1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Stanje napunjenosti može se definirati kao stanje raspoložive električne energije u bateriji, obično izraženo u postocima. Budući da raspoloživa električna energija varira sa strujom punjenja i pražnjenja, temperaturom i fenomenom starenja, definicija stanja napunjenosti također je podijeljena u dvije vrste: apsolutno stanje napunjenosti (ASOC) i relativno stanje napunjenosti (relativno stanje). ASOC) stanje naplate; RSOC). Obično je relativno stanje napunjenosti 0% -100%, dok je baterija 100% kada je potpuno napunjena i 0% kada je potpuno prazna. Apsolutno stanje napunjenosti je referentna vrijednost izračunata prema projektiranoj vrijednosti fiksnog kapaciteta kada je baterija proizvedena. Apsolutno stanje napunjenosti potpuno nove potpuno napunjene baterije je 100%; čak i ako je stara baterija potpuno napunjena, ne može doseći 100% pod različitim uvjetima punjenja i pražnjenja.

Slika ispod prikazuje odnos između napona i kapaciteta baterije pri različitim brzinama pražnjenja. Što je veća brzina pražnjenja, to je manji kapacitet baterije. Kada je temperatura niska, kapacitet baterije će se također smanjiti.

Slika 1.

Odnos između napona i kapaciteta pri različitim brzinama pražnjenja i temperaturama

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 Potpuno napunjen

Kada je razlika između napona baterije i najvećeg napona punjenja manja od 100 mV, a struja punjenja padne na C/10, baterija se može smatrati potpuno napunjenom. Karakteristike baterije su različite, a različiti su i uvjeti potpunog punjenja.

Slika ispod prikazuje tipičnu karakterističnu krivulju punjenja litij baterije. Kada je napon baterije jednak najvećem naponu punjenja, a struja punjenja padne na C/10, baterija se smatra potpuno napunjenom.

Slika 2. Karakteristična krivulja punjenja litij baterije

1.4 Mini napon pražnjenja

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 Potpuno pražnjenje

Kada je napon baterije manji ili jednak minimalnom naponu pražnjenja, to se može nazvati potpunim pražnjenjem.

1.6 Stopa punjenja i pražnjenja (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 Životni vijek ciklusa

Broj ciklusa je koliko je puta baterija bila podvrgnuta potpunom punjenju i pražnjenju, što se može procijeniti iz stvarnog kapaciteta pražnjenja i projektnog kapaciteta. Kad god je akumulirani kapacitet pražnjenja jednak projektnom kapacitetu, broj ciklusa je jedan. Obično nakon 500 ciklusa punjenja-pražnjenja, kapacitet potpuno napunjene baterije pada za 10% ~ 20%.

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

1.8 Samopražnjenje

Samopražnjenje svih baterija se povećava kako temperatura raste. Samopražnjenje u osnovi nije proizvodni nedostatak, već karakteristike same baterije. Međutim, nepravilno rukovanje u procesu proizvodnje također može uzrokovati povećanje samopražnjenja. Općenito, brzina samopražnjenja se udvostručuje za svakih 10°C povećanja temperature baterije. Mjesečno samopražnjenje litij-ionskih baterija je oko 1~2%, dok je mjesečno samopražnjenje raznih baterija na bazi nikla 10-15%.

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

2. Uvod u mjerač goriva u bateriji

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 Metoda napona otvorenog kruga

The electricity meter using the open circuit voltage method is easier to implement, and it can be obtained by looking up the table corresponding to the state of charge of the open circuit voltage. The hypothetical condition of the open circuit voltage is the battery terminal voltage when the battery rests for about 30 minutes.

Pod različitim opterećenjem, temperaturom i starenjem baterije, krivulja napona baterije bit će različita. Stoga, fiksni voltmetar otvorenog kruga ne može u potpunosti prikazati stanje napunjenosti; stanje napunjenosti ne može se procijeniti samo traženjem tablice. Drugim riječima, ako se stanje napunjenosti procjenjuje samo traženjem tablice, pogreška će biti vrlo velika.

Sljedeća slika pokazuje da je isti napon baterije pod punjenjem i pražnjenjem, a stanje napunjenosti utvrđeno metodom napona otvorenog kruga je vrlo različito.

Slika 5. Napon baterije pri punjenju i pražnjenju

Slika ispod pokazuje da stanje napunjenosti uvelike varira pod različitim opterećenjima tijekom pražnjenja. Dakle, u osnovi, metoda napona otvorenog kruga prikladna je samo za sustave s niskim zahtjevima za točnost stanja napunjenosti, kao što je upotreba olovnih baterija ili neprekinutih izvora napajanja u automobilima.

Slika 6. Napon baterije pod različitim opterećenjima tijekom pražnjenja

2.3 Coulombova mjerna metoda

Načelo rada kulonske metode mjerenja je spajanje otpornika za detekciju na putu punjenja/pražnjenja baterije. ADC mjeri napon na otporniku za detekciju i pretvara ga u trenutnu vrijednost baterije koja se puni ili prazni. Brojač u stvarnom vremenu (RTC) omogućuje integraciju trenutne vrijednosti s vremenom, kako bi se znalo koliko kulona teče.

