1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

ניתן להגדיר את מצב הטעינה כמצב האנרגיה החשמלית הזמינה בסוללה, בדרך כלל מבוטא באחוזים. מכיוון שהאנרגיה החשמלית הזמינה משתנה עם זרם הטעינה והפריקה, הטמפרטורה ותופעות ההזדקנות, ההגדרה של מצב המטען מחולקת גם היא לשני סוגים: מצב טעינה מוחלט (ASOC) ומצב טעינה יחסי (מצב טעינה יחסי). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). בדרך כלל טווח הטעינה היחסי הוא 0%-100%, בעוד שהסוללה היא 100% כשהיא טעונה במלואה ו-0% כשהיא ריקה לגמרי. מצב הטעינה המוחלט הוא ערך ייחוס המחושב לפי ערך הקיבולת הקבועה המתוכננת כאשר הסוללה מיוצרת. מצב הטעינה המוחלט של סוללה חדשה לגמרי טעונה במלואה הוא 100%; וגם אם סוללה מזדקנת טעונה במלואה, היא לא יכולה להגיע ל-100% בתנאי טעינה ופריקה שונים.

האיור שלהלן מציג את הקשר בין המתח לקיבולת הסוללה בקצבי פריקה שונים. ככל שקצב הפריקה גבוה יותר, קיבולת הסוללה נמוכה יותר. כאשר הטמפרטורה נמוכה, גם קיבולת הסוללה תרד.

האיור 1.

הקשר בין מתח וקיבולת בקצבי פריקה וטמפרטורות שונות

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 טעון במלואו

כאשר ההבדל בין מתח הסוללה למתח הטעינה הגבוה ביותר הוא פחות מ-100mV, וזרם הטעינה יורד ל-C/10, ניתן להתייחס לסוללה כטעונה במלואה. מאפייני הסוללה שונים, וגם תנאי הטעינה המלאים שונים.

האיור שלהלן מציג עקומת אופייני לטעינת סוללת ליתיום. כאשר מתח הסוללה שווה למתח הטעינה הגבוה ביותר וזרם הטעינה יורד ל-C/10, הסוללה נחשבת טעונה במלואה.

איור 2. עקומה אופיינית לטעינת סוללת ליתיום

1.4 מתח פריקה מיני

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 פריקה מלאה

כאשר מתח הסוללה קטן או שווה למתח הפריקה המינימלי, ניתן לקרוא לזה פריקה מלאה.

1.6 קצב טעינה ופריקה (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 חיי מחזור

מספר המחזורים הוא מספר הפעמים שסוללה עברה טעינה ופריקה מלאה, שניתן להעריך מיכולת הפריקה בפועל ומיכולת התכנון. בכל פעם שכושר הפריקה המצטבר שווה ליכולת התכנון, מספר המחזורים הוא פעם אחת. בדרך כלל לאחר 500 מחזורי טעינה-פריקה, הקיבולת של סוללה טעונה במלואה יורדת ב-10% ~ 20%.

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

1.8 פריקה עצמית

הפריקה העצמית של כל הסוללות עולה ככל שהטמפרטורה עולה. פריקה עצמית היא בעצם לא פגם בייצור, אלא המאפיינים של הסוללה עצמה. עם זאת, טיפול לא נכון בתהליך הייצור יכול גם לגרום לעלייה בפריקה עצמית. בדרך כלל, קצב הפריקה העצמית מכפיל את עצמו עבור כל עלייה של 10 מעלות צלזיוס בטמפרטורת הסוללה. הפריקה העצמית החודשית של סוללות ליתיום-יון היא כ-1~2%, בעוד שהפריקה החודשית של סוללות שונות מבוססות ניקל היא 10-15%.

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

2. מבוא למדד דלק סוללה

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 שיטת מתח במעגל פתוח

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.

תחת עומס, טמפרטורה והזדקנות סוללה שונים, עקומת מתח הסוללה תהיה שונה. לכן, מד מתח קבוע במעגל פתוח אינו יכול לייצג באופן מלא את מצב הטעינה; לא ניתן להעריך את מצב הטעינה על ידי חיפוש בטבלה בלבד. במילים אחרות, אם אומדן מצב הטעינה רק על ידי חיפוש מעלה בטבלה, השגיאה תהיה גדולה מאוד.

האיור הבא מראה שאותו מתח סוללה נמצא בטעינה ופריקה, ומצב הטעינה שנמצא בשיטת המתח הפתוח שונה מאוד.

איור 5. מתח סוללה תחת טעינה ופריקה

האיור שלהלן מראה שמצב הטעינה משתנה מאוד בעומסים שונים במהלך הפריקה. אז בעצם, שיטת המתח הפתוח מתאימה רק למערכות עם דרישות נמוכות לדיוק של מצב הטעינה, כמו שימוש בסוללות עופרת חומצה או אל-פסק במכוניות.

איור 6. מתח סוללה בעומסים שונים במהלך פריקה

2.3 שיטת מדידת קולומב

עקרון הפעולה של שיטת המדידה של קולומב הוא חיבור נגד זיהוי בנתיב הטעינה/פריקה של הסוללה. ה-ADC מודד את המתח על נגד הזיהוי וממיר אותו לערך הנוכחי של הסוללה הנטענת או הפריקה. מונה בזמן אמת (RTC) מספק שילוב של הערך הנוכחי עם הזמן, כדי לדעת כמה קולומבים זורמים.

איור 7. שיטת עבודה בסיסית של שיטת המדידה של קולומב

שיטת המדידה של קולומב יכולה לחשב במדויק את מצב הטעינה בזמן אמת במהלך טעינה או פריקה. עם מונה ה-charge coulomb ו-discharge coulomb מונה, הוא יכול לחשב את הקיבולת הנותרת (RM) ואת קיבולת הטעינה המלאה (FCC). במקביל, ניתן להשתמש בקיבולת הנותרת (RM) וביכולת הטעינה המלאה (FCC) גם כדי לחשב את מצב הטעינה, כלומר (SOC = RM / FCC). בנוסף, הוא יכול גם להעריך את הזמן הנותר, כגון מיצוי כוח (TTE) והספק מלא (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

ישנם שני גורמים עיקריים הגורמים לסטיות בדיוק של שיטת המדידה של קולומב. הראשון הוא הצטברות של שגיאות היסט בחיישת זרם ובמדידת ADC. למרות ששגיאת המדידה בטכנולוגיה הנוכחית עדיין קטנה, אם אין דרך טובה לבטל אותה, השגיאה תגדל עם הזמן. האיור שלהלן מראה כי ביישומים מעשיים, אם אין תיקון במשך הזמן, השגיאה המצטברת היא בלתי מוגבלת.

איור 9. טעות מצטברת של שיטת המדידה של קולומב

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.

איור 10. תנאים לביטול השגיאה המצטברת של שיטת המדידה של קולומב

הגורם העיקרי השני הגורם לסטייה של דיוק שיטת המדידה של קולומב הוא שגיאת קיבולת הטעינה המלאה (FCC), שהיא ההפרש בין ערך קיבולת עיצוב הסוללה לבין קיבולת הטעינה המלאה האמיתית של הסוללה. קיבולת טעינה מלאה (FCC) תושפע מטמפרטורה, הזדקנות, עומס וגורמים אחרים. לכן, שיטת הלמידה מחדש והפיצוי של קיבולת הטעינה המלאה חשובה מאוד עבור שיטת המדידה של קולומב. האיור הבא מציג את תופעת המגמה של שגיאת מצב הטעינה כאשר קיבולת הטעינה המלאה מוערכת יתר על המידה ומזלזלת.

איור 11. מגמת השגיאה כאשר קיבולת הטעינה המלאה מוערכת יתר על המידה ומזלזלת

2.4 אלגוריתם מתח דינמי מד דלק

מד הדלק של אלגוריתם המתח הדינמי יכול לחשב את מצב הטעינה של סוללת הליתיום על סמך מתח הסוללה בלבד. שיטה זו היא להעריך את העלייה או הירידה במצב הטעינה בהתבסס על ההבדל בין מתח הסוללה למתח המעגל הפתוח של הסוללה. מידע המתח הדינמי יכול לדמות ביעילות את התנהגות סוללת הליתיום כדי לקבוע את מצב הטעינה SOC (%), אך שיטה זו אינה יכולה להעריך את ערך קיבולת הסוללה (mAh).

שיטת החישוב שלו מבוססת על ההבדל הדינמי בין מתח הסוללה למתח המעגל הפתוח, על ידי שימוש באלגוריתם איטרטיבי לחישוב כל עלייה או ירידה במצב הטעינה כדי להעריך את מצב הטעינה. בהשוואה לפתרון של מד הדלק של מדידת קולומב, מד הדלק של אלגוריתם המתח הדינמי לא יצבור שגיאות לאורך זמן וזרם. מדי דלק מדידי קולומב גורמים בדרך כלל לאומדן לא מדויק של מצב הטעינה עקב שגיאות חישת זרם ופריקה עצמית של הסוללה. גם אם שגיאת החישה הנוכחית קטנה מאוד, מונה הקולומב ימשיך לצבור את השגיאה, וניתן לבטל את השגיאה המצטברת רק כאשר הוא נטען במלואו או ריק לחלוטין.

מד הדלק של אלגוריתם המתח הדינמי מעריך את מצב הטעינה של הסוללה רק לפי מידע מתח; מכיוון שהוא אינו מוערך לפי המידע הנוכחי של הסוללה, הוא אינו צובר שגיאות. על מנת לשפר את הדיוק של מצב הטעינה, אלגוריתם המתח הדינמי צריך להשתמש במכשיר בפועל, ולהתאים את הפרמטרים של אלגוריתם אופטימלי בהתאם לעקומת מתח הסוללה בפועל כשהיא טעונה במלואה ופריקה מלאה.

איור 12. ביצועים של אלגוריתם מתח דינמי מד דלק ואופטימיזציה של רווח

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%.

איור 13. הביצועים של מצב המטען של אלגוריתם המתח הדינמי בתנאי קצב פריקה שונים

האיור שלהלן מציג את הביצועים של מצב הטעינה כאשר הסוללה טעונה וקצרה. שגיאת מצב הטעינה עדיין קטנה מאוד, והשגיאה המקסימלית היא רק 3%.

איור 14. הביצועים של מצב הטעינה של אלגוריתם המתח הדינמי כאשר הסוללה טעונה קצרה ופריקה קצרה

בהשוואה למצב שבו מד הדלק של מדידת קולומב גורם בדרך כלל למצב טעינה לא מדויק עקב שגיאות חישת זרם ופריקה עצמית של הסוללה, אלגוריתם המתח הדינמי אינו צובר שגיאות לאורך זמן וזרם, וזה יתרון גדול. מכיוון שאין מידע על זרם הטעינה/הפריקה, לאלגוריתם המתח הדינמי יש דיוק לקוי לטווח קצר וזמן תגובה איטי. בנוסף, הוא לא יכול להעריך את קיבולת הטעינה המלאה. עם זאת, הוא מתפקד היטב במונחים של דיוק לטווח ארוך, מכיוון שמתח הסוללה בסופו של דבר ישקף ישירות את מצב הטעינה שלה.