरान विभिन्न भारों के तहत आवेश की स्थिति बहुत भिन्न होती है। तो मूल रूप से, ओपन सर्किट वोल्टेज विधि केवल चार्ज की स्थिति की सटीकता के लिए कम आवश्यकताओं वाले सिस्टम के लिए उपयुक्त है, जैसे ऑटोमोबाइल में लीड-एसिड बैटरी या निर्बाध बिजली आपूर्ति का उपयोग।

चित्रा 6. निर्वहन के दौरान विभिन्न भारों के तहत बैटरी वोल्टेज

2.3 कूलम्ब मापन विधि

कूलम्ब मापन विधि का ऑपरेटिंग सिद्धांत बैटरी के चार्जिंग/डिस्चार्जिंग पथ पर एक डिटेक्शन रेसिस्टर को कनेक्ट करना है। एडीसी डिटेक्शन रेसिस्टर पर वोल्टेज को मापता है और इसे चार्ज या डिस्चार्ज की जा रही बैटरी के वर्तमान मूल्य में परिवर्तित करता है। रीयल-टाइम काउंटर (आरटीसी) समय के साथ वर्तमान मूल्य का एकीकरण प्रदान करता है, ताकि यह पता चल सके कि कितने कूलम्ब प्रवाहित होते हैं।

चित्रा 7. कूलम्ब मापन विधि की मूल कार्य पद्धति

कूलम्ब माप विधि चार्जिंग या डिस्चार्जिंग के दौरान वास्तविक समय में चार्ज की स्थिति की सटीक गणना कर सकती है। चार्ज कूलम्ब काउंटर और डिस्चार्ज कूलम्ब काउंटर के साथ, यह शेष क्षमता (आरएम) और पूर्ण चार्ज क्षमता (एफसीसी) की गणना कर सकता है। साथ ही, शेष क्षमता (आरएम) और पूर्ण चार्ज क्षमता (एफसीसी) का उपयोग चार्ज की स्थिति की गणना के लिए भी किया जा सकता है, यानी (एसओसी = आरएम / एफसीसी)। इसके अलावा, यह शेष समय का भी अनुमान लगा सकता है, जैसे कि बिजली की थकावट (टीटीई) और पूर्ण शक्ति (टीटीएफ)।

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

कूलम्ब मापन पद्धति की सटीकता में विचलन का कारण बनने वाले दो मुख्य कारक हैं। पहला करंट सेंसिंग और एडीसी माप में ऑफसेट त्रुटियों का संचय है। हालांकि वर्तमान तकनीक के साथ माप त्रुटि अभी भी छोटी है, अगर इसे खत्म करने का कोई अच्छा तरीका नहीं है, तो समय के साथ त्रुटि बढ़ जाएगी। नीचे दिया गया आंकड़ा दिखाता है कि व्यावहारिक अनुप्रयोगों में, यदि समय अवधि में कोई सुधार नहीं होता है, तो संचित त्रुटि असीमित होती है।

चित्र 9. कूलम्ब मापन विधि की संचयी त्रुटि

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.

चित्र 10. कूलम्ब मापन विधि की संचयी त्रुटि को समाप्त करने की शर्तें

कूलम्ब मापन विधि की सटीकता के विचलन का कारण बनने वाला दूसरा प्रमुख कारक पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) त्रुटि है, जो बैटरी डिज़ाइन क्षमता के मूल्य और बैटरी की वास्तविक पूर्ण चार्ज क्षमता के बीच का अंतर है। पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) तापमान, उम्र बढ़ने, भार और अन्य कारकों से प्रभावित होगी। इसलिए, कूलम्ब मापन पद्धति के लिए पूर्ण आवेश क्षमता का पुन: अधिगम और क्षतिपूर्ति विधि बहुत महत्वपूर्ण है। निम्नलिखित आंकड़ा चार्ज त्रुटि की स्थिति की प्रवृत्ति घटना को दर्शाता है जब पूर्ण चार्ज क्षमता को कम करके आंका जाता है।

चित्रा 11. त्रुटि प्रवृत्ति जब पूर्ण चार्ज क्षमता को कम करके आंका जाता है

2.4 गतिशील वोल्टेज एल्गोरिथ्म ईंधन गेज

गतिशील वोल्टेज एल्गोरिथ्म ईंधन गेज केवल बैटरी वोल्टेज के आधार पर लिथियम बैटरी के आवेश की स्थिति की गणना कर सकता है। यह विधि बैटरी वोल्टेज और बैटरी के ओपन सर्किट वोल्टेज के बीच अंतर के आधार पर चार्ज की स्थिति में वृद्धि या कमी का अनुमान लगाने के लिए है। गतिशील वोल्टेज जानकारी चार्ज एसओसी (%) की स्थिति निर्धारित करने के लिए लिथियम बैटरी के व्यवहार को प्रभावी ढंग से अनुकरण कर सकती है, लेकिन यह विधि बैटरी क्षमता मान (एमएएच) का अनुमान नहीं लगा सकती है।

