1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Töltési állapot (SOC)

A töltöttségi állapot az akkumulátorban rendelkezésre álló elektromos energia állapotaként határozható meg, általában százalékban kifejezve. Mivel a rendelkezésre álló elektromos energia a töltési és kisülési áram, a hőmérséklet és az öregedési jelenségek függvényében változik, a töltési állapot meghatározása is két típusra oszlik: abszolút töltési állapotra (ASOC) és relatív töltési állapotra (relatív állapot). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normális esetben a relatív töltöttségi tartomány 0–100%, míg az akkumulátor 100% teljesen feltöltött állapotban és 0%, amikor teljesen lemerült. Az abszolút töltöttségi állapot az akkumulátor gyártása során tervezett rögzített kapacitásérték alapján számított referenciaérték. Egy teljesen új, teljesen feltöltött akkumulátor abszolút töltöttségi állapota 100%; és még ha egy elöregedett akkumulátor teljesen feltöltött is, akkor sem érheti el a 100%-ot különböző töltési és kisütési körülmények között.

Az alábbi ábra a feszültség és az akkumulátor kapacitása közötti összefüggést mutatja különböző kisütési sebességeknél. Minél nagyobb a kisülési sebesség, annál kisebb az akkumulátor kapacitása. Ha a hőmérséklet alacsony, az akkumulátor kapacitása is csökken.

Ábra 1.

A feszültség és a kapacitás kapcsolata különböző kisülési sebességeken és hőmérsékleteken

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 Teljesen feltöltve

Ha az akkumulátor feszültsége és a legmagasabb töltési feszültség közötti különbség kisebb, mint 100 mV, és a töltőáram C/10-re csökken, az akkumulátor teljesen feltöltöttnek tekinthető. Az akkumulátor jellemzői eltérőek, és a teljes töltési feltételek is eltérőek.

Az alábbi ábra egy tipikus lítium akkumulátor töltési jelleggörbéjét mutatja. Ha az akkumulátor feszültsége megegyezik a legmagasabb töltési feszültséggel, és a töltőáram C/10-re csökken, az akkumulátort teljesen feltöltöttnek tekintjük.

2. ábra Lítium akkumulátor töltési jelleggörbe

1.4 Mini kisülési feszültség

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 Teljes kisütés

Ha az akkumulátor feszültsége kisebb vagy egyenlő, mint a minimális kisülési feszültség, azt teljes kisülésnek nevezhetjük.

1.6 Töltési és kisütési sebesség (C-Rate)

A töltési-kisütési sebesség a töltés-kisülési áram kifejezése az akkumulátor kapacitásához viszonyítva. Például, ha az 1C-t egy órán keresztül használjuk kisütésre, ideális esetben az akkumulátor teljesen lemerül. Az eltérő töltési és kisütési sebesség eltérő használható kapacitást eredményez. Általában minél nagyobb a töltési-kisütési sebesség, annál kisebb a rendelkezésre álló kapacitás.

1.7 Élettartam

A ciklusok száma az akkumulátor teljes feltöltésének és kisütésének a száma, amely a tényleges kisütési kapacitásból és a tervezési kapacitásból becsülhető meg. Amikor a felhalmozott kisülési kapacitás megegyezik a tervezett kapacitással, a ciklusok száma egyszer. Általában 500 töltési-kisütési ciklus után a teljesen feltöltött akkumulátor kapacitása 10-20%-kal csökken.

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

1.8 Önkisülés

Az összes akkumulátor önkisülése növekszik a hőmérséklet emelkedésével. Az önkisülés alapvetően nem gyártási hiba, hanem magának az akkumulátornak a jellemzői. A gyártási folyamat helytelen kezelése azonban az önkisülés növekedését is okozhatja. Általában az önkisülési sebesség megduplázódik az akkumulátor hőmérsékletének minden 10°C-os növekedésével. A lítium-ion akkumulátorok havi önkisülése körülbelül 1-2%, míg a különféle nikkel alapú akkumulátorok havi önkisülése 10-15%.

