1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Stato di carica (SOC)

Lo stato di carica può essere definito come lo stato di energia elettrica disponibile nella batteria, solitamente espresso in percentuale. Poiché l’energia elettrica disponibile varia con la corrente di carica e scarica, la temperatura e i fenomeni di invecchiamento, anche la definizione di stato di carica è divisa in due tipi: Absolute State-Of-Charge (ASOC) e Relative State-of-Charge (Relative State-Of-Charge -Of-Charge; ASOC) Stato-Of-Charge; RSOC). Normalmente l’intervallo relativo dello stato di carica è 0%-100%, mentre la batteria è 100% quando è completamente carica e 0% quando è completamente scarica. Lo stato di carica assoluto è un valore di riferimento calcolato in base al valore di capacità fissa progettato al momento della produzione della batteria. Lo stato di carica assoluto di una batteria completamente carica nuova di zecca è del 100%; e anche se una batteria obsoleta è completamente carica, non può raggiungere il 100% in diverse condizioni di carica e scarica.

La figura seguente mostra la relazione tra la tensione e la capacità della batteria a diverse velocità di scarica. Maggiore è la velocità di scarica, minore è la capacità della batteria. Quando la temperatura è bassa, diminuisce anche la capacità della batteria.

Immagine 1.

La relazione tra tensione e capacità a diverse velocità di scarica e temperature

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 Completamente carico

Quando la differenza tra la tensione della batteria e la tensione di carica massima è inferiore a 100 mV e la corrente di carica scende a C/10, la batteria può essere considerata completamente carica. Le caratteristiche della batteria sono diverse e anche le condizioni di carica completa sono diverse.

La figura seguente mostra una tipica curva caratteristica di carica di una batteria al litio. Quando la tensione della batteria è uguale alla tensione di carica più alta e la corrente di carica scende a C/10, la batteria è considerata completamente carica.

Figura 2. Curva caratteristica di carica della batteria al litio

1.4 Mini tensione di scarica

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 Scarica completamente

Quando la tensione della batteria è inferiore o uguale alla tensione di scarica minima, si può parlare di scarica completa.

1.6 Velocità di carica e scarica (C-Rate)

La velocità di carica-scarica è un’espressione della corrente di carica-scarica relativa alla capacità della batteria. Ad esempio, se 1C viene utilizzato per scaricarsi per un’ora, idealmente la batteria sarà completamente scarica. Differenti velocità di carica e scarica si tradurranno in differenti capacità utilizzabili. In genere, maggiore è la velocità di carica-scarica, minore è la capacità disponibile.

1.7 Ciclo di vita

Il numero di cicli è il numero di volte in cui una batteria è stata completamente caricata e scaricata, che può essere stimata dalla capacità di scarica effettiva e dalla capacità di progetto. Ogni volta che la capacità di scarico accumulata è uguale alla capacità di progetto, il numero di cicli è una volta. Di solito dopo 500 cicli di carica-scarica, la capacità di una batteria completamente carica diminuisce del 10% ~ 20%.

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

1.8 Autoscarica

L’autoscarica di tutte le batterie aumenta all’aumentare della temperatura. L’autoscarica non è sostanzialmente un difetto di fabbricazione, ma le caratteristiche della batteria stessa. Tuttavia, una manipolazione impropria nel processo di produzione può anche causare un aumento dell’autoscarica. In genere, la velocità di autoscarica raddoppia per ogni aumento di 10°C della temperatura della batteria. L’autoscarica mensile delle batterie agli ioni di litio è di circa 1~2%, mentre l’autoscarica mensile di varie batterie a base di nichel è del 10-15%.

Figura 4. Le prestazioni del tasso di autoscarica delle batterie al litio a diverse temperature

2. Introduzione all’indicatore del livello di carica della batteria

2.1 Introduzione alla funzione di indicatore del carburante

La gestione della batteria può essere considerata parte della gestione dell’alimentazione. Nella gestione della batteria, l’indicatore del carburante è responsabile della stima della capacità della batteria. La sua funzione di base è monitorare la tensione, la corrente di carica/scarica e la temperatura della batteria e stimare lo stato di carica della batteria (SOC) e la capacità di carica completa della batteria (FCC). Esistono due metodi tipici per stimare lo stato di carica di una batteria: il metodo della tensione a circuito aperto (OCV) e il metodo coulometrico. Un altro metodo è l’algoritmo di tensione dinamica progettato da RICHTEK.

2.2 Metodo della tensione a circuito aperto

Il contatore elettrico che utilizza il metodo della tensione a circuito aperto è più facile da implementare e può essere ottenuto consultando la tabella corrispondente allo stato di carica della tensione a circuito aperto. La condizione ipotetica della tensione a circuito aperto è la tensione ai terminali della batteria quando la batteria è a riposo per circa 30 minuti.

In condizioni di carico, temperatura e invecchiamento della batteria diversi, la curva della tensione della batteria sarà diversa. Pertanto, un voltmetro fisso a circuito aperto non può rappresentare completamente lo stato di carica; lo stato di carica non può essere stimato solo consultando la tabella. In altre parole, se lo stato di carica viene stimato solo guardando la tabella, l’errore sarà molto grande.

La figura seguente mostra che la stessa tensione della batteria è in carica e scarica e lo stato di carica rilevato dal metodo della tensione a circuito aperto è molto diverso.

Figura 5. Tensione della batteria in carica e scarica

La figura seguente mostra che lo stato di carica varia notevolmente in base a carichi diversi durante la scarica. Quindi, fondamentalmente, il metodo della tensione a circuito aperto è adatto solo per sistemi con bassi requisiti per la precisione dello stato di carica, come l’uso di batterie al piombo o gruppi di continuità nelle automobili.

Figura 6. Tensione della batteria sotto diversi carichi durante la scarica

2.3 Metodo di misurazione Coulomb

Il principio di funzionamento del metodo di misurazione coulomb consiste nel collegare una resistenza di rilevamento sul percorso di carica/scarica della batteria. L’ADC misura la tensione sulla resistenza di rilevamento e la converte nel valore corrente della batteria in carica o scarica. Il contatore in tempo reale (RTC) prevede l’integrazione del valore della corrente con il tempo, in modo da sapere quanti Coulomb sono attraversati.

Figura 7. Metodo di lavoro di base del metodo di misurazione Coulomb

Il metodo di misurazione Coulomb può calcolare con precisione lo stato di carica in tempo reale durante la carica o la scarica. Con il contatore di coulomb di carica e il contatore di coulomb di scarica, può calcolare la capacità residua (RM) e la capacità di carica completa (FCC). Allo stesso tempo, la capacità residua (RM) e la capacità di carica completa (FCC) possono essere utilizzate anche per calcolare lo stato di carica, ovvero (SOC = RM / FCC). Inoltre, può anche stimare il tempo rimanente, come l’esaurimento della potenza (TTE) e la piena potenza (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Ci sono due fattori principali che causano deviazioni nella precisione del metodo di misurazione Coulomb. Il primo è l’accumulo di errori di offset nel rilevamento della corrente e nella misurazione dell’ADC. Sebbene l’errore di misurazione con la tecnologia attuale sia ancora piccolo, se non esiste un buon modo per eliminarlo, l’errore aumenterà con il tempo. La figura seguente mostra che nelle applicazioni pratiche, se non c’è correzione nella durata del tempo, l’errore accumulato è illimitato.

Figura 9. Errore cumulativo del metodo di misurazione 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.

Figura 10. Condizioni per eliminare l’errore cumulativo del metodo di misurazione Coulomb

Il secondo fattore principale che causa la deviazione dell’accuratezza del metodo di misurazione coulomb è l’errore della capacità di piena carica (FCC), che è la differenza tra il valore della capacità di progettazione della batteria e la reale capacità di carica completa della batteria. La capacità di carica completa (FCC) sarà influenzata da temperatura, invecchiamento, carico e altri fattori. Pertanto, il metodo di riapprendimento e compensazione della piena capacità di carica è molto importante per il metodo di misurazione coulomb. La figura seguente mostra il fenomeno dell’andamento dell’errore di stato di carica quando la capacità di carica completa è sovrastimata e sottostimata.

Figura 11. La tendenza dell’errore quando la capacità di carica completa è sovrastimata e sottostimata

2.4 Indicatore livello carburante con algoritmo di tensione dinamica

L’indicatore del livello di carica dell’algoritmo della tensione dinamica può calcolare lo stato di carica della batteria al litio in base solo alla tensione della batteria. Questo metodo consente di stimare l’aumento o la diminuzione dello stato di carica in base alla differenza tra la tensione della batteria e la tensione a circuito aperto della batteria. Le informazioni sulla tensione dinamica possono simulare efficacemente il comportamento della batteria al litio per determinare lo stato di carica SOC (%), ma questo metodo non può stimare il valore della capacità della batteria (mAh).

Il suo metodo di calcolo si basa sulla differenza dinamica tra la tensione di batteria e la tensione a circuito aperto, utilizzando un algoritmo iterativo per calcolare ogni aumento o diminuzione dello stato di carica per stimare lo stato di carica. Rispetto alla soluzione dell’indicatore del carburante con misurazione coulomb, l’indicatore del carburante con algoritmo di tensione dinamico non accumulerà errori nel tempo e nella corrente. Gli indicatori di livello carburante di misurazione Coulomb di solito causano una stima imprecisa dello stato di carica a causa di errori di rilevamento della corrente e autoscarica della batteria. Anche se l’errore di rilevamento della corrente è molto piccolo, il contatore di Coulomb continuerà ad accumulare l’errore e l’errore accumulato può essere eliminato solo quando è completamente carico o completamente scarico.

L’indicatore del livello di carica dell’algoritmo dinamico della tensione stima lo stato di carica della batteria solo in base alle informazioni sulla tensione; poiché non è stimato dalle informazioni attuali della batteria, non accumula errori. Per migliorare la precisione dello stato di carica, l’algoritmo di tensione dinamica deve utilizzare un dispositivo reale e regolare i parametri di un algoritmo ottimizzato in base alla curva di tensione effettiva della batteria quando è completamente carica e completamente scarica.

Figura 12. Prestazioni dell’indicatore del carburante dell’algoritmo della tensione dinamica e ottimizzazione del guadagno

Di seguito sono riportate le prestazioni dell’algoritmo della tensione dinamica in diverse condizioni di velocità di scarica. Si può vedere dalla figura che il suo stato di carica ha una buona precisione. Indipendentemente dalle condizioni di scarica di C/2, C/4, C/7 e C/10, l’errore di stato di carica complessivo di questo metodo è inferiore al 3%.

Figura 13. Le prestazioni dello stato di carica dell’algoritmo di tensione dinamica in diverse condizioni di velocità di scarica

La figura seguente mostra le prestazioni dello stato di carica quando la batteria viene caricata brevemente e scaricata brevemente. L’errore di stato di carica è ancora molto piccolo e l’errore massimo è solo del 3%.

Figura 14. Le prestazioni dello stato di carica dell’algoritmo della tensione dinamica quando la batteria viene caricata e scaricata brevemente

Rispetto alla situazione in cui l’indicatore del carburante di misurazione Coulomb di solito causa uno stato di carica impreciso a causa di errori di rilevamento della corrente e autoscarica della batteria, l’algoritmo della tensione dinamica non accumula errori nel tempo e nella corrente, il che è un grande vantaggio. Poiché non sono disponibili informazioni sulla corrente di carica/scarica, l’algoritmo della tensione dinamica ha una scarsa precisione a breve termine e tempi di risposta lenti. Inoltre, non può stimare la capacità di carica completa. Tuttavia, funziona bene in termini di precisione a lungo termine, perché la tensione della batteria rifletterà direttamente il suo stato di carica.