Slika 7. Osnovna metoda rada Coulombove mjerne metode

Coulombova metoda mjerenja može točno izračunati stanje napunjenosti u stvarnom vremenu tijekom punjenja ili pražnjenja. S brojačem kulona punjenja i kulonskim brojačem pražnjenja može izračunati preostali kapacitet (RM) i puni kapacitet punjenja (FCC). U isto vrijeme, preostali kapacitet (RM) i puni kapacitet punjenja (FCC) također se mogu koristiti za izračunavanje stanja napunjenosti, odnosno (SOC = RM / FCC). Osim toga, može također procijeniti preostalo vrijeme, kao što je iscrpljenje snage (TTE) i puna snaga (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Dva su glavna čimbenika koji uzrokuju odstupanja u točnosti Coulombove metode mjerenja. Prvi je gomilanje pogrešaka pomaka u mjerenju struje i ADC-u. Iako je pogreška mjerenja s trenutnom tehnologijom još uvijek mala, ako ne postoji dobar način da se ona eliminira, pogreška će se povećavati s vremenom. Slika ispod pokazuje da je u praktičnim primjenama, ako nema korekcije u vremenskom trajanju, akumulirana pogreška neograničena.

Slika 9. Kumulativna pogreška Coulombove metode mjerenja

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.

Slika 10. Uvjeti za otklanjanje kumulativne pogreške Coulombove mjerne metode

Drugi glavni čimbenik koji uzrokuje odstupanje točnosti kulonske metode mjerenja je pogreška punog kapaciteta punjenja (FCC), koja je razlika između vrijednosti projektnog kapaciteta baterije i stvarnog kapaciteta punog punjenja baterije. Na puni kapacitet punjenja (FCC) utjecat će temperatura, starenje, opterećenje i drugi čimbenici. Stoga je metoda ponovnog učenja i kompenzacije punog kapaciteta punjenja vrlo važna za kulonsku metodu mjerenja. Sljedeća slika prikazuje fenomen trenda greške stanja napunjenosti kada je puni kapacitet punjenja precijenjen i podcijenjen.

Slika 11. Trend pogreške kada je puni kapacitet punjenja precijenjen i podcijenjen

2.4 Algoritam dinamičkog napona mjerač goriva

Algoritam dinamičkog napona mjerač goriva može izračunati stanje napunjenosti litijeve baterije samo na temelju napona baterije. Ova metoda služi za procjenu povećanja ili smanjenja stanja napunjenosti na temelju razlike između napona baterije i napona otvorenog kruga baterije. Podaci o dinamičkom naponu mogu učinkovito simulirati ponašanje litijeve baterije kako bi se odredilo stanje napunjenosti SOC (%), ali ova metoda ne može procijeniti vrijednost kapaciteta baterije (mAh).

Njegova metoda izračuna temelji se na dinamičkoj razlici između napona baterije i napona otvorenog kruga, korištenjem iterativnog algoritma za izračunavanje svakog povećanja ili smanjenja stanja napunjenosti za procjenu stanja napunjenosti. U usporedbi s rješenjem mjerača goriva s kulonskim mjerenjem, algoritam dinamičkog napona mjerač goriva neće nakupljati pogreške tijekom vremena i struje. Coulomb mjerači goriva obično uzrokuju netočnu procjenu stanja napunjenosti zbog pogrešaka u senzoru struje i samopražnjenja baterije. Čak i ako je trenutna pogreška senzora vrlo mala, brojač kulona nastavit će akumulirati pogrešku, a akumulirana pogreška može se eliminirati samo kada je potpuno napunjen ili potpuno ispražnjen.

Algoritam dinamičkog napona mjerač goriva procjenjuje stanje napunjenosti baterije samo na temelju informacija o naponu; jer se ne procjenjuje trenutnim informacijama baterije, ne akumulira pogreške. Kako bi se poboljšala točnost stanja napunjenosti, algoritam dinamičkog napona treba koristiti stvarni uređaj i prilagoditi parametre optimiziranog algoritma prema stvarnoj krivulji napona baterije kada je potpuno napunjena i potpuno ispražnjena.

Slika 12. Izvedba algoritma dinamičkog napona mjerača goriva i optimizacije pojačanja

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%.

Slika 13. Izvedba stanja napunjenosti algoritma dinamičkog napona u različitim uvjetima brzine pražnjenja

Slika ispod prikazuje performanse stanja napunjenosti kada je baterija kratko napunjena i kratko prazna. Pogreška stanja napunjenosti je još uvijek vrlo mala, a maksimalna pogreška je samo 3%.

Slika 14. Izvedba stanja napunjenosti algoritma dinamičkog napona kada je baterija kratko napunjena i kratko ispražnjena

U usporedbi sa situacijom u kojoj Coulomb mjerni mjerač goriva obično uzrokuje netočno stanje napunjenosti zbog grešaka u senzoru struje i samopražnjenja baterije, algoritam dinamičkog napona ne akumulira pogreške tijekom vremena i struje, što je velika prednost. Budući da nema informacija o struji punjenja/pražnjenja, algoritam dinamičkog napona ima slabu kratkoročnu točnost i sporo vrijeme odziva. Osim toga, ne može procijeniti puni kapacitet punjenja. Međutim, radi dobro u smislu dugoročne točnosti, jer će napon baterije na kraju izravno odražavati njezino stanje napunjenosti.