1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Պետական ​​վճար (SOC)

Լիցքավորման վիճակը կարող է սահմանվել որպես մարտկոցում առկա էլեկտրական էներգիայի վիճակ, որը սովորաբար արտահայտվում է որպես տոկոս: Քանի որ առկա էլեկտրական էներգիան տատանվում է լիցքավորման և լիցքաթափման հոսանքի, ջերմաստիճանի և ծերացման երևույթների հետ կապված, լիցքավորման վիճակի սահմանումը նույնպես բաժանվում է երկու տեսակի՝ Բացարձակ լիցքավորված վիճակ (ASOC) և լիցքավորման հարաբերական վիճակ (հարաբերական վիճակ: -Անվճար, ASOC) Պետական ​​վճար; RSOC): Սովորաբար լիցքավորման հարաբերական վիճակը կազմում է 0%-100%, մինչդեռ մարտկոցը 100% է, երբ լրիվ լիցքավորված է, և 0%, երբ լրիվ լիցքաթափված է: Լիցքավորման բացարձակ վիճակը հղման արժեք է, որը հաշվարկվում է ըստ նախագծված ֆիքսված հզորության արժեքի, երբ մարտկոցը արտադրվում է: Ամբողջովին նոր լրիվ լիցքավորված մարտկոցի բացարձակ լիցքավորման վիճակը 100% է; և նույնիսկ եթե հնացած մարտկոցը լիովին լիցքավորված է, այն չի կարող հասնել 100%-ի տարբեր լիցքավորման և լիցքաթափման պայմաններում:

Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս լարման և մարտկոցի հզորության միջև կապը լիցքաթափման տարբեր արագությունների դեպքում: Որքան բարձր է լիցքաթափման արագությունը, այնքան ցածր է մարտկոցի հզորությունը: Երբ ջերմաստիճանը ցածր է, մարտկոցի հզորությունը նույնպես կնվազի:

Նկար 1.

Լարման և հզորության փոխհարաբերությունները լիցքաթափման տարբեր արագությունների և ջերմաստիճանների դեպքում

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 Լիովին լիցքավորված

Երբ մարտկոցի լարման և լիցքավորման ամենաբարձր լարման միջև տարբերությունը 100 մՎ-ից պակաս է, և լիցքավորման հոսանքն իջնում ​​է մինչև C/10, մարտկոցը կարելի է համարել որպես լիովին լիցքավորված: Մարտկոցի բնութագրերը տարբեր են, և լրիվ լիցքավորման պայմանները նույնպես տարբեր են։

Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս լիթիումի մարտկոցի լիցքավորման բնորոշ կորը: Երբ մարտկոցի լարումը հավասար է լիցքավորման ամենաբարձր լարմանը, և լիցքավորման հոսանքը իջնում ​​է մինչև C/10, մարտկոցը համարվում է լիովին լիցքավորված:

Նկար 2. Լիթիումի մարտկոցի լիցքավորման բնորոշ կորը

1.4 Մինի լիցքաթափման լարում

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 Լիովին լիցքաթափում

Երբ մարտկոցի լարումը պակաս կամ հավասար է նվազագույն լիցքաթափման լարմանը, այն կարելի է անվանել ամբողջական լիցքաթափում:

1.6 Լիցքավորման և լիցքաթափման արագություն (C-Rate)

Լիցքավորման-լիցքաթափման արագությունը լիցքավորման-լիցքաթափման հոսանքի արտահայտությունն է մարտկոցի հզորության համեմատ: Օրինակ, եթե 1C-ն օգտագործվի մեկ ժամ լիցքաթափվելու համար, ապա իդեալականը, մարտկոցը ամբողջությամբ լիցքաթափվի: Լիցքավորման և լիցքաթափման տարբեր տեմպերը կհանգեցնեն օգտագործելի տարբեր հզորությունների: Ընդհանուր առմամբ, որքան մեծ է լիցքաթափման արագությունը, այնքան փոքր է հասանելի հզորությունը:

1.7 Ցիկլային կյանք

Ցիկլերի քանակը մարտկոցի ամբողջական լիցքավորման և լիցքաթափման դեպքերի քանակն է, որը կարելի է գնահատել իրական լիցքաթափման հզորությունից և նախագծային հզորությունից: Երբ կուտակված լիցքաթափման հզորությունը հավասար է նախագծային հզորությանը, ցիկլերի թիվը մեկ անգամ է: Սովորաբար լիցքավորման-լիցքաթափման 500 ցիկլից հետո լրիվ լիցքավորված մարտկոցի հզորությունը նվազում է 10%-ից 20%-ով:

