1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Keadaan pengisian dapat didefinisikan sebagai keadaan energi listrik yang tersedia dalam baterai, biasanya dinyatakan dalam persentase. Karena energi listrik yang tersedia bervariasi dengan arus pengisian dan pengosongan, suhu, dan fenomena penuaan, definisi keadaan muatan juga dibagi menjadi dua jenis: Keadaan Muatan Muatan (ASOC) dan Keadaan Muatan Relatif (Keadaan Muatan Relatif). -Off-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Biasanya keadaan relatif kisaran pengisian daya adalah 0%-100%, sedangkan baterai 100% saat terisi penuh dan 0% saat kosong. Status pengisian absolut adalah nilai referensi yang dihitung sesuai dengan nilai kapasitas tetap yang dirancang saat baterai diproduksi. Status pengisian absolut dari baterai baru yang terisi penuh adalah 100%; dan bahkan jika baterai yang menua terisi penuh, baterai tidak dapat mencapai 100% dalam kondisi pengisian dan pemakaian yang berbeda.

Gambar di bawah menunjukkan hubungan antara tegangan dan kapasitas baterai pada tingkat debit yang berbeda. Semakin tinggi tingkat debit, semakin rendah kapasitas baterai. Saat suhu rendah, kapasitas baterai juga akan berkurang.

Gambar 1.

Hubungan antara tegangan dan kapasitas pada laju dan suhu pelepasan yang berbeda

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 Terisi Penuh

Ketika perbedaan antara tegangan baterai dan tegangan pengisian tertinggi kurang dari 100mV, dan arus pengisian turun ke C/10, baterai dapat dianggap terisi penuh. Karakteristik baterai berbeda, dan kondisi pengisian penuh juga berbeda.

Gambar di bawah menunjukkan kurva karakteristik pengisian baterai lithium yang khas. Ketika tegangan baterai sama dengan tegangan pengisian tertinggi dan arus pengisian turun ke C/10, baterai dianggap terisi penuh.

Gambar 2. Kurva karakteristik pengisian baterai lithium

1.4 Tegangan Pengosongan Mini

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 Pengosongan Penuh

Ketika tegangan baterai kurang dari atau sama dengan tegangan pelepasan minimum, itu dapat disebut pelepasan penuh.

1.6 Tingkat pengisian dan pengosongan (C-Rate)

Tingkat charge-discharge adalah ekspresi dari arus charge-discharge relatif terhadap kapasitas baterai. Misalnya, jika 1C digunakan untuk mengosongkan selama satu jam, idealnya, baterai akan benar-benar habis. Tingkat pengisian dan pengosongan yang berbeda akan menghasilkan kapasitas yang dapat digunakan yang berbeda. Umumnya, semakin besar tingkat charge-discharge, semakin kecil kapasitas yang tersedia.

1.7 Siklus hidup

Jumlah siklus adalah berapa kali baterai telah mengalami pengisian dan pengosongan lengkap, yang dapat diperkirakan dari kapasitas pengosongan aktual dan kapasitas desain. Setiap kali kapasitas debit akumulasi sama dengan kapasitas desain, jumlah siklus adalah sekali. Biasanya setelah 500 siklus pengisian-pengosongan, kapasitas baterai yang terisi penuh turun 10% ~ 20%.

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

1.8 Pelepasan Diri

Pengosongan otomatis semua baterai meningkat seiring dengan naiknya suhu. Self-discharge pada dasarnya bukan cacat manufaktur, tetapi karakteristik baterai itu sendiri. Namun, penanganan yang tidak tepat dalam proses manufaktur juga dapat menyebabkan peningkatan self-discharge. Umumnya, tingkat self-discharge dua kali lipat untuk setiap kenaikan suhu baterai 10°C. Self-discharge bulanan baterai lithium-ion adalah sekitar 1~2%, sedangkan self-discharge bulanan berbagai baterai berbasis nikel adalah 10-15%.

Gambar 4. Kinerja tingkat self-discharge baterai lithium pada suhu yang berbeda

2. Pengantar Pengukur Bahan Bakar Baterai

2.1 Pengantar Fungsi Pengukur Bahan Bakar

Manajemen baterai dapat dianggap sebagai bagian dari manajemen daya. Dalam manajemen baterai, pengukur bahan bakar bertanggung jawab untuk memperkirakan kapasitas baterai. Fungsi dasarnya adalah untuk memantau tegangan, arus pengisian/pengosongan dan suhu baterai, serta memperkirakan status pengisian baterai (SOC) dan kapasitas pengisian penuh baterai (FCC). Ada dua metode tipikal untuk memperkirakan status pengisian baterai: metode tegangan rangkaian terbuka (OCV) dan metode koulometri. Metode lain adalah algoritma tegangan dinamis yang dirancang oleh RICHTEK.

