1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1充電状態（SOC）

充電状態は、バッテリーで利用可能な電気エネルギーの状態として定義でき、通常はパーセンテージで表されます。 利用可能な電気エネルギーは、充電および放電電流、温度、および経年劣化現象によって変化するため、充電状態の定義も、絶対充電状態（ASOC）と相対充電状態（相対状態）の0つのタイプに分けられます。 -充電状態; ASOC）充電状態; RSOC）。 通常、相対的な充電状態の範囲は100％〜100％ですが、バッテリーは完全に充電されると0％、完全に放電されると100％になります。 絶対充電状態は、バッテリー製造時の設計固定容量値に基づいて計算された基準値です。 新品の完全に充電されたバッテリーの絶対充電状態は100％です。 また、古くなったバッテリーが完全に充電されていても、さまざまな充電条件と放電条件でXNUMX％に達することはできません。

下の図は、さまざまな放電率での電圧とバッテリー容量の関係を示しています。 放電率が高いほど、バッテリー容量は少なくなります。 温度が低いと、バッテリー容量も減少します。

図1。

異なる放電速度と温度での電圧と容量の関係

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フル充電

バッテリー電圧と最高充電電圧の差が100mV未満で、充電電流がC / 10に低下した場合、バッテリーは完全に充電されたと見なすことができます。 バッテリーの特性が異なり、フル充電条件も異なります。

下の図は、典型的なリチウム電池の充電特性曲線を示しています。 バッテリー電圧が最高充電電圧に等しく、充電電流がC / 10に低下すると、バッテリーは完全に充電されたと見なされます。

図2.リチウム電池の充電特性曲線

1.4ミニ放電電圧

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完全放電

バッテリー電圧が最小放電電圧以下の場合、完全放電と呼ぶことができます。

1.6充放電率（C-Rate）

充放電率は、バッテリー容量に対する充放電電流の表現です。 たとえば、1Cを使用してXNUMX時間放電すると、理想的にはバッテリーは完全に放電されます。 充電率と放電率が異なると、使用可能な容量も異なります。 一般に、充放電率が大きいほど、使用可能な容量は小さくなります。

1.7サイクル寿命

サイクル数は、バッテリーが完全に充電および放電された回数であり、実際の放電容量と設計容量から見積もることができます。 累積放電容量が設計容量と等しい場合は常に、サイクル数は500回です。 通常、10回の充放電サイクルの後、完全に充電されたバッテリーの容量は20％〜XNUMX％低下します。

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

1.8自己放電

すべてのバッテリーの自己放電は、温度が上昇するにつれて増加します。 自己放電は基本的に製造上の欠陥ではなく、バッテリー自体の特性です。 ただし、製造プロセスでの不適切な取り扱いは、自己放電の増加を引き起こす可能性もあります。 一般に、自己放電率は、バッテリー温度が10°C上昇するごとに1倍になります。 リチウムイオン電池の月間自己放電は約2〜10％ですが、さまざまなニッケルベースの電池の月間自己放電は15〜XNUMX％です。

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

2.バッテリー残量ゲージの概要

2.1残量ゲージ機能の概要

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開回路電圧法

開回路電圧法を使用した電力量計は、実装が簡単で、開回路電圧の充電状態に対応する表を調べることで取得できます。 開回路電圧の仮定条件は、バッテリーが約30分間休止したときのバッテリー端子電圧です。

負荷、温度、バッテリーの経年変化が異なると、バッテリーの電圧曲線も異なります。 したがって、固定開回路電圧計は充電状態を完全に表すことはできません。 表だけで充電状態を推定することはできません。 つまり、テーブルを見上げるだけで充電状態を推定すると、誤差が非常に大きくなります。

次の図は、同じバッテリー電圧が充電と放電を行っており、開回路電圧法で検出された充電状態が大きく異なることを示しています。

図5.充電および放電中のバッテリー電圧

下の図は、放電中の負荷が異なると充電状態が大きく変化することを示しています。 したがって、基本的に、開回路電圧方式は、自動車での鉛蓄電池や無停電電源装置の使用など、充電状態の精度に対する要件が低いシステムにのみ適しています。

図6.放電中のさまざまな負荷の下でのバッテリー電圧

2.3クーロン測定方法

クーロン測定法の動作原理は、バッテリーの充電/放電経路に検出抵抗を接続することです。 ADCは検出抵抗の電圧を測定し、それを充電中または放電中のバッテリーの電流値に変換します。 リアルタイムカウンター（RTC）は、現在の値と時間の積分を提供し、通過するクーロンの数を把握します。

