1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Мамлекеттик айыптоо (SOC)

Заряддын абалын батарейкадагы болгон электр энергиясынын абалы катары аныктоого болот, адатта пайыз менен көрсөтүлөт. Колдо болгон электр энергиясы заряддын жана разряддын агымына, температурага жана эскирүү көрүнүштөрүнө жараша өзгөрүп тургандыктан, заряддын абалын аныктоо да эки түргө бөлүнөт: абсолюттук заряддын абалы (ASOC) жана салыштырмалуу заряддын абалы (салыштырмалуу абал). АСОС) Мамлекеттик-Зариф; RSOC). Адатта заряддын диапазонунун салыштырмалуу абалы 0%-100%, ал эми батарейка толук заряддалганда 100% жана толук кубатталганда 0% болот. Заряддын абсолюттук абалы – бул аккумуляторду өндүрүүдө белгиленген белгиленген кубаттуулуктун маанисине ылайык эсептелген эталондук маани. Жаңы толук заряддалган батарейканын абсолюттук абалы 100%; жана эскирген батарейка толук заряддалган болсо да, ал ар кандай кубаттоо жана кубаттоо шарттарында 100% жете албайт.

Төмөнкү сүрөттө чыңалуу менен батарейканын сыйымдуулугунун ортосундагы байланыш ар кандай разряд ченинде көрсөтүлгөн. разряддын ылдамдыгы канчалык жогору болсо, батареянын кубаттуулугу ошончолук төмөн болот. Температура төмөн болгондо, батареянын сыйымдуулугу да азаят.

Figure 1.

Ар кандай разрядда жана температурада чыңалуу менен кубаттуулуктун ортосундагы байланыш

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 Толугу менен заряддалган

Батареянын чыңалуусу менен эң жогорку кубаттоо чыңалуусунун ортосундагы айырма 100 мВдан аз болгондо жана кубаттоо агымы C/10 чейин төмөндөгөндө, батарейканы толук заряддалган деп эсептөөгө болот. Батареянын мүнөздөмөлөрү ар кандай жана толук заряддоо шарттары да ар түрдүү.

Төмөнкү сүрөттө типтүү литий батарейканын заряддоо мүнөздүү ийри сызыгы көрсөтүлгөн. Батареянын чыңалуусу эң жогорку кубаттоо чыңалуусуна барабар болгондо жана заряддоо агымы C/10 чейин төмөндөгөндө, батарея толук заряддалган болуп эсептелет.

Figure 2. Литий батарейканын заряддоо мүнөздүү ийри сызыгы

1.4 Мини разрядка чыңалуу

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 Толугу менен разряд

Батареянын чыңалышы минималдуу разряд чыңалуудан аз же барабар болгондо, аны толук разряд деп атоого болот.

1.6 Заряддоо жана кубаттоо ылдамдыгы (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 Цикл өмүрү

Циклдердин саны – бул аккумулятордун толук заряддоо жана разряддан өткөн жолу, аны иш жүзүндөгү разряд кубаттуулугунан жана долбоордук кубаттуулуктан баалоого болот. Топтолгон разряддык кубаттуулук долбоордук кубаттуулукка барабар болгондо, циклдердин саны бир жолу болот. Адатта 500 заряд-разряд циклинен кийин толук заряддалган батареянын сыйымдуулугу 10% ~ 20% төмөндөйт.

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

1.8 Өзүн-өзү разряд

Температура жогорулаган сайын бардык батарейкалардын өзүн-өзү разряды көбөйөт. Өзүн-өзү разряд – бул өндүрүштүк кемчилик эмес, батареянын өзүнүн өзгөчөлүктөрү. Бирок, өндүрүш процессинде туура эмес иштөө да өзүн-өзү разряддын көбөйүшүнө алып келиши мүмкүн. Жалпысынан алганда, өзүн-өзү разряд ылдамдыгы батареянын температурасы ар бир 10°C жогорулаган сайын эки эсеге көбөйөт. Литий-иондук батарейкалардын айлык өзүн-өзү разряды болжол менен 1 ~ 2% ды түзөт, ал эми никель негизиндеги ар кандай батарейкалардын айлык өзүн-өзү разряды 10-15% түзөт.

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

2. Батарея күйүүчү май өлчөгүчкө киришүү

2.1 Күйүүчү май өлчөгүч функциясына киришүү

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 Ачык чынжырдын чыңалуу ыкмасы

Ачык чынжырлуу чыңалуу ыкмасын колдонгон электр эсептегичти ишке ашыруу оңой жана аны ачык чынжырдын чыңалуусунун заряд абалына ылайыктуу таблицадан табууга болот. Ачык чынжырдын чыңалуусунун гипотетикалык шарты – бул батарейка 30 мүнөттөй эс алгандагы батареянын терминалынын чыңалуусу.

Ар кандай жүктөм, температура жана батарейканын эскирүүсүндө, батарейканын чыңалуу ийри сызыгы башкача болот. Демек, стационардык ачык чынжырлуу вольтметр заряддын абалын толук көрсөтө албайт; заряддын абалын таблицаны карап эле баалоого болбойт. Башкача айтканда, заряддын абалы таблицаны карап гана бааланган болсо, ката абдан чоң болот.

Төмөнкү сүрөттө бир эле аккумулятордун чыңалуусу зарядда жана разрядда экенин көрсөтүп турат жана ачык чынжыр чыңалуу ыкмасы менен табылган заряддын абалы такыр башкача.

5-сүрөт. Заряддоо жана кубаттоо учурундагы батареянын чыңалышы

Төмөндөгү сүрөттө заряддын абалы разряд учурунда ар кандай жүктөмдөрдүн астында абдан өзгөрүп турганын көрсөтүп турат. Ошентип, негизинен, ачык чынжырлуу чыңалуу ыкмасы заряддын абалынын тактыгына төмөн талаптары бар системалар үчүн гана ылайыктуу, мисалы, коргошун-кислота батарейкаларын же унаалардагы үзгүлтүксүз энергия булактарын колдонуу.

Сүрөт 6. Аккумулятордун чыңалуусу разряд учурунда ар кандай жүктөмдө

2.3 Кулондук өлчөө ыкмасы

Кулондук өлчөө ыкмасынын иштөө принциби аккумулятордун заряддоо/заряддоо жолуна аныктоочу резисторду туташтыруу болуп саналат. ADC аныктоо резисторундагы чыңалууну өлчөйт жана аны заряддалган же зарядсызданган батареянын учурдагы маанисине айландырат. Реалдуу убакыт эсептегичи (RTC) канча кулон агып жатканын билүү үчүн учурдагы маанини убакыт менен интеграциялоону камсыз кылат.

Сүрөт 7. Кулондук өлчөө ыкмасынын негизги иштөө ыкмасы

Кулондук өлчөө ыкмасы заряддоо же кубаттоо учурунда заряддын реалдуу убакыт абалын так эсептей алат. Заряддоо кулон эсептегичи жана разряд кулон эсептегичи менен ал калган кубаттуулукту (RM) жана толук заряддын сыйымдуулугун (FCC) эсептей алат. Ошол эле учурда, калган кубаттуулук (RM) жана толук заряд сыйымдуулугу (FCC) дагы заряддын абалын эсептөө үчүн колдонулушу мүмкүн, башкача айтканда (SOC = RM / FCC). Мындан тышкары, ал ошондой эле калган убакытты баалай алат, мисалы, энергиянын түгөнүп калышы (TTE) жана толук кубаттуулук (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Кулондук өлчөө ыкмасынын тактыгында четтөөлөрдү пайда кылган эки негизги фактор бар. Биринчиси – учурдагы сезгичте жана ADC өлчөөдө офсеттик каталардын топтолушу. Учурдагы технология менен өлчөө катасы аз болсо да, аны жок кылуунун жакшы жолу жок болсо, ката убакыттын өтүшү менен көбөйөт. Төмөндөгү сүрөттөн көрүнүп тургандай, практикалык колдонмолордо, эгерде убакыттын узактыгына оңдоолор болбосо, топтолгон ката чексиз.

9-сүрөт. Кулондук өлчөө ыкмасынын жыйынды катасы

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.

10-сүрөт. Кулондук өлчөө ыкмасынын топтолгон катасын жоюу шарттары

Кулондук өлчөө ыкмасынын тактыгынын четтөөсүнө себеп болгон экинчи негизги фактор – бул толук заряддоо сыйымдуулугу (FCC) катасы, ал аккумулятордун долбоордук кубаттуулугунун мааниси менен батареянын чыныгы толук заряддоо сыйымдуулугунун ортосундагы айырма. Толук заряддоо сыйымдуулугуна (FCC) температура, карылык, жүк жана башка факторлор таасир этет. Ошондуктан, толук заряд кубаттуулугун кайра үйрөнүү жана ордун толтуруу ыкмасы кулон өлчөө ыкмасы үчүн абдан маанилүү болуп саналат. Төмөнкү сүрөттө толук заряд кубаттуулугу ашыкча бааланган жана бааланбаганда заряддын катасынын абалынын тенденция көрүнүшү көрсөтүлгөн.

11-сүрөт. Толук заряддын кубаттуулугу ашыкча бааланган жана бааланбаганда ката тенденциясы

2.4 Динамикалык чыңалуу алгоритми күйүүчү май өлчөгүч

Динамикалык чыңалуу алгоритми күйүүчү май өлчөгүч батареянын чыңалуусунун негизинде гана литий батареясынын зарядынын абалын эсептей алат. Бул ыкма аккумулятордун чыңалуусу менен аккумулятордун ачык чынжырлуу чыңалуусунун ортосундагы айырманын негизинде заряддын абалынын көбөйүшүн же азайышын баалоо болуп саналат. Динамикалык чыңалуу маалыматы SOC зарядынын абалын (%) аныктоо үчүн литий батарейканын жүрүм-турумун эффективдүү окшоштура алат, бирок бул ыкма батареянын кубаттуулугун (мАч) баалай албайт.

Анын эсептөө ыкмасы заряддын абалын баалоо үчүн заряддын абалынын ар бир көбөйүшүн же азайышын эсептөө үчүн итеративдик алгоритмди колдонуу менен аккумулятордун чыңалуусу менен ачык чынжырдын чыңалуусунун динамикалык айырмасына негизделген. Кулондук өлчөөчү отун өлчөгүчтүн чечими менен салыштырганда, динамикалык чыңалуу алгоритми күйүүчү май өлчөгүч убакыттын өтүшү менен учурдагы каталарды топтобойт. Кулондук күйүүчү май өлчөөчү приборлор, адатта, учурдагы сезүү каталарынан жана батареянын өзүн-өзү разрядынан улам заряддын абалын так эмес баалоого алып келет. Учурдагы сезүү катасы өтө аз болсо да, кулондук эсептегич катаны топтоону улантат жана топтолгон ката толугу менен заряддалганда же заряды толук бүткөндө гана жок кылынышы мүмкүн.

Динамикалык чыңалуу алгоритми күйүүчү май өлчөгүч батареянын зарядынын абалын чыңалуу маалыматы менен гана баалайт; анткени ал батареянын учурдагы маалыматы менен бааланган эмес, ал каталарды топтобойт. Заряддын абалынын тактыгын жакшыртуу үчүн динамикалык чыңалуу алгоритми иш жүзүндөгү түзүлүштү колдонууга жана ал толук заряддалган жана толук кубатталып бүткөндө батареянын чыныгы чыңалуу ийри сызыгына ылайык оптималдаштырылган алгоритмдин параметрлерин тууралоосу керек.

Сүрөт 12. Күйүүчү май өлчөгүчтүн динамикалык чыңалуу алгоритминин аткарылышы жана пайданы оптималдаштыруу

Төмөндө ар кандай разряд ылдамдыгынын шарттарында динамикалык чыңалуу алгоритминин аткарылышы келтирилген. Сүрөттөн анын заряддын абалы жакшы так экенин көрүүгө болот. С/2, С/4, С/7 жана С/10 разряд шарттарына карабастан, бул ыкманын заряддын катасынын жалпы абалы 3%тен аз.

13-сүрөт. Динамикалык чыңалуу алгоритминин заряд абалынын разряддын ар кандай шарттарында аткарылышы

Төмөнкү сүрөттө батарейка кыска мөөнөттө заряддалганда жана кыска разрядда болгондо заряддын абалынын көрсөткүчтөрү көрсөтүлгөн. Заряддын катасы дагы эле өтө аз жана максималдуу ката 3% гана.

14-сүрөт. Батарея кыска кубатталганда жана кыска разрядда болгондо динамикалык чыңалуу алгоритминин заряд абалынын аткарылышы

Кулондук өлчөөчү күйүүчү май өлчөгүч, адатта, учурдагы сезүү каталарынан жана батареянын өзүн-өзү разрядынан улам заряддын так эмес абалына алып келген кырдаалга салыштырмалуу, динамикалык чыңалуу алгоритми убакыттын жана токтун өтүшү менен каталарды топтобойт, бул чоң артыкчылык. заряд/разряд ток жөнүндө эч кандай маалымат жок болгондуктан, динамикалык чыңалуу алгоритми начар кыска мөөнөттүү тактык жана жай жооп убакыт бар. Мындан тышкары, ал толук кубаттоого баа бере албайт. Бирок, ал узак мөөнөттүү тактык жагынан жакшы аткарат, анткени аккумулятордун чыңалышы бара-бара анын заряддын абалын түздөн-түз чагылдырат.