2.2 Metode tegangan sirkuit terbuka

Meteran listrik yang menggunakan metode tegangan rangkaian terbuka lebih mudah diterapkan, dan dapat diperoleh dengan melihat tabel yang sesuai dengan status pengisian tegangan rangkaian terbuka. Kondisi hipotetis dari tegangan rangkaian terbuka adalah tegangan terminal baterai ketika baterai beristirahat selama sekitar 30 menit.

Di bawah beban yang berbeda, suhu, dan penuaan baterai, kurva tegangan baterai akan berbeda. Oleh karena itu, voltmeter sirkuit terbuka tetap tidak dapat sepenuhnya mewakili status pengisian; keadaan muatan tidak dapat diperkirakan dengan melihat tabel saja. Dengan kata lain, jika keadaan pengisian diperkirakan hanya dengan melihat tabel, kesalahannya akan sangat besar.

Gambar berikut menunjukkan bahwa tegangan baterai yang sama berada di bawah pengisian dan pengosongan, dan keadaan pengisian yang ditemukan oleh metode tegangan rangkaian terbuka sangat berbeda.

Gambar 5. Tegangan baterai di bawah pengisian dan pengosongan

Gambar di bawah menunjukkan bahwa keadaan pengisian sangat bervariasi di bawah beban yang berbeda selama pengosongan. Jadi pada dasarnya, metode tegangan rangkaian terbuka hanya cocok untuk sistem dengan persyaratan rendah untuk akurasi status pengisian, seperti penggunaan baterai timbal-asam atau catu daya tak terputus di mobil.

Gambar 6. Tegangan baterai di bawah beban yang berbeda selama pengosongan

2.3 Metode pengukuran Coulomb

Prinsip pengoperasian metode pengukuran coulomb adalah menghubungkan resistor pendeteksi pada jalur pengisian/pengosongan baterai. ADC mengukur tegangan pada resistor pendeteksi dan mengubahnya menjadi nilai arus baterai yang sedang diisi atau dikosongkan. Penghitung waktu nyata (RTC) menyediakan integrasi nilai arus dengan waktu, untuk mengetahui berapa banyak coulomb yang mengalir.

Gambar 7. Metode kerja dasar metode pengukuran Coulomb

Metode pengukuran Coulomb dapat secara akurat menghitung status pengisian waktu nyata selama pengisian atau pemakaian. Dengan penghitung coulomb pengisian dan penghitung coulomb pengosongan, dapat menghitung sisa kapasitas (RM) dan kapasitas pengisian penuh (FCC). Pada saat yang sama, kapasitas sisa (RM) dan kapasitas pengisian penuh (FCC) juga dapat digunakan untuk menghitung status pengisian, yaitu (SOC = RM / FCC). Selain itu, juga dapat memperkirakan waktu yang tersisa, seperti power exhaustion (TTE) dan full power (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Ada dua faktor utama yang menyebabkan terjadinya penyimpangan dalam akurasi metode pengukuran Coulomb. Yang pertama adalah akumulasi kesalahan offset dalam penginderaan arus dan pengukuran ADC. Meskipun kesalahan pengukuran dengan teknologi saat ini masih kecil, jika tidak ada cara yang baik untuk menghilangkannya, kesalahan akan meningkat seiring waktu. Gambar di bawah menunjukkan bahwa dalam aplikasi praktis, jika tidak ada koreksi dalam durasi waktu, akumulasi kesalahan tidak terbatas.

Gambar 9. Kesalahan kumulatif metode pengukuran Coulomb

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.

