1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Den Zoustand vun der Ladung kann definéiert ginn als den Zoustand vun der verfügbarer elektrescher Energie an der Batterie, normalerweis als Prozentsaz ausgedréckt. Well déi verfügbar elektresch Energie variéiert mat Ladungs- an Entladungsstroum, Temperatur an Alterungsphenomener, ass d’Definitioun vum Ladungszoustand och an zwou Zorte opgedeelt: Absolute State-Of-Charge (ASOC) a Relative State-of-Charge (Relative State-of-Charge) -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalerweis ass de relativen Zoustand vun der Ladungsbereich 0% -100%, während d’Batterie 100% ass wann se voll gelueden ass an 0% wann se komplett entlaascht ass. Den absolute Ladungszoustand ass e Referenzwäert berechent no dem designéierte fixe Kapazitéitswäert wann d’Batterie hiergestallt gëtt. Den absolute Ladungszoustand vun enger fuschneie voll gelueden Batterie ass 100%; an och wann eng alternd Batterie voll gelueden ass, kann se net 100% ënner verschiddene Oplued- an Entladungsbedéngungen erreechen.

D’Figur hei ënnen weist d’Relatioun tëscht Spannung a Batteriekapazitéit bei verschiddenen Entladungsraten. Wat méi héich d’Entladungsquote ass, dest manner d’Batteriekapazitéit. Wann d’Temperatur niddereg ass, wäert d’Batteriekapazitéit och erofgoen.

Figure 1.

D’Relatioun tëscht Spannung a Kapazitéit bei verschiddene Entladungsraten an Temperaturen

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 Voll gelueden

Wann den Ënnerscheed tëscht der Batteriespannung an der héchster Ladespannung manner wéi 100mV ass, an de Ladestroum op C/10 fällt, kann d’Batterie als voll gelueden ugesi ginn. D’Batteriecharakteristike sinn ënnerschiddlech, an déi voll Ladungsbedéngungen sinn och anescht.

D’Figur hei ënnen weist eng typesch Lithium Batterie Opluedstatioun charakteristesche Curve. Wann d’Batteriespannung gläich ass mat der héchster Ladespannung an de Ladestroum op C/10 fällt, gëtt d’Batterie als voll gelueden ugesinn.

Figur 2. Lithium Batterie Opluedstatiounen charakteristesche Kéier

1.4 Mini Ausluede Volt

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 Voll Entladung

Wann d’Batteriespannung manner wéi oder gläich ass wéi d’Mindestladungsspannung, kann et eng komplett Entladung genannt ginn.

1.6 Charge- an Entladungsrate (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 Zyklus Liewen

D’Zuel vun den Zyklen ass d’Zuel vun de Mol eng Batterie komplett opgeléist an entlooss huet, wat aus der aktueller Entladungskapazitéit an der Designkapazitéit geschat ka ginn. Wann ëmmer déi akkumuléiert Entladungskapazitéit d’selwecht ass wéi d’Designkapazitéit, ass d’Zuel vun den Zyklen eemol. Normalerweis no 500 Laden-Entladungszyklen fällt d’Kapazitéit vun enger voll gelueden Batterie ëm 10% ~ 20%.

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

1.8 Selbstbezuelung

D’Selbstentladung vun alle Batterien erhéicht wéi d’Temperatur eropgeet. Selwer Entladung ass am Fong net e Fabrikatiounsdefekt, awer d’Charakteristike vun der Batterie selwer. Wéi och ëmmer, falsch Handhabung am Fabrikatiounsprozess kann och eng Erhéijung vun der Selbstentladung verursaachen. Allgemeng verduebelt d’Selbstentladungsquote fir all 10 °C Erhéijung vun der Batterietemperatur. D’monatlecht Selbstentladung vu Lithium-Ion Batterien ass ongeféier 1 ~ 2%, während d’monatlecht Selbstentladung vu verschiddenen Nickel-baséiert Batterien 10-15% ass.

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

2. Aféierung an Batterie Brennstoff Jauge

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 Open Circuit Volt Method

Den Elektrizitéitsmeter mat der Open Circuit Spannungsmethod ass méi einfach ze implementéieren, an et ka kritt ginn andeems Dir d’Tabell kuckt entsprécht dem Ladungszoustand vun der Open Circuit Spannung. Den hypotheteschen Zoustand vun der Open Circuit Spannung ass d’Batterieterminalspannung wann d’Batterie ongeféier 30 Minutten riicht.

Ënner verschiddene Laascht, Temperatur, a Batterie Alterung, wäert d’Batterie Volt Curve anescht ginn. Dofir kann e fixen Open Circuit Voltmeter den Zoustand vun der Ladung net voll representéieren; den Zoustand vun der Charge kann net geschat ginn andeems Dir den Dësch eleng kuckt. An anere Wierder, wann de Chargezoustand nëmmen duerch d’Tabell gekuckt gëtt, wäert de Feeler ganz grouss sinn.

Déi folgend Figur weist datt déiselwecht Batteriespannung ënner Ladung an Entladung ass, an den Zoustand vun der Ladung, déi vun der Open Circuit Spannungsmethod fonnt gëtt, ass ganz anescht.

Figur 5. Batterie Volt ënner Opluedstatiounen an Offlossquantitéit

D’Figur hei drënner weist datt den Zoustand vun der Ladung immens ënner verschiddene Lasten wärend der Entladung variéiert. Also am Fong ass d’Open Circuit Spannungsmethod nëmme gëeegent fir Systemer mat nidderegen Ufuerderunge fir d’Genauegkeet vum Ladungszoustand, sou wéi d’Benotzung vu Bläi-Sauerbatterien oder onënnerbriechleche Stroumversuergung an Autoen.

Figur 6. Batterie Volt ënner verschiddene Laascht während Offlossquantitéit

2.3 Coulomb Mooss Method

De Betribsprinzip vun der Coulomb Miessmethod ass fir en Detektiounswiderstand um Lade- / Entladungswee vun der Batterie ze verbannen. Den ADC moosst d’Spannung um Detektiounswiderstand an konvertéiert se an den aktuelle Wäert vun der Batterie déi gelueden oder entlaascht gëtt. Den Echtzäitzähler (RTC) liwwert d’Integratioun vum aktuelle Wäert mat der Zäit, fir ze wëssen wéivill Coulombs duerch fléissen.

Figur 7. Basis schaffen Method vun Coulomb Mooss Method

Coulomb Miessmethod kann den Echtzäitzoustand vun der Ladung präzis berechnen wärend der Opluedung oder Entladung. Mat der Charge Coulomb Konter an der Offlossquantitéit Coulomb Konter, kann et déi reschtlech Kapazitéit (RM) an déi voll charge Kapazitéit (FCC) berechnen. Zur selwechter Zäit kënnen déi verbleiwen Kapazitéit (RM) an déi voll Ladekapazitéit (FCC) och benotzt ginn fir den Zoustand vun der Ladung ze berechnen, dat ass (SOC = RM / FCC). Zousätzlech kann et och déi reschtlech Zäit schätzen, sou wéi Kraaftausschöpfung (TTE) a Vollkraaft (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Et ginn zwee Haaptfaktoren déi Ofwäichunge vun der Genauegkeet vun der Coulomb Miessmethod verursaachen. Déi éischt ass d’Akkumulation vun Offsetfehler an der aktueller Sensing an der ADC Messung. Och wann de Miessfehler mat der aktueller Technologie nach ëmmer kleng ass, wann et kee gudde Wee gëtt fir et ze eliminéieren, wäert de Feeler mat der Zäit eropgoen. D’Figur hei ënnen weist datt an prakteschen Uwendungen, wann et keng Korrektur an der Zäitdauer ass, de akkumuléierte Feeler onlimitéiert ass.

Figur 9. Kumulative Feeler vun Coulomb Mooss 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. Konditioune fir de kumulative Feeler vun der Coulomb Miessmethod ze eliminéieren

Den zweete grousse Faktor, deen d’Ofwäichung vun der Genauegkeet vun der Coulomb Miessmethod verursaacht, ass de FCC-Feeler (Full Charge Kapazitéit), deen den Ënnerscheed tëscht dem Wäert vun der Batteriedesignkapazitéit an der richteger Vollladungskapazitéit vun der Batterie ass. Voll Ladungskapazitéit (FCC) gëtt vun Temperatur, Alterung, Belaaschtung an aner Faktoren beaflosst. Dofir ass d’Neiléieren a Kompensatiounsmethod vun der voller Ladungskapazitéit ganz wichteg fir d’Coulomb Miessmethod. Déi folgend Figur weist den Trend Phänomen vum Staat vun charge Feeler wann déi voll charge Kapazitéit iwwerschat an ënnerschat ass.

Figur 11. De Feeler Trend wann déi voll charge Kapazitéit iwwerschätzt an ënnerschat ass

2.4 Dynamic Volt Algorithmus Brennstoff Jauge

Den dynamesche Spannungsalgorithmus Brennstoffmeter kann den Ladungszoustand vun der Lithium Batterie berechnen nëmmen op Basis vun der Batteriespannung. Dës Method ass fir d’Erhéijung oder Ofsenkung vum Ladungszoustand ze schätzen baséiert op den Ënnerscheed tëscht der Batteriespannung an der Open Circuit Spannung vun der Batterie. Déi dynamesch Spannungsinformatioun kann d’Behuele vun der Lithium Batterie effektiv simuléieren fir den Zoustand vun der Ladung SOC (%) ze bestëmmen, awer dës Method kann d’Batteriekapazitéitwäert (mAh) net schätzen.

Seng Berechnungsmethod baséiert op dem dynameschen Ënnerscheed tëscht der Batteriespannung an der Open Circuit Spannung, andeems en iterativen Algorithmus benotzt fir all Erhéijung oder Ofsenkung vum Ladungszoustand ze berechnen fir den Zoustand vun der Ladung ze schätzen. Am Verglach mat der Léisung vun der Coulomb Metering Brennstoff Jauge, wäert den dynamesche Volt Algorithmus Brennstoff Jauge keng Feeler iwwer Zäit a Stroum accumuléieren. Coulomb Metering Brennstoff Gauges verursaache normalerweis eng ongenau Schätzung vum Ladungszoustand wéinst aktuellen Sensefeeler a Batterie Selbstentladung. Och wann den aktuellen Senséierfehler ganz kleng ass, wäert de Coulomb-Zähler weider de Fehler accumuléieren, an de akkumuléierte Feeler kann nëmmen eliminéiert ginn wann et voll gelueden oder komplett entlooss ass.

Den dynamesche Spannung Algorithmus Brennstoff Jauge schätzt den Zoustand vun der Ladung vun der Batterie nëmmen duerch Spannungsinformatioun; well et net vun der aktueller Informatioun vun der Batterie geschat gëtt, sammelt se keng Feeler. Fir d’Genauegkeet vum Ladungszoustand ze verbesseren, muss den dynamesche Spannungsalgorithmus en aktuellen Apparat benotzen, an d’Parameter vun engem optimiséierten Algorithmus unzepassen no der aktueller Batteriespannungskurve wann se voll gelueden a voll entlooss ass.

Figur 12. Leeschtung vun dynamesch Volt Algorithmus Brennstoff Jauge a Gewënn Optimisatioun

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%.

Figur 13. D’Performance vum Ladungszoustand vum dynamesche Spannungsalgorithmus ënner verschiddenen Auslaaschtungsbedéngungen

D’Figur hei drënner weist d’Performance vum Ladungszoustand wann d’Batterie kuerz gelueden a kuerz gelueden ass. Den Zoustand vum Ladungsfehler ass nach ëmmer ganz kleng, an de maximale Feeler ass nëmmen 3%.

Figure 14. D’Performance vum Ladungszoustand vum dynamesche Spannungsalgorithmus wann d’Batterie kuerz gelueden a kuerz entlaascht ass

Am Verglach mat der Situatioun, wou de Coulomb Meter Brennstoff Jauge normalerweis ongenaue Ladungszoustand verursaacht wéinst aktuellen Senséierungsfehler a Batterie Selbstentladung, sammelt den dynamesche Spannungsalgorithmus keng Feeler iwwer Zäit a Stroum, wat e grousse Virdeel ass. Well et keng Informatioun iwwer d’Laascht / Entladungsstroum gëtt, huet den dynamesche Spannungsalgorithmus eng schlecht kuerzfristeg Genauegkeet a lues Äntwertzäit. Zousätzlech kann et net déi voll Ladekapazitéit schätzen. Wéi och ëmmer, et funktionnéiert gutt a punkto laangfristeg Genauegkeet, well d’Batteriespannung schlussendlech direkt säin Zoustand vun der Ladung reflektéiert.