4. ábra Lítium akkumulátorok önkisülési sebességének teljesítménye különböző hőmérsékleteken

2. Bevezetés az akkumulátor-üzemanyag-mérőbe

2.1 Bevezetés az üzemanyagszint-mérő funkcióba

Az akkumulátorkezelés az energiagazdálkodás részének tekinthető. Az akkumulátorkezelésben az üzemanyagszint-jelző felelős az akkumulátor kapacitásának becsléséért. Alapvető funkciója a feszültség, a töltő/kisütési áram és az akkumulátor hőmérsékletének figyelése, valamint az akkumulátor töltöttségi állapotának (SOC) és az akkumulátor teljes töltési kapacitásának (FCC) becslése. Két tipikus módszer létezik az akkumulátor töltöttségi állapotának becslésére: a nyitott áramköri feszültség módszer (OCV) és a coulometriás módszer. Egy másik módszer a RICHTEK által tervezett dinamikus feszültség algoritmus.

2.2 Nyitott áramköri feszültség módszer

Könnyebben kivitelezhető a nyitott áramköri feszültség módszerrel működő villanyóra, amely a szakadási feszültség töltési állapotának megfelelő táblázatban megkereshető. A szakadási feszültség feltételezett állapota az akkumulátor kapocsfeszültsége, amikor az akkumulátor körülbelül 30 percig pihen.

Különböző terhelés, hőmérséklet és akkumulátor öregedés esetén az akkumulátor feszültséggörbéje eltérő lesz. Ezért a rögzített, nyitott áramkörű voltmérő nem képes teljes mértékben reprezentálni a töltöttségi állapotot; a töltési állapot nem becsülhető meg pusztán a táblázat felkutatásával. Más szóval, ha a töltési állapotot csak a táblázatból kikeresve becsüljük meg, a hiba nagyon nagy lesz.

A következő ábra azt mutatja, hogy ugyanaz az akkumulátorfeszültség van töltés és kisütés alatt, és a nyitott áramköri feszültség módszerrel megállapított töltési állapot nagyon eltérő.

5. ábra Az akkumulátor feszültsége töltés és kisütés alatt

Az alábbi ábra azt mutatja, hogy a töltési állapot nagymértékben változik a kisütés során a különböző terhelések hatására. Tehát alapvetően a nyitott áramkörű feszültség módszer csak olyan rendszerekben alkalmazható, amelyeknél alacsony a töltési állapot pontosságának követelménye, mint például az ólom-savas akkumulátorok vagy a szünetmentes tápegységek használata az autókban.

6. ábra Akkumulátorfeszültség különböző terheléseknél kisütés közben

2.3 Coulomb mérési módszer

A coulomb mérési módszer működési elve az, hogy az akkumulátor töltési/kisütési útvonalára érzékelő ellenállást kell csatlakoztatni. Az ADC méri a feszültséget az érzékelési ellenálláson, és átalakítja azt a töltő vagy lemerülő akkumulátor aktuális értékévé. A valós idejű számláló (RTC) biztosítja az aktuális érték és az idő integrálását, hogy megtudja, hány coulomb áramlik át.

7. ábra A Coulomb mérési módszer alapvető munkamódszere

A Coulomb mérési módszerrel pontosan kiszámítható a valós idejű töltöttségi állapot töltés vagy kisütés közben. A töltés coulomb számlálóval és a kisülési coulomb számlálóval ki tudja számítani a fennmaradó kapacitást (RM) és a teljes töltési kapacitást (FCC). Ugyanakkor a fennmaradó kapacitás (RM) és a teljes töltési kapacitás (FCC) is felhasználható a töltöttségi állapot kiszámítására, azaz (SOC = RM / FCC). Ezenkívül meg tudja becsülni a hátralévő időt, például az energiakimerülést (TTE) és a teljes teljesítményt (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Két fő tényező okoz eltérést a Coulomb mérési módszer pontosságában. Az első az eltolási hibák felhalmozódása az áramérzékelés és az ADC mérés során. Bár a mérési hiba a jelenlegi technológiával még kicsi, de ha nincs jó módszer a kiküszöbölésére, a hiba idővel nőni fog. Az alábbi ábra azt mutatja, hogy a gyakorlati alkalmazásokban, ha nincs korrekció az időtartamban, a halmozott hiba korlátlan.

9. ábra Coulomb mérési módszer kumulatív hibája

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.

10. ábra A Coulomb mérési módszer kumulatív hibájának kiküszöbölésének feltételei

A coulomb mérési módszer pontosságának eltérését okozó második fő tényező a teljes töltési kapacitás (FCC) hiba, amely az akkumulátor tervezési kapacitásának értéke és az akkumulátor valódi teljes töltési kapacitása közötti különbség. A teljes töltési kapacitást (FCC) befolyásolja a hőmérséklet, az öregedés, a terhelés és egyéb tényezők. Ezért a teljes töltési kapacitás újratanulása és kompenzálása nagyon fontos a coulomb mérési módszer szempontjából. A következő ábra a töltöttségi állapot hibájának trendjelenségét mutatja, amikor a teljes töltési kapacitást túl- és alulbecsülik.

