1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1. Uzlādes stāvoklis (SOC)

Uzlādes stāvokli var definēt kā akumulatorā pieejamās elektriskās enerģijas stāvokli, ko parasti izsaka procentos. Tā kā pieejamā elektriskā enerģija mainās atkarībā no uzlādes un izlādes strāvas, temperatūras un novecošanas parādībām, lādēšanas stāvokļa definīcija ir sadalīta divos veidos: absolūtais uzlādes stāvoklis (ASOC) un relatīvais uzlādes stāvoklis (relatīvais stāvoklis). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Parasti relatīvais uzlādes līmenis ir 0–100%, savukārt akumulators ir 100%, kad tas ir pilnībā uzlādēts, un 0%, kad tas ir pilnībā izlādēts. Absolūtais uzlādes stāvoklis ir atsauces vērtība, kas aprēķināta atbilstoši projektētajai fiksētajai jaudas vērtībai, kad akumulators tiek ražots. Pilnīgi jauna pilnībā uzlādēta akumulatora absolūtais uzlādes stāvoklis ir 100%; un pat tad, ja novecojošs akumulators ir pilnībā uzlādēts, tas nevar sasniegt 100% dažādos uzlādes un izlādes apstākļos.

Zemāk esošajā attēlā parādīta attiecība starp spriegumu un akumulatora kapacitāti pie dažādiem izlādes ātrumiem. Jo augstāks izlādes ātrums, jo mazāka akumulatora jauda. Kad temperatūra ir zema, samazinās arī akumulatora jauda.

Skaitlis 1.

Attiecība starp spriegumu un jaudu pie dažādiem izlādes ātrumiem un temperatūrām

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 Pilnībā uzlādēts

Ja starpība starp akumulatora spriegumu un augstāko uzlādes spriegumu ir mazāka par 100 mV un uzlādes strāva nokrītas līdz C/10, akumulatoru var uzskatīt par pilnībā uzlādētu. Akumulatora raksturlielumi ir atšķirīgi, un arī pilnas uzlādes apstākļi ir atšķirīgi.

Zemāk esošajā attēlā parādīta tipiska litija akumulatora uzlādes raksturlīkne. Ja akumulatora spriegums ir vienāds ar augstāko uzlādes spriegumu un uzlādes strāva nokrītas līdz C/10, akumulators tiek uzskatīts par pilnībā uzlādētu.

2. attēls. Litija akumulatora uzlādes raksturlīkne

1.4 Mini izlādes spriegums

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 Pilnīga izlāde

Ja akumulatora spriegums ir mazāks vai vienāds ar minimālo izlādes spriegumu, to var saukt par pilnīgu izlādi.

1.6. Uzlādes un izlādes ātrums (C-rate)

Uzlādes-izlādes ātrums ir uzlādes-izlādes strāvas izteiksme attiecībā pret akumulatora jaudu. Piemēram, ja vienu stundu izmanto 1C, lai izlādētos, ideālā gadījumā akumulators būs pilnībā izlādējies. Dažādi uzlādes un izlādes ātrumi radīs atšķirīgu