図7.クーロン測定法の基本的な作業方法

クーロン測定法は、充電中または放電中の充電状態をリアルタイムで正確に計算できます。 充電クーロンカウンターと放電クーロンカウンターを使用して、残り容量（RM）と全充電容量（FCC）を計算できます。 同時に、残り容量（RM）と全充電容量（FCC）を使用して、充電状態を計算することもできます。つまり、（SOC = RM / FCC）です。 さらに、電力枯渇（TTE）やフルパワー（TTF）などの残り時間を見積もることもできます。

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

クーロン測定法の精度の偏差を引き起こすXNUMXつの主な要因があります。 XNUMXつ目は、電流検出とADC測定におけるオフセット誤差の蓄積です。 現在の技術での測定誤差はまだ小さいですが、それを排除する良い方法がない場合、誤差は時間とともに増加します。 下の図は、実際のアプリケーションでは、期間に修正がない場合、累積誤差が無制限であることを示しています。

図9.クーロン測定法の累積誤差

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.

図10.クーロン測定法の累積誤差を排除するための条件

クーロン測定法の精度の偏差を引き起こすXNUMX番目の主な要因は、フル充電容量（FCC）エラーです。これは、バッテリーの設計容量の値とバッテリーの実際のフル充電容量の差です。 フル充電容量（FCC）は、温度、経年劣化、負荷、およびその他の要因の影響を受けます。 したがって、クーロン測定法では、フル充電容量の再学習と補償方法が非常に重要です。 次の図は、フル充電容量を過大評価および過小評価した場合の充電状態エラーの傾向現象を示しています。

図11.フル充電容量が過大評価および過小評価された場合のエラー傾向

2.4動的電圧アルゴリズム残量ゲージ

動的電圧アルゴリズムの残量ゲージは、バッテリー電圧のみに基づいてリチウムバッテリーの充電状態を計算できます。 この方法は、バッテリー電圧とバッテリーの開回路電圧の差に基づいて充電状態の増減を推定することです。 動的電圧情報は、リチウム電池の動作を効果的にシミュレートして充電状態SOC（％）を決定できますが、この方法では電池容量値（mAh）を推定できません。

その計算方法は、バッテリー電圧と開回路電圧の動的な差に基づいており、反復アルゴリズムを使用して充電状態の各増加または減少を計算し、充電状態を推定します。 クーロンメータリング残量ゲージのソリューションと比較して、動的電圧アルゴリズムの残量ゲージは、時間と電流の経過とともにエラーを蓄積しません。 クーロン計量燃料計は通常、電流検出エラーとバッテリーの自己放電により、充電状態の推定を不正確にします。 電流検出誤差が非常に小さい場合でも、クーロンカウンタは誤差を累積し続け、累積誤差は、完全に充電または完全に放電された場合にのみ除去できます。

動的電圧アルゴリズムの残量ゲージは、電圧情報によってのみバッテリーの充電状態を推定します。 バッテリーの現在の情報では推定されないため、エラーは蓄積されません。 充電状態の精度を向上させるために、動的電圧アルゴリズムは実際のデバイスを使用し、完全に充電および完全に放電されたときの実際のバッテリー電圧曲線に従って最適化されたアルゴリズムのパラメーターを調整する必要があります。

図12.動的電圧アルゴリズムの燃料計とゲインの最適化のパフォーマンス

以下は、さまざまな放電率条件下での動的電圧アルゴリズムのパフォーマンスです。 図から、充電状態の精度が高いことがわかります。 C / 2、C / 4、C / 7、C / 10の放電条件に関係なく、この方法の全体的な充電状態エラーは3％未満です。

図13.さまざまな放電率条件下での動的電圧アルゴリズムの充電状態のパフォーマンス

下の図は、バッテリーが短時間充電および短時間放電されたときの充電状態のパフォーマンスを示しています。 充電状態の誤差はまだ非常に小さく、最大誤差はわずか3％です。

図14.バッテリーが短充電および短放電されたときの動的電圧アルゴリズムの充電状態のパフォーマンス

クーロンメータリング残量ゲージが通常、電流検出エラーとバッテリの自己放電のために不正確な充電状態を引き起こす状況と比較して、動的電圧アルゴリズムは時間と電流のエラーを蓄積しません。これは大きな利点です。 充電/放電電流に関する情報がないため、動的電圧アルゴリズムは短期間の精度が低く、応答時間が遅くなります。 また、フル充電容量を見積もることはできません。 ただし、バッテリー電圧は最終的に充電状態を直接反映するため、長期的な精度の点では優れたパフォーマンスを発揮します。