11. ábra: A hibatrend a teljes töltési kapacitás túl- és alulbecslése esetén

2.4 Dinamikus feszültség-algoritmus üzemanyagszint-mérő

A dinamikus feszültség-algoritmus üzemanyagmérő csak az akkumulátor feszültsége alapján tudja kiszámítani a lítium akkumulátor töltöttségi állapotát. Ez a módszer a töltöttségi állapot növekedésének vagy csökkenésének becslésére szolgál az akkumulátor feszültsége és az akkumulátor nyitott áramköri feszültsége közötti különbség alapján. A dinamikus feszültséginformáció hatékonyan képes szimulálni a lítium akkumulátor viselkedését a SOC töltöttségi állapot meghatározásához (%), de ez a módszer nem tudja megbecsülni az akkumulátor kapacitását (mAh).

Számítási módszere az akkumulátor feszültsége és a nyitott áramköri feszültség közötti dinamikus különbségen alapul, egy iteratív algoritmus segítségével a töltési állapot növekedésének vagy csökkenésének kiszámításához a töltési állapot becsléséhez. A coulomb adagoló tüzelőanyag-mérő megoldásához képest a dinamikus feszültség-algoritmus tüzelőanyag-mérő nem halmoz fel hibákat az idő és az áram múlásával. A Coulomb-mérés üzemanyagmérők általában pontatlan becslést okoznak a töltöttségi állapotról az áramérzékelési hibák és az akkumulátor önkisülése miatt. Még ha az aktuális érzékelési hiba nagyon kicsi is, a coulomb-számláló továbbra is gyűjti a hibát, és a felhalmozott hiba csak teljesen feltöltött vagy teljesen lemerült állapotban szüntethető meg.

A dinamikus feszültség-algoritmus üzemanyagmérő csak a feszültséginformációk alapján becsüli meg az akkumulátor töltöttségi állapotát; mivel nem becsülik meg az akkumulátor aktuális információi alapján, nem halmoz fel hibákat. A töltési állapot pontosságának javítása érdekében a dinamikus feszültség-algoritmusnak tényleges eszközt kell használnia, és egy optimalizált algoritmus paramétereit az aktuális akkumulátorfeszültség-görbe szerint kell beállítania, amikor az teljesen fel van töltve és teljesen lemerült.

12. ábra: Dinamikus feszültség-algoritmus üzemanyagmérő teljesítménye és erősítési optimalizálása

Az alábbiakban bemutatjuk a dinamikus feszültség-algoritmus teljesítményét különböző kisülési sebességi feltételek mellett. Az ábrán látható, hogy töltési állapota jó pontosságú. A C/2, C/4, C/7 és C/10 kisütési körülményeitől függetlenül ennek a módszernek a teljes töltöttségi állapotának hibája kevesebb, mint 3%.

13. ábra A dinamikus feszültség-algoritmus töltési állapotának teljesítménye különböző kisülési sebességi feltételek mellett

Az alábbi ábra a töltöttségi állapot teljesítményét mutatja röviden töltött és kisütött akkumulátor esetén. A töltési állapot hiba továbbra is nagyon kicsi, a maximális hiba pedig mindössze 3%.

14. ábra: A dinamikus feszültség algoritmus töltöttségi állapotának teljesítménye az akkumulátor rövid töltése és kisütése esetén

Ahhoz képest, hogy a Coulomb adagoló üzemanyagszint-mérő rendszerint pontatlan töltési állapotot okoz az áramérzékelési hibák és az akkumulátor önkisülése miatt, a dinamikus feszültség-algoritmus nem halmoz fel hibákat az idő és az áram múlásával, ami nagy előny. Mivel nincs információ a töltő/kisütési áramról, a dinamikus feszültség algoritmus rövid távú pontossága és válaszideje lassú. Ráadásul nem tudja megbecsülni a teljes töltési kapacitást. A hosszú távú pontosság szempontjából azonban jól teljesít, mert az akkumulátor feszültsége végül közvetlenül tükrözi a töltöttségi állapotát.