इसकी गणना विधि चार्ज की स्थिति का अनुमान लगाने के लिए चार्ज की स्थिति की प्रत्येक वृद्धि या कमी की गणना करने के लिए एक पुनरावृत्त एल्गोरिदम का उपयोग करके बैटरी वोल्टेज और ओपन सर्किट वोल्टेज के बीच गतिशील अंतर पर आधारित है। कूलम्ब मीटरिंग ईंधन गेज के समाधान की तुलना में, गतिशील वोल्टेज एल्गोरिदम ईंधन गेज समय और वर्तमान के साथ त्रुटियों को जमा नहीं करेगा। कूलम्ब मीटरिंग फ्यूल गेज आमतौर पर करंट सेंसिंग त्रुटियों और बैटरी सेल्फ-डिस्चार्ज के कारण चार्ज की स्थिति का गलत अनुमान लगाते हैं। भले ही करंट सेंसिंग एरर बहुत छोटा हो, कूलम्ब काउंटर एरर को जमा करना जारी रखेगा, और संचित त्रुटि को तभी समाप्त किया जा सकता है जब यह पूरी तरह से चार्ज या पूरी तरह से डिस्चार्ज हो जाए।

डायनेमिक वोल्टेज एल्गोरिथम फ्यूल गेज केवल वोल्टेज की जानकारी से बैटरी के चार्ज होने की स्थिति का अनुमान लगाता है; क्योंकि यह बैटरी की वर्तमान जानकारी से अनुमानित नहीं है, यह त्रुटियों को जमा नहीं करता है। चार्ज की स्थिति की सटीकता में सुधार करने के लिए, गतिशील वोल्टेज एल्गोरिदम को एक वास्तविक डिवाइस का उपयोग करने की आवश्यकता होती है, और वास्तविक बैटरी वोल्टेज वक्र के अनुसार एक अनुकूलित एल्गोरिदम के पैरामीटर को समायोजित करने की आवश्यकता होती है जब यह पूरी तरह चार्ज और पूरी तरह से छुट्टी हो जाती है।

चित्रा 12. गतिशील वोल्टेज एल्गोरिदम ईंधन गेज और लाभ अनुकूलन का प्रदर्शन

विभिन्न निर्वहन दर स्थितियों के तहत गतिशील वोल्टेज एल्गोरिदम का प्रदर्शन निम्नलिखित है। यह इस आंकड़े से देखा जा सकता है कि इसके आवेश की स्थिति में अच्छी सटीकता है। सी/2, सी/4, सी/7 और सी/10 की डिस्चार्ज स्थितियों के बावजूद, इस पद्धति की चार्ज त्रुटि की समग्र स्थिति 3% से कम है।

चित्रा 13. विभिन्न निर्वहन दर स्थितियों के तहत गतिशील वोल्टेज एल्गोरिदम के प्रभार की स्थिति का प्रदर्शन

नीचे दिया गया आंकड़ा बैटरी के शॉर्ट-चार्ज और शॉर्ट-डिस्चार्ज होने पर चार्ज की स्थिति का प्रदर्शन दिखाता है। चार्ज त्रुटि की स्थिति अभी भी बहुत छोटी है, और अधिकतम त्रुटि केवल 3% है।

चित्र 14. बैटरी के शॉर्ट-चार्ज और शॉर्ट-डिस्चार्ज होने पर डायनेमिक वोल्टेज एल्गोरिथम के चार्ज की स्थिति का प्रदर्शन

उस स्थिति की तुलना में जहां कूलम्ब मीटरिंग फ्यूल गेज आमतौर पर करंट सेंसिंग त्रुटियों और बैटरी सेल्फ-डिस्चार्ज के कारण चार्ज की गलत स्थिति का कारण बनता है, डायनेमिक वोल्टेज एल्गोरिथम समय और करंट के साथ त्रुटियों को जमा नहीं करता है, जो एक बड़ा फायदा है। चूंकि चार्ज / डिस्चार्ज करंट के बारे में कोई जानकारी नहीं है, इसलिए डायनेमिक वोल्टेज एल्गोरिथम में खराब अल्पकालिक सटीकता और धीमी प्रतिक्रिया समय होता है। इसके अलावा, यह पूर्ण चार्ज क्षमता का अनुमान नहीं लगा सकता है। हालांकि, यह लंबी अवधि की सटीकता के मामले में अच्छा प्रदर्शन करता है, क्योंकि बैटरी वोल्टेज अंततः सीधे चार्ज की स्थिति को प्रतिबिंबित करेगा।