1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Apmokestinimo būsena (SOC)

Įkrovimo būsena gali būti apibrėžta kaip turimos akumuliatoriaus elektros energijos būsena, paprastai išreiškiama procentais. Kadangi turima elektros energija skiriasi priklausomai nuo įkrovimo ir iškrovos srovės, temperatūros ir senėjimo reiškinių, įkrovos būsenos apibrėžimas taip pat skirstomas į du tipus: absoliuti įkrovimo būsena (ASOC) ir santykinė įkrovimo būsena (santykinė būsena). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Paprastai santykinis įkrovimo diapazonas yra 0–100%, o visiškai įkrautas akumuliatorius yra 100%, o visiškai išsikrovęs – 0%. Absoliuti įkrovimo būsena yra etaloninė vertė, apskaičiuota pagal suprojektuotą fiksuotą talpos vertę, kai baterija gaminama. Visiškai naujos visiškai įkrautos baterijos absoliuti įkrovimo būsena yra 100%; ir net jei senstantis akumuliatorius yra visiškai įkrautas, jis negali pasiekti 100% skirtingomis įkrovimo ir iškrovimo sąlygomis.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas ryšys tarp įtampos ir akumuliatoriaus talpos esant skirtingam iškrovimo greičiui. Kuo didesnis iškrovimo greitis, tuo mažesnė akumuliatoriaus talpa. Kai temperatūra žema, akumuliatoriaus talpa taip pat sumažės.

1 pav.

Ryšys tarp įtampos ir talpos esant skirtingam iškrovimo greičiui ir temperatūrai

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 Visiškai įkrautas

Kai skirtumas tarp akumuliatoriaus įtampos ir aukščiausios įkrovimo įtampos yra mažesnis nei 100 mV, o įkrovimo srovė nukrenta iki C/10, baterija gali būti laikoma visiškai įkrauta. Akumuliatoriaus charakteristikos skiriasi, o viso įkrovimo sąlygos taip pat skiriasi.

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodyta tipinė ličio akumuliatoriaus įkrovimo charakteristikos kreivė. Kai akumuliatoriaus įtampa lygi didžiausiai įkrovimo įtampai, o įkrovimo srovė nukrenta iki C/10, akumuliatorius laikomas visiškai įkrautu.

2 pav. Ličio baterijos įkrovimo charakteristikos kreivė

1.4 Mini iškrovimo įtampa

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 Visiškai iškrauti

Kai akumuliatoriaus įtampa yra mažesnė arba lygi minimaliai iškrovimo įtampai, tai gali būti vadinama visišku iškrovimu.

1.6 Įkrovimo ir iškrovimo greitis (C-rate)

Įkrovimo-iškrovimo greitis yra įkrovimo-iškrovimo srovės, palyginti su akumuliatoriaus talpa, išraiška. Pavyzdžiui, jei 1C naudojamas vieną valandą išsikrauti, idealiu atveju baterija bus visiškai išsikrovusi. Skirtingi įkrovimo ir iškrovimo laipsniai lems skirtingą naudojamą pajėgumą. Paprastai kuo didesnis įkrovimo ir iškrovimo greitis, tuo mažesnė talpa.

1.7 Ciklo trukmė

Ciklų skaičius yra akumuliatoriaus visiško įkrovimo ir iškrovimo kartų skaičius, kurį galima įvertinti pagal faktinę iškrovimo galią ir projektinę talpą. Kai sukaupta iškrovimo talpa yra lygi projektinei galiai, ciklų skaičius yra vienas. Paprastai po 500 įkrovimo-iškrovimo ciklų visiškai įkrauto akumuliatoriaus talpa sumažėja 10% ~ 20%.

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

1.8 Savaiminis išsikrovimas

Visų baterijų savaiminis išsikrovimas didėja kylant temperatūrai. Savaiminis išsikrovimas iš esmės yra ne gamybos brokas, o pačios baterijos savybės. Tačiau netinkamas tvarkymas gamybos procese taip pat gali sukelti savaiminio išsikrovimo padidėjimą. Paprastai savaiminio išsikrovimo greitis padvigubėja kaskart 10°C padidėjus akumuliatoriaus temperatūrai. Mėnesinis ličio jonų akumuliatorių savaiminis išsikrovimas yra apie 1–2%, o įvairių nikelio baterijų savaiminis išsikrovimas yra 10–15%.

4 pav. Ličio baterijų savaiminio išsikrovimo greičio charakteristikos esant skirtingoms temperatūroms

2. Įvadas į akumuliatoriaus kuro matuoklį

2.1 Įvadas į degalų matuoklio funkciją

Akumuliatoriaus valdymas gali būti laikomas energijos valdymo dalimi. Valdant akumuliatorių, degalų matuoklis yra atsakingas už akumuliatoriaus talpos įvertinimą. Pagrindinė jo funkcija yra stebėti įtampą, įkrovimo / iškrovimo srovę ir akumuliatoriaus temperatūrą bei įvertinti akumuliatoriaus įkrovos būseną (SOC) ir pilną akumuliatoriaus įkrovimo talpą (FCC). Yra du tipiniai akumuliatoriaus įkrovos būsenos įvertinimo metodai: atviros grandinės įtampos metodas (OCV) ir kulonometrinis metodas. Kitas metodas yra RICHTEK sukurtas dinaminės įtampos algoritmas.

2.2 Atviros grandinės įtampos metodas

Elektros skaitiklį, naudojantį atviros grandinės įtampos metodą, įdiegti lengviau, jį galima gauti pažiūrėjus į lentelę, atitinkančią atviros grandinės įtampos įkrovos būseną. Hipotetinė atviros grandinės įtampos būsena yra akumuliatoriaus gnybtų įtampa, kai baterija stovi apie 30 minučių.

Esant skirtingam apkrovimui, temperatūrai ir akumuliatoriaus senėjimui, akumuliatoriaus įtampos kreivė skirsis. Todėl fiksuotas atviros grandinės voltmetras negali visiškai parodyti įkrovos būsenos; įkrovos būsenos negalima įvertinti vien pažvelgus į lentelę. Kitaip tariant, jei įkrovos būsena įvertinama tik pažvelgus į lentelę, paklaida bus labai didelė.

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad įkraunama ir iškraunama ta pati akumuliatoriaus įtampa, o atvirosios grandinės įtampos metodu nustatyta įkrovimo būsena labai skiriasi.

5 pav. Akumuliatoriaus įtampa kraunant ir iškraunant

Toliau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad įkrovos būsena labai skiriasi esant skirtingoms apkrovoms iškrovimo metu. Taigi iš esmės atvirosios grandinės įtampos metodas tinka tik sistemoms, kurioms keliami žemi įkrovimo būsenos tikslumo reikalavimai, pavyzdžiui, naudojant švino-rūgšties baterijas arba nepertraukiamo maitinimo šaltinius automobiliuose.

6 pav. Akumuliatoriaus įtampa esant skirtingoms apkrovoms išsikrovimo metu

2.3 Kulono matavimo metodas

Kulonų matavimo metodo veikimo principas yra prijungti aptikimo rezistorių akumuliatoriaus įkrovimo / iškrovimo kelyje. ADC matuoja aptikimo rezistoriaus įtampą ir konvertuoja ją į dabartinę įkraunamos arba išsikraunančios baterijos vertę. Realaus laiko skaitiklis (RTC) integruoja dabartinę vertę su laiku, kad žinotų, kiek kulonų teka.

7 pav. Pagrindinis Kulono matavimo metodo darbo metodas

Kulono matavimo metodas gali tiksliai apskaičiuoti įkrovimo būseną realiuoju laiku įkrovimo ar iškrovimo metu. Naudodamas įkrovimo kulonų skaitiklį ir iškrovimo kulonų skaitiklį, jis gali apskaičiuoti likusią talpą (RM) ir visą įkrovimo pajėgumą (FCC). Tuo pačiu metu likusią talpą (RM) ir pilną įkrovimo talpą (FCC) taip pat galima naudoti apskaičiuojant įkrovos būseną, tai yra (SOC = RM / FCC). Be to, jis taip pat gali įvertinti likusį laiką, pvz., energijos išeikvojimą (TTE) ir visą galią (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Yra du pagrindiniai veiksniai, lemiantys Kulono matavimo metodo tikslumo nukrypimus. Pirmoji – srovės jutimo ir ADC matavimo poslinkio klaidų kaupimasis. Nors matavimo paklaida naudojant dabartinę technologiją vis dar nedidelė, jei nėra tinkamo būdo ją pašalinti, paklaida su laiku didės. Žemiau pateiktame paveikslėlyje parodyta, kad praktiškai, jei nėra laiko trukmės pataisos, sukaupta klaida yra neribota.

9 pav. Kulono matavimo metodo kumuliacinė paklaida

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 pav. Kulono matavimo metodo kumuliacinės paklaidos pašalinimo sąlygos

Antras svarbus veiksnys, lemiantis kulonų matavimo metodo tikslumo nuokrypį, yra pilno įkrovimo talpos (FCC) paklaida, kuri yra skirtumas tarp akumuliatoriaus projektinės talpos vertės ir tikrosios baterijos pilno įkrovimo talpos. Visą įkrovimo pajėgumą (FCC) paveiks temperatūra, senėjimas, apkrova ir kiti veiksniai. Todėl kulonų matavimo metodui labai svarbus viso įkrovimo pajėgumo permokymas ir kompensavimo metodas. Toliau pateiktame paveikslėlyje parodytas įkrovimo būsenos paklaidos tendencijos reiškinys, kai visa įkrovimo talpa yra pervertinta ir neįvertinta.

11 pav. Klaidos tendencija, kai visa įkrovimo talpa pervertinama ir neįvertinama

2.4 Dinaminio įtampos algoritmo kuro matuoklis

Dinaminio įtampos algoritmo degalų matuoklis gali apskaičiuoti ličio akumuliatoriaus įkrovos būseną tik pagal akumuliatoriaus įtampą. Šis metodas skirtas įvertinti įkrovos būsenos padidėjimą arba sumažėjimą, remiantis skirtumu tarp akumuliatoriaus įtampos ir akumuliatoriaus atviros grandinės įtampos. Dinaminės įtampos informacija gali efektyviai imituoti ličio baterijos elgseną, kad būtų galima nustatyti įkrovimo SOC būseną (%), tačiau šiuo metodu negalima įvertinti akumuliatoriaus talpos vertės (mAh).

Jo apskaičiavimo metodas pagrįstas dinaminiu skirtumu tarp akumuliatoriaus įtampos ir atviros grandinės įtampos, naudojant iteracinį algoritmą, skirtą apskaičiuoti kiekvieną įkrovos būsenos padidėjimą arba sumažėjimą, kad būtų galima įvertinti įkrovos būseną. Palyginti su kulonų matavimo degalų matuoklio sprendimu, dinaminio įtampos algoritmo degalų matuoklis nekaups klaidų per laiką ir srovę. Kulonų matavimo degalų matuokliai dažniausiai sukelia netikslų įkrovos būsenos įvertinimą dėl srovės jutimo klaidų ir akumuliatoriaus savaiminio išsikrovimo. Net jei srovės jutimo klaida yra labai maža, kulonų skaitiklis ir toliau kaups klaidą, o susikaupusią klaidą galima pašalinti tik tada, kai jis bus visiškai įkrautas arba visiškai iškrautas.

Dinaminis įtampos algoritmas degalų matuoklis įvertina akumuliatoriaus įkrovimo būseną tik pagal įtampos informaciją; nes jis neįvertinamas pagal esamą akumuliatoriaus informaciją, todėl klaidų nekaupia. Siekiant pagerinti įkrovos būsenos tikslumą, dinaminės įtampos algoritmas turi naudoti faktinį įrenginį, o optimizuoto algoritmo parametrus koreguoti pagal faktinę akumuliatoriaus įtampos kreivę, kai jis visiškai įkrautas ir visiškai išsikrovęs.

12 pav. Dinaminio įtampos algoritmo kuro matuoklio veikimas ir stiprinimo optimizavimas

Toliau pateikiamas dinaminės įtampos algoritmo veikimas skirtingomis iškrovos sąlygomis. Iš paveikslo matyti, kad jo įkrovos būsena turi gerą tikslumą. Nepriklausomai nuo C/2, C/4, C/7 ir C/10 iškrovimo sąlygų, bendra šio metodo įkrovimo būsenos paklaida yra mažesnė nei 3%.

13 pav. Dinaminės įtampos algoritmo įkrovos būsenos veikimas skirtingomis iškrovos sąlygomis

Žemiau esančiame paveikslėlyje parodytas įkrovimo būsenos veikimas, kai akumuliatorius yra trumpai įkrautas ir trumpai išsikrovęs. Įkrovimo būsenos paklaida vis dar yra labai maža, o didžiausia paklaida yra tik 3%.

14 pav. Dinaminės įtampos algoritmo įkrovos būsenos veikimas, kai akumuliatorius trumpai įkraunamas ir trumpai iškraunamas

Lyginant su situacija, kai Coulomb matavimo degalų matuoklis dažniausiai sukelia netikslią įkrovimo būseną dėl srovės jutimo klaidų ir akumuliatoriaus savaiminio išsikrovimo, dinaminės įtampos algoritmas nekaupia klaidų per laiką ir srovę, o tai yra didelis privalumas. Kadangi nėra informacijos apie įkrovimo/iškrovimo srovę, dinaminės įtampos algoritmas pasižymi prastu trumpalaikiu tikslumu ir lėtu atsako laiku. Be to, jis negali įvertinti visos įkrovimo talpos. Tačiau jis gerai veikia ilgalaikio tikslumo požiūriu, nes akumuliatoriaus įtampa ilgainiui tiesiogiai atspindės jo įkrovimo būseną.