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

1.8 Ինքնալիցքաթափում

Բոլոր մարտկոցների ինքնալիցքաթափումն ավելանում է, երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է: Ինքնալիցքաթափումը հիմնականում ոչ թե արտադրական թերություն է, այլ հենց մարտկոցի բնութագրերը: Այնուամենայնիվ, արտադրական գործընթացում ոչ պատշաճ վարվելը կարող է նաև առաջացնել ինքնահոսքի ավելացում: Ընդհանուր առմամբ, ինքնալիցքաթափման արագությունը կրկնապատկվում է մարտկոցի ջերմաստիճանի յուրաքանչյուր 10°C բարձրացման դեպքում: Լիթիում-իոնային մարտկոցների ամսական ինքնալիցքաթափումը կազմում է մոտ 1~2%, մինչդեռ նիկելի վրա հիմնված տարբեր մարտկոցների ամսական ինքնալիցքաթափումը կազմում է 10-15%:

Նկար 4. Լիթիումային մարտկոցների ինքնալիցքաթափման արագության կատարումը տարբեր ջերմաստիճաններում

2. Մարտկոցի վառելիքի չափիչի ներածություն

2.1 Վառելիքի չափիչի ֆունկցիայի ներածություն

Մարտկոցի կառավարումը կարելի է համարել էներգիայի կառավարման մաս: Մարտկոցի կառավարման մեջ վառելիքի չափիչը պատասխանատու է մարտկոցի հզորությունը գնահատելու համար: Դրա հիմնական գործառույթն է վերահսկել լարումը, լիցքավորման/լիցքաթափման հոսանքը և մարտկոցի ջերմաստիճանը և գնահատել մարտկոցի լիցքավորման վիճակը (SOC) և մարտկոցի լրիվ լիցքավորման հզորությունը (FCC): Մարտկոցի լիցքավորման վիճակը գնահատելու երկու բնորոշ մեթոդ կա՝ բաց միացման լարման մեթոդը (OCV) և կուլոմետրիկ մեթոդը։ Մեկ այլ մեթոդ է RICHTEK-ի կողմից մշակված դինամիկ լարման ալգորիթմը:

2.2 Բաց շղթայի լարման մեթոդ

Բաց շղթայի լարման մեթոդով էլեկտրաէներգիայի հաշվիչն ավելի հեշտ է իրագործվում, և այն կարելի է ձեռք բերել՝ բաց շղթայի լարման լիցքավորման վիճակին համապատասխանող աղյուսակը փնտրելով։ Բաց շղթայի լարման հիպոթետիկ պայմանը մարտկոցի տերմինալի լարումն է, երբ մարտկոցը հանգստանում է մոտ 30 րոպե:

Տարբեր բեռի, ջերմաստիճանի և մարտկոցի ծերացման պայմաններում մարտկոցի լարման կորը տարբեր կլինի: Հետևաբար, ֆիքսված բաց միացում վոլտմետրը չի կարող ամբողջությամբ ներկայացնել լիցքավորման վիճակը. լիցքավորման վիճակը հնարավոր չէ գնահատել միայն աղյուսակը նայելով: Այսինքն, եթե լիցքավորման վիճակը գնահատվի միայն աղյուսակը նայելով, ապա սխալը շատ մեծ կլինի։

Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս, որ մարտկոցի նույն լարումը լիցքավորման և լիցքաթափման տակ է, և բաց միացման լարման մեթոդով հայտնաբերված լիցքավորման վիճակը շատ տարբեր է:

Նկար 5. Մարտկոցի լարումը լիցքավորման և լիցքաթափման ժամանակ

Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս, որ լիցքավորման վիճակը մեծապես տատանվում է տարբեր բեռների տակ լիցքաթափման ժամանակ: Այսպիսով, հիմնականում, բաց միացման լարման մեթոդը հարմար է միայն լիցքավորման վիճակի ճշգրտության ցածր պահանջներով համակարգերի համար, ինչպիսիք են կապարաթթվային մարտկոցների օգտագործումը կամ ավտոմեքենաներում անխափան սնուցման աղբյուրները:

Նկար 6. Մարտկոցի լարումը տարբեր բեռների տակ լիցքաթափման ժամանակ

2.3 Կուլոնի չափման մեթոդ

Կուլոնային չափման մեթոդի գործառնական սկզբունքն է մարտկոցի լիցքավորման/լիցքաթափման ուղու վրա հայտնաբերման դիմադրության միացումը: ADC-ն չափում է հայտնաբերման ռեզիստորի լարումը և այն վերածում լիցքավորվող կամ լիցքաթափվող մարտկոցի ընթացիկ արժեքի: Իրական ժամանակի հաշվիչը (RTC) ապահովում է ընթացիկ արժեքի ինտեգրումը ժամանակի հետ, որպեսզի իմանանք, թե քանի կուլոն է հոսում միջով:

Նկար 7. Կուլոնյան չափման մեթոդի հիմնական աշխատանքային մեթոդը

Կուլոնի չափման մեթոդը կարող է ճշգրիտ հաշվարկել լիցքավորման իրական ժամանակի վիճակը լիցքավորման կամ լիցքաթափման ժամանակ: Լիցքավորման կուլոնե հաշվիչով և լիցքաթափման կուլոնե հաշվիչով այն կարող է հաշվարկել մնացած հզորությունը (RM) և լրիվ լիցքավորման հզորությունը (FCC): Միևնույն ժամանակ, մնացած հզորությունը (RM) և լրիվ լիցքավորման հզորությունը (FCC) կարող են օգտագործվել նաև լիցքավորման վիճակը հաշվարկելու համար, այսինքն (SOC = RM / FCC): Բացի այդ, այն կարող է նաև գնահատել մնացած ժամանակը, ինչպիսիք են էներգիայի սպառումը (TTE) և լրիվ հզորությունը (TTF):

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Գոյություն ունեն երկու հիմնական գործոն, որոնք շեղումներ են առաջացնում Կուլոնի չափման մեթոդի ճշգրտության մեջ. Առաջինը ընթացիկ զգայության և ADC չափման մեջ օֆսեթ սխալների կուտակումն է: Թեև ներկայիս տեխնոլոգիայի հետ չափման սխալը դեռևս փոքր է, եթե այն վերացնելու լավ միջոց չկա, ժամանակի ընթացքում սխալը կավելանա: Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս, որ գործնական կիրառություններում, եթե ժամանակի տևողության ուղղում չկա, ապա կուտակված սխալն անսահմանափակ է:

Նկար 9. Կուլոնյան չափման մեթոդի կուտակային սխալ

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.

Նկար 10. Կուլոնյան չափման մեթոդի կուտակային սխալի վերացման պայմանները.

Կուլոնի չափման մեթոդի ճշգրտության շեղում առաջացնող երկրորդ հիմնական գործոնը լրիվ լիցքավորման հզորության (FCC) սխալն է, որը մարտկոցի նախագծային հզորության արժեքի և մարտկոցի իրական լրիվ լիցքավորման հզորության միջև տարբերությունն է: Ամբողջ լիցքավորման հզորությունը (FCC) կազդի ջերմաստիճանի, ծերացման, ծանրաբեռնվածության և այլ գործոնների վրա: Հետևաբար, լրիվ լիցքավորման հզորության վերաուսուցման և փոխհատուցման մեթոդը շատ կարևոր է կուլոնային չափման մեթոդի համար: Հետևյալ նկարը ցույց է տալիս լիցքավորման վիճակի սխալի միտումի երևույթը, երբ լիցքավորման ամբողջ հզորությունը գերագնահատված և թերագնահատված է:

Նկար 11. Սխալի միտումը, երբ ամբողջ լիցքավորման հզորությունը գերագնահատված և թերագնահատված է

2.4 Վառելիքի դինամիկ լարման ալգորիթմ

Վառելիքի չափիչի դինամիկ լարման ալգորիթմը կարող է հաշվարկել լիթիումի մարտկոցի լիցքավորման վիճակը՝ հիմնվելով միայն մարտկոցի լարման վրա: Այս մեթոդը գնահատում է լիցքավորման վիճակի աճը կամ նվազումը՝ հիմնվելով մարտկոցի լարման և մարտկոցի բաց շղթայի լարման տարբերության վրա: Դինամիկ լարման տեղեկատվությունը կարող է արդյունավետ կերպով նմանակել լիթիումի մարտկոցի վարքը՝ որոշելու լիցքավորման SOC վիճակը (%), սակայն այս մեթոդը չի կարող գնահատել մարտկոցի հզորության արժեքը (mAh):

Դրա հաշվարկման մեթոդը հիմնված է մարտկոցի լարման և բաց շղթայի լարման դինամիկ տարբերության վրա՝ օգտագործելով կրկնվող ալգորիթմ՝ հաշվարկելու լիցքավորման վիճակի յուրաքանչյուր աճ կամ նվազում՝ լիցքավորման վիճակը գնահատելու համար: Համեմատած կուլոնյան չափիչ վառելիքի չափիչի լուծման հետ՝ դինամիկ լարման ալգորիթմի վառելիքի չափիչը ժամանակի և հոսանքի ընթացքում սխալներ չի կուտակի: Կուլոնյան հաշվիչ վառելիքի չափիչները սովորաբար առաջացնում են լիցքավորման վիճակի ոչ ճշգրիտ գնահատում՝ ընթացիկ զգայական սխալների և մարտկոցի ինքնալիցքաթափման պատճառով: Նույնիսկ եթե ընթացիկ զգայության սխալը շատ փոքր է, կուլոնե հաշվիչը կշարունակի կուտակել սխալը, և կուտակված սխալը կարող է վերացվել միայն այն դեպքում, երբ այն ամբողջությամբ լիցքավորվի կամ ամբողջությամբ լիցքաթափվի:

Վառելիքի չափիչի դինամիկ լարման ալգորիթմը գնահատում է մարտկոցի լիցքավորման վիճակը միայն լարման տեղեկատվության միջոցով. քանի որ այն չի գնահատվում մարտկոցի ընթացիկ տեղեկատվությամբ, այն չի կուտակում սխալներ: Լիցքավորման վիճակի ճշգրտությունը բարելավելու համար դինամիկ լարման ալգորիթմը պետք է օգտագործի իրական սարք և կարգավորի օպտիմիզացված ալգորիթմի պարամետրերը ըստ իրական մարտկոցի լարման կորի, երբ այն ամբողջությամբ լիցքավորվի և ամբողջությամբ լիցքաթափվի:

Նկար 12. Վառելիքի չափիչի դինամիկ լարման ալգորիթմի և ձեռքբերման օպտիմիզացում

Ստորև ներկայացված է դինամիկ լարման ալգորիթմի կատարումը լիցքաթափման արագության տարբեր պայմաններում: Նկարից երևում է, որ դրա լիցքավորման վիճակը լավ ճշգրտություն ունի։ Անկախ C/2, C/4, C/7 և C/10 լիցքաթափման պայմաններից, այս մեթոդի լիցքավորման ընդհանուր սխալը 3%-ից պակաս է։

Նկար 13. Դինամիկ լարման ալգորիթմի լիցքավորման վիճակի կատարումը լիցքաթափման արագության տարբեր պայմաններում

Ստորև բերված նկարը ցույց է տալիս լիցքավորման վիճակի կատարումը, երբ մարտկոցը կարճ լիցքավորված է և կարճ լիցքաթափված: Լիցքավորման սխալի վիճակը դեռ շատ փոքր է, իսկ առավելագույն սխալը ընդամենը 3% է:

Նկար 14. Դինամիկ լարման ալգորիթմի լիցքավորման վիճակի կատարումը, երբ մարտկոցը կարճ լիցքավորված է և կարճ լիցքաթափված:

Համեմատած այն իրավիճակի հետ, երբ Coulomb-ի չափիչ վառելիքի չափիչը սովորաբար առաջացնում է լիցքավորման ոչ ճշգրիտ վիճակ հոսանքի ընկալման սխալների և մարտկոցի ինքնալիցքավորման պատճառով, դինամիկ լարման ալգորիթմը ժամանակի և հոսանքի ընթացքում սխալներ չի կուտակում, ինչը մեծ առավելություն է: Քանի որ լիցքավորման/լիցքաթափման հոսանքի մասին տեղեկություն չկա, դինամիկ լարման ալգորիթմն ունի կարճաժամկետ ցածր ճշգրտություն և դանդաղ արձագանքման ժամանակ: Բացի այդ, այն չի կարող գնահատել լիցքավորման ամբողջ հզորությունը: Այնուամենայնիվ, այն լավ է աշխատում երկարաժամկետ ճշգրտության առումով, քանի որ մարտկոցի լարումը ի վերջո ուղղակիորեն կարտացոլի դրա լիցքավորման վիճակը: