1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Заряд күйін аккумулятордағы қол жетімді электр энергиясының күйі ретінде анықтауға болады, әдетте пайызбен көрсетіледі. Қол жетімді электр энергиясы зарядтау және разряд тогы, температура және қартаю құбылыстарына байланысты өзгеретіндіктен, заряд күйінің анықтамасы да екі түрге бөлінеді: абсолютті заряд күйі (ASOC) және салыстырмалы заряд күйі (салыстырмалы күй) -Заңсыз;ASOC) Мемлекеттік-Заң; RSOC). Әдетте заряд диапазонының салыстырмалы күйі 0%-100%, ал батарея толық зарядталған кезде 100% және толық зарядсызданған кезде 0% болады. Зарядтың абсолютті күйі – аккумуляторды өндіру кезінде жобаланған бекітілген қуат мәніне сәйкес есептелген анықтамалық мән. Жаңа толық зарядталған аккумулятордың абсолютті заряд күйі 100% құрайды; және ескірген батарея толығымен зарядталған болса да, әртүрлі зарядтау және зарядсыздандыру жағдайларында ол 100%-ға жете алмайды.

Төмендегі суретте кернеу мен батарея сыйымдылығының әртүрлі зарядсыздану жылдамдығы арасындағы байланыс көрсетілген. Зарядтау жылдамдығы неғұрлым жоғары болса, батарея сыйымдылығы соғұрлым аз болады. Температура төмен болған кезде батарея сыйымдылығы да төмендейді.

Сурет 1.

Әртүрлі разряд жылдамдығы мен температурадағы кернеу мен қуат арасындағы байланыс

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 Толық зарядталған

Батарея кернеуі мен ең жоғары зарядтау кернеуі арасындағы айырмашылық 100 мВ-тан аз болса және зарядтау тогы C/10 дейін төмендесе, батареяны толық зарядталған деп санауға болады. Батареяның сипаттамалары әртүрлі және толық зарядтау шарттары да әртүрлі.

Төмендегі суретте әдеттегі литий батареясын зарядтау қисығы көрсетілген. Батарея кернеуі ең жоғары зарядтау кернеуіне тең болғанда және зарядтау тогы C/10 дейін төмендегенде, батарея толық зарядталған болып саналады.

Figure 2. Lithium battery charging characteristic curve

1.4 Mini Discharging Voltage

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 Толық зарядсыздану

When the battery voltage is less than or equal to the minimum discharge voltage, it can be called a complete discharge.

1.6 Charge and discharge rate (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 Циклдың қызмет ету мерзімі

Циклдар саны – аккумулятордың толық зарядтау және разрядтаудан өткен реттердің саны, оны нақты разрядтау сыйымдылығы мен жобалық қуат бойынша бағалауға болады. Жинақталған шығару қуаты жобалық қуатқа тең болғанда, циклдар саны бір рет болады. Әдетте 500 зарядтау-разряд циклінен кейін толық зарядталған аккумулятордың сыйымдылығы 10% ~ 20% төмендейді.

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

1.8 Өздігінен разряд

Температура көтерілген сайын барлық батареялардың өздігінен разряды артады. Өздігінен разряд – бұл өндіріс ақауы емес, аккумулятордың өзіне тән сипаттамалары. Дегенмен, өндіріс процесінде дұрыс емес өңдеу де өздігінен разрядтың артуына әкелуі мүмкін. Әдетте, батарея температурасының әрбір 10°C жоғарылауы үшін өздігінен разряд жылдамдығы екі есе артады. Литий-ионды батареялардың ай сайынғы өздігінен разряды шамамен 1~2% құрайды, ал әртүрлі никель негізіндегі батареялардың ай сайынғы өздігінен разряды 10-15% құрайды.

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

2. Батареяның жанармай өлшеуішімен таныстыру

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 Ашық тізбектегі кернеу әдісі

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.

Under different load, temperature, and battery aging, the battery voltage curve will be different. Therefore, a fixed open-circuit voltmeter cannot fully represent the state of charge; the state of charge cannot be estimated by looking up the table alone. In other words, if the state of charge is estimated only by looking up the table, the error will be very large.

The following figure shows that the same battery voltage is under charge and discharge, and the state of charge found by the open circuit voltage method is very different.

Сурет 5. Зарядтау және зарядсыздандыру кезіндегі аккумулятордың кернеуі

Төмендегі сурет разряд кезінде әртүрлі жүктемелер кезінде заряд күйінің айтарлықтай өзгеретінін көрсетеді. Сонымен, негізінен, ашық тізбектегі кернеу әдісі тек заряд күйінің дәлдігіне төмен талаптары бар жүйелер үшін жарамды, мысалы, қорғасын-қышқылды аккумуляторларды немесе автомобильдердегі үздіксіз қуат көздерін пайдалану.

Сурет 6. Зарядтау кезіндегі әртүрлі жүктемелердегі аккумулятордың кернеуі

2.3 Кулондық өлшеу әдісі

Кулонды өлшеу әдісінің жұмыс принципі аккумулятордың зарядтау/разрядтау жолында анықтау резисторын қосу болып табылады. ADC анықтау резисторындағы кернеуді өлшейді және оны зарядталған немесе зарядсызданған батареяның ағымдағы мәніне түрлендіреді. Нақты уақыттағы есептегіш (RTC) қанша кулон өтетінін білу үшін ағымдағы мәнді уақытпен біріктіруді қамтамасыз етеді.

Figure 7. Basic working method of Coulomb measurement method

Coulomb measurement method can accurately calculate the real-time state of charge during charging or discharging. With the charge coulomb counter and the discharge coulomb counter, it can calculate the remaining capacity (RM) and the full charge capacity (FCC). At the same time, the remaining capacity (RM) and the full charge capacity (FCC) can also be used to calculate the state of charge, that is (SOC = RM / FCC). In addition, it can also estimate the remaining time, such as power exhaustion (TTE) and full power (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Кулондық өлшеу әдісінің дәлдігінде ауытқуларды тудыратын екі негізгі фактор бар. Біріншісі – токты сезінудегі және ADC өлшеудегі офсеттік қателердің жинақталуы. Қолданыстағы технологиямен өлшеу қателігі әлі де аз болғанымен, оны жоюдың жақсы жолы болмаса, қате уақыт өте келе артады. Төмендегі суретте практикалық қолданбаларда уақыт ұзақтығында түзету болмаса, жинақталған қателік шектеусіз екенін көрсетеді.

Figure 9. Cumulative error of Coulomb measurement method

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.

Figure 10. Conditions for eliminating the cumulative error of the Coulomb measurement method

Кулондық өлшеу әдісінің дәлдігінің ауытқуын тудыратын екінші негізгі фактор – толық зарядтау сыйымдылығы (FCC) қатесі, ол аккумулятордың жобалық сыйымдылығының мәні мен аккумулятордың шынайы толық зарядтау сыйымдылығы арасындағы айырмашылық болып табылады. Толық заряд сыйымдылығына (FCC) температура, қартаю, жүктеме және басқа факторлар әсер етеді. Сондықтан толық заряд сыйымдылығын қайта үйрену және өтеу әдісі кулондық өлшеу әдісі үшін өте маңызды. Төмендегі суретте толық заряд сыйымдылығы асыра бағаланған және төмен бағаланған кездегі заряд күйінің қателігінің тренд құбылысы көрсетілген.

11-сурет. Толық зарядтау сыйымдылығы асыра бағаланған және төмен бағаланған кездегі қателік үрдісі

2.4 Динамикалық кернеу алгоритмі жанармай көрсеткіші

Динамикалық кернеу алгоритмі отын көрсеткіші тек аккумулятор кернеуіне негізделген литий батареясының заряд күйін есептей алады. Бұл әдіс аккумулятордың кернеуі мен батареяның ашық тізбектегі кернеуі арасындағы айырмашылық негізінде заряд күйінің жоғарылауын немесе төмендеуін бағалау болып табылады. Динамикалық кернеу туралы ақпарат SOC зарядының күйін (%) анықтау үшін литий батареясының әрекетін тиімді модельдей алады, бірақ бұл әдіс батарея сыйымдылығының мәнін (мАч) бағалай алмайды.

Оның есептеу әдісі заряд күйін бағалау үшін заряд күйінің әрбір ұлғаюын немесе төмендеуін есептеу үшін итеративті алгоритмді қолдану арқылы аккумулятор кернеуі мен ашық тізбектегі кернеу арасындағы динамикалық айырмашылыққа негізделген. Кулондық отын өлшегішінің шешімімен салыстырғанда, динамикалық кернеу алгоритмінің отын көрсеткіші уақыт пен ток бойынша қателерді жинақтамайды. Кулондық отын өлшегіштері әдетте ток сезу қателеріне және аккумулятордың өздігінен зарядсыздануына байланысты заряд күйін дұрыс бағаламауға себеп болады. Ағымдағы сезіну қатесі өте аз болса да, кулондық санауыш қатені жинақтауды жалғастырады және жинақталған қатені ол толық зарядталған немесе толық зарядсызданған кезде ғана жоюға болады.

Динамикалық кернеу алгоритмі жанармай көрсеткіші тек кернеу туралы ақпарат арқылы аккумулятор зарядының күйін бағалайды; себебі ол батареяның ағымдағы ақпаратымен бағаланбайды, ол қателерді жинақтамайды. Заряд күйінің дәлдігін жақсарту үшін динамикалық кернеу алгоритмі нақты құрылғыны пайдалануы керек және ол толық зарядталған және толық зарядсызданған кезде батареяның нақты кернеуінің қисық сызығына сәйкес оңтайландырылған алгоритм параметрлерін реттеуі керек.

Сурет 12. Жанармай өлшеуішінің динамикалық кернеу алгоритмінің орындалуы және күшейтуді оңтайландыру

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%.

Сурет 13. Әр түрлі разряд жылдамдығы жағдайында динамикалық кернеу алгоритмінің заряд күйінің орындалуы

Төмендегі суретте батареяның қысқа зарядталған және қысқа разрядталған кездегі заряд күйінің өнімділігі көрсетілген. Зарядтау қатесі әлі де өте аз, ал максималды қателік тек 3% құрайды.

Сурет 14. Аккумулятор қысқа зарядталған және қысқа разрядталған кездегі динамикалық кернеу алгоритмінің заряд күйінің өнімділігі

Кулондық отын өлшегіші әдетте ток сезу қателеріне және батареяның өздігінен разрядталуына байланысты зарядтың дұрыс емес күйін тудыратын жағдаймен салыстырғанда динамикалық кернеу алгоритмі уақыт пен ток бойынша қателерді жинамайды, бұл үлкен артықшылық. Зарядтау/разряд тогы туралы ақпарат болмағандықтан, динамикалық кернеу алгоритмінің қысқа мерзімді дәлдігі нашар және жауап беру уақыты баяу. Бұған қоса, ол толық зарядтау сыйымдылығын бағалай алмайды. Дегенмен, ол ұзақ мерзімді дәлдік тұрғысынан жақсы жұмыс істейді, өйткені батарея кернеуі ақыр соңында оның заряд күйін тікелей көрсетеді.