1. 리튬 이온 배터리 소개

1.1 충전 상태(SOC)

충전 상태는 배터리에서 사용 가능한 전기 에너지의 상태로 정의할 수 있으며 일반적으로 백분율로 표시됩니다. 사용 가능한 전기 에너지는 충전 및 방전 전류, 온도 및 노화 현상에 따라 달라지기 때문에 충전 상태의 정의도 절대 충전 상태(ASOC)와 상대 충전 상태(상대 상태)의 두 가지 유형으로 나뉩니다. -요금, ASOC) 요금, RSOC). 일반적으로 상대적인 충전 상태 범위는 0%-100%이고 배터리는 완전히 충전된 경우 100%이고 완전히 방전된 경우 0%입니다. 절대 충전 상태는 배터리 제조시 설계된 고정 용량 값에 따라 계산 된 기준 값입니다. 완전히 충전된 새 배터리의 절대 충전 상태는 100%입니다. 노화된 배터리가 완전히 충전된 경우에도 다른 충전 및 방전 조건에서 100%에 도달할 수 없습니다.

아래 그림은 다양한 방전율에서 전압과 배터리 용량 사이의 관계를 보여줍니다. 방전율이 높을수록 배터리 용량이 낮아집니다. 온도가 낮으면 배터리 용량도 감소합니다.

그림 1.

다양한 방전율과 온도에서 전압과 용량의 관계

1.2 최대 충전 전압

최대 충전 전압은 배터리의 화학적 조성 및 특성과 관련이 있습니다. 리튬 배터리의 충전 전압은 일반적으로 4.2V와 4.35V이며 양극과 음극 재료가 다르면 전압 값이 달라집니다.

1.3 완전 충전

배터리 전압과 최고 충전 전압의 차이가 100mV 미만이고 충전 전류가 C/10으로 떨어지면 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주할 수 있습니다. 배터리 특성이 다르고 완전 충전 조건도 다릅니다.

아래 그림은 일반적인 리튬 배터리 충전 특성 곡선을 보여줍니다. 배터리 전압이 최고 충전 전압과 동일하고 충전 전류가 C/10으로 떨어지면 배터리가 완전히 충전된 것으로 간주됩니다.

그림 2. 리튬 배터리 충전 특성 곡선

1.4 미니 방전 전압

최소 방전 전압은 차단 방전 전압으로 정의할 수 있으며 일반적으로 충전 상태가 0%일 때의 전압입니다. 이 전압 값은 고정된 값이 아니라 부하, 온도, 노화 정도 또는 기타 요인에 따라 변합니다.

1.5 완전 방전

배터리 전압이 최소 방전 전압 이하일 때 완전 방전이라고 할 수 있습니다.

1.6 충방전율(C-Rate)

충방전율은 배터리 용량에 대한 충방전 전류의 표현입니다. 예를 들어 1C를 사용하여 XNUMX시간 동안 방전하면 이상적으로는 배터리가 완전히 방전됩니다. 충전 및 방전 속도가 다르면 사용 가능한 용량이 달라집니다. 일반적으로 충방전율이 높을수록 사용 가능한 용량은 작아집니다.

1.7 사이클 수명

사이클 수는 배터리가 완전히 충방전된 횟수로 실제 방전 용량과 설계 용량에서 추정할 수 있습니다. 누적 방전 용량이 설계 용량과 같을 때마다 사이클 수는 500회입니다. 일반적으로 10번의 충방전 사이클 후에 완전히 충전된 배터리의 용량은 20%~XNUMX%까지 떨어집니다.

그림 3. 사이클 수와 배터리 용량의 관계

1.8 자가 방전

모든 배터리의 자체 방전은 온도가 상승함에 따라 증가합니다. 자가방전은 기본적으로 제조상의 결함이 아니라 배터리 자체의 특성입니다. 그러나 제조 과정에서 부적절한 취급으로 인해 자체 방전이 증가할 수도 있습니다. 일반적으로 배터리 온도가 10°C 상승할 때마다 자가 방전율이 두 배가 됩니다. 리튬이온전지는 월간 자가방전율이 1~2% 정도인 반면, 각종 니켈계 전지는 월간 자가방전율이 10~15% 정도이다.