Gambar 10. Kondisi untuk menghilangkan kesalahan kumulatif dari metode pengukuran Coulomb

Faktor utama kedua yang menyebabkan penyimpangan akurasi metode pengukuran coulomb adalah kesalahan full charge capacity (FCC), yaitu perbedaan antara nilai kapasitas desain baterai dan kapasitas pengisian penuh baterai yang sebenarnya. Kapasitas pengisian penuh (FCC) akan dipengaruhi oleh suhu, penuaan, beban, dan faktor lainnya. Oleh karena itu, pembelajaran ulang dan metode kompensasi kapasitas muatan penuh sangat penting untuk metode pengukuran coulomb. Gambar berikut menunjukkan fenomena tren keadaan kesalahan pengisian ketika kapasitas pengisian penuh terlalu tinggi dan diremehkan.

Gambar 11. Tren kesalahan saat kapasitas muatan penuh terlalu tinggi dan terlalu rendah

2.4 Pengukur bahan bakar algoritma tegangan dinamis

Pengukur bahan bakar algoritma tegangan dinamis dapat menghitung status pengisian baterai lithium hanya berdasarkan tegangan baterai. Metode ini untuk memperkirakan kenaikan atau penurunan keadaan pengisian berdasarkan perbedaan antara tegangan baterai dan tegangan rangkaian terbuka baterai. Informasi tegangan dinamis dapat secara efektif mensimulasikan perilaku baterai lithium untuk menentukan status pengisian SOC (%), tetapi metode ini tidak dapat memperkirakan nilai kapasitas baterai (mAh).

Metode perhitungannya didasarkan pada perbedaan dinamis antara tegangan baterai dan tegangan rangkaian terbuka, dengan menggunakan algoritma iteratif untuk menghitung setiap kenaikan atau penurunan keadaan pengisian untuk memperkirakan keadaan pengisian. Dibandingkan dengan solusi pengukur bahan bakar pengukur coulomb, pengukur bahan bakar algoritme voltase dinamis tidak akan mengakumulasi kesalahan dari waktu ke waktu dan arus. Pengukur bahan bakar meteran Coulomb biasanya menyebabkan estimasi status pengisian daya yang tidak akurat karena kesalahan penginderaan arus dan pengosongan otomatis baterai. Bahkan jika kesalahan penginderaan saat ini sangat kecil, penghitung coulomb akan terus mengakumulasi kesalahan, dan kesalahan yang terakumulasi hanya dapat dihilangkan ketika terisi penuh atau kosong.

Pengukur bahan bakar algoritme voltase dinamis memperkirakan status pengisian baterai hanya dengan informasi voltase; karena tidak diperkirakan oleh informasi baterai saat ini, itu tidak menumpuk kesalahan. Untuk meningkatkan akurasi status pengisian daya, algoritma tegangan dinamis perlu menggunakan perangkat yang sebenarnya, dan menyesuaikan parameter algoritma yang dioptimalkan sesuai dengan kurva tegangan baterai aktual saat terisi penuh dan habis sepenuhnya.

Gambar 12. Kinerja pengukur bahan bakar algoritme tegangan dinamis dan optimalisasi penguatan

Berikut ini adalah kinerja dari algoritma tegangan dinamis di bawah kondisi tingkat debit yang berbeda. Dapat dilihat dari gambar bahwa state of charge memiliki akurasi yang baik. Terlepas dari kondisi debit C/2, C/4, C/7 dan C/10, keadaan kesalahan pengisian keseluruhan metode ini kurang dari 3%.

Gambar 13. Kinerja status pengisian algoritma tegangan dinamis di bawah kondisi laju pelepasan yang berbeda

Gambar di bawah ini menunjukkan kinerja status pengisian daya saat baterai diisi pendek dan dikosongkan. Status kesalahan pengisian daya masih sangat kecil, dan kesalahan maksimum hanya 3%.

Gambar 14. Performa state of charge dari algoritma tegangan dinamis saat baterai di-charge dan short-discharge.

Dibandingkan dengan situasi di mana pengukur bahan bakar pengukur Coulomb biasanya menyebabkan status pengisian yang tidak akurat karena kesalahan penginderaan arus dan pengosongan baterai sendiri, algoritme tegangan dinamis tidak mengakumulasi kesalahan dari waktu ke waktu dan arus, yang merupakan keuntungan besar. Karena tidak ada informasi tentang arus pengisian/pengosongan, algoritme tegangan dinamis memiliki akurasi jangka pendek yang buruk dan waktu respons yang lambat. Selain itu, tidak dapat memperkirakan kapasitas muatan penuh. Namun, kinerjanya baik dalam hal akurasi jangka panjang, karena tegangan baterai pada akhirnya akan secara langsung mencerminkan status pengisian dayanya.