그림 4. 다양한 온도에서 리튬 배터리의 자가 방전율 성능

2. 배터리 연료 게이지 소개

2.1 연료 게이지 기능 소개

배터리 관리는 전원 관리의 일부로 간주할 수 있습니다. 배터리 관리에서 연료 게이지는 배터리 용량을 추정하는 역할을 합니다. 기본 기능은 전압, 충방전 전류 및 배터리 온도를 모니터링하고 배터리 충전 상태(SOC) 및 배터리의 완전 충전 용량(FCC)을 추정하는 것입니다. 배터리의 충전 상태를 추정하는 일반적인 방법에는 OCV(개방 회로 전압 방법)와 전기량 측정 방법의 두 가지가 있습니다. 또 다른 방법은 RICHTEK에서 설계한 동적 전압 알고리즘입니다.

2.2 개방 회로 전압 방식

개방전압방식을 이용한 전력량계는 구현이 용이하며 개방전압의 충전상태에 해당하는 표를 찾아보면 알 수 있다. 개방 회로 전압의 가상 조건은 배터리가 약 30분 동안 휴지 상태일 때 배터리 단자 전압입니다.

다른 부하, 온도 및 배터리 노화에 따라 배터리 전압 곡선이 달라집니다. 따라서 고정 개방 회로 전압계는 충전 상태를 완전히 나타낼 수 없습니다. 충전 상태는 테이블만 보고 추정할 수 없습니다. 즉, 테이블만 조회하여 충전상태를 추정한다면 오차가 매우 클 것이다.

다음 그림은 동일한 배터리 전압이 충전 및 방전 중이며 개방 회로 전압 방식으로 찾은 충전 상태가 매우 다른 것을 보여줍니다.

그림 5. 충방전 시 배터리 전압

아래 그림은 충전 상태가 방전 중 부하에 따라 크게 변한다는 것을 보여줍니다. 따라서 기본적으로 개방 회로 전압 방식은 납산 배터리 또는 자동차의 무정전 전원 공급 장치 사용과 같이 충전 상태의 정확도에 대한 요구 사항이 낮은 시스템에만 적합합니다.

그림 6. 방전 중 다양한 부하에서 배터리 전압

2.3 쿨롱 측정 방법

쿨롱 측정 방식의 작동 원리는 배터리의 충방전 경로에 감지 저항을 연결하는 것입니다. ADC는 감지 저항의 전압을 측정하고 이를 충전 또는 방전 중인 배터리의 전류 값으로 변환합니다. 실시간 카운터(RTC)는 현재 값과 시간의 통합을 제공하여 얼마나 많은 쿨롱이 흐르는지 알 수 있습니다.

그림 7. 쿨롱 측정법의 기본 작업 방법

쿨롱 측정 방법은 충전 또는 방전 중 실시간 충전 상태를 정확하게 계산할 수 있습니다. 충전 쿨롱 카운터와 방전 쿨롱 카운터를 사용하여 남은 용량(RM)과 만충전 용량(FCC)을 계산할 수 있습니다. 동시에 잔여 용량(RM)과 만충전 용량(FCC)을 이용하여 충전 상태, 즉 (SOC = RM/FCC)를 계산할 수도 있습니다. 또한 전력소진(TTE), 최대전력(TTF) 등 남은 시간도 추정할 수 있다.

그림 8. 쿨롱 측정법의 계산식

쿨롱 측정 방법의 정확도 편차를 유발하는 두 가지 주요 요인이 있습니다. 첫 번째는 전류 감지 및 ADC 측정에서 오프셋 오류의 누적입니다. 현재의 기술로는 측정 오차가 여전히 작지만 이를 제거할 좋은 방법이 없으면 시간이 지남에 따라 오차가 증가합니다. 아래 그림은 실제 적용에서 지속 시간에 수정이 없으면 누적 오류가 무제한임을 보여줍니다.

그림 9. 쿨롱 측정 방법의 누적 오차

누적 오류를 제거하기 위해 정상적인 배터리 작동에서 세 가지 가능한 사용 가능한 시점이 있습니다. 충전 종료(EOC), 방전 종료(EOD) 및 휴식(Relax)입니다. 충전 종료 조건에 도달하면 배터리가 완전히 충전되었으며 충전 상태(SOC)가 100%여야 함을 의미합니다. 방전 종료 조건은 배터리가 완전히 방전되었으며 충전 상태(SOC)가 0%여야 함을 의미합니다. 그것은 절대 전압 값이거나 부하에 따라 변할 수 있습니다. 휴지 상태에 도달하면 배터리는 충전도 방전도 되지 않고 오랫동안 이 상태를 유지합니다. 사용자가 쿨롱 측정 방법의 오류를 수정하기 위해 배터리의 휴지 상태를 사용하려면 이 때 개방 회로 전압계를 사용해야 합니다. 아래 그림은 위의 상태에서 충전 오류 상태를 수정할 수 있음을 보여줍니다.

그림 10. 쿨롱 측정법의 누적오차 제거 조건

쿨롱 측정 방법의 정확도 편차를 유발하는 두 번째 주요 요인은 배터리 설계 용량 값과 배터리의 실제 만충전 용량 값의 차이인 완전 충전 용량(FCC) 오류입니다. 완전 충전 용량(FCC)은 온도, 노화, 부하 및 기타 요인의 영향을 받습니다. 따라서 쿨롱 측정 방법에서는 완전 충전 용량의 재학습 및 보상 방법이 매우 중요합니다. 다음 그림은 만충전용량을 과대평가하고 과소평가한 경우의 충전상태 오차의 경향 현상을 나타낸 것이다.

그림 11. 만충전 용량이 과대평가되고 과소평가된 경우의 오류 경향

2.4 동적 전압 알고리즘 연료 게이지

동적 전압 알고리즘 연료 게이지는 배터리 전압만을 기준으로 리튬 배터리의 충전 상태를 계산할 수 있습니다. 이 방법은 배터리 전압과 배터리의 개방 전압의 차이를 기반으로 충전 상태의 증가 또는 감소를 추정하는 것입니다. 동적 전압 정보는 충전 상태 SOC(%)를 결정하기 위해 리튬 배터리의 거동을 효과적으로 시뮬레이션할 수 있지만 이 방법은 배터리 용량 값(mAh)을 추정할 수 없습니다.

계산 방법은 배터리 전압과 개방 회로 전압 간의 동적 차이를 기반으로 하며, 반복 알고리즘을 사용하여 충전 상태를 추정하기 위해 충전 상태의 각 증가 또는 감소를 계산합니다. 쿨롱 계량 연료 게이지의 솔루션과 비교할 때 동적 전압 알고리즘 연료 게이지는 시간과 전류에 따라 오류를 누적하지 않습니다. 쿨롱 측정 연료 게이지는 일반적으로 전류 감지 오류 및 배터리 자체 방전으로 인해 충전 상태를 부정확하게 추정합니다. 전류 감지 오차가 매우 작더라도 쿨롱 카운터는 계속해서 오차를 누적하게 되며, 누적 오차는 완전히 충전되거나 완전히 방전될 때만 제거될 수 있습니다.

동적 전압 알고리즘 연료 게이지는 전압 정보로만 배터리 충전 상태를 추정합니다. 배터리의 현재 정보로 추정되지 않기 때문에 오류가 누적되지 않습니다. 충전 상태의 정확도를 향상시키기 위해 동적 전압 알고리즘은 실제 장치를 사용하고 완전 충전 및 완전 방전 시 실제 배터리 전압 곡선에 따라 최적화된 알고리즘의 매개변수를 조정해야 합니다.

그림 12. 동적 전압 알고리즘 연료 게이지 및 이득 최적화의 성능

다음은 다양한 방전율 조건에서 동적 전압 알고리즘의 성능입니다. 그림에서 충전 상태의 정확도가 좋은 것을 알 수 있습니다. C/2, C/4, C/7 및 C/10의 방전 조건에 관계 없이 이 방법의 전체 충전 상태 오류는 3% 미만입니다.

그림 13. 다양한 방전율 조건에서 동적 전압 알고리즘의 충전 상태 성능

아래 그림은 배터리가 단충전 및 단방전되었을 때의 충전 상태 성능을 나타낸 것입니다. 충전 상태 오류는 여전히 매우 작고 최대 오류는 3%에 불과합니다.

그림 14. 배터리가 단락 충전 및 단락 방전될 때 동적 전압 알고리즘의 충전 상태 성능

쿨롱 계량 연료 게이지가 전류 감지 오류 및 배터리 자체 방전으로 인해 일반적으로 부정확한 충전 상태를 유발하는 상황과 비교하여 동적 전압 알고리즘은 시간 및 전류에 따라 오류를 누적하지 않아 큰 이점이 있습니다. 충전/방전 전류에 대한 정보가 없기 때문에 동적 전압 알고리즘은 단기 정확도가 낮고 응답 시간이 느립니다. 또한 전체 충전 용량을 추정할 수 없습니다. 그러나 배터리 전압은 결국 충전 상태를 직접 반영하기 때문에 장기적 정확도 측면에서 우수한 성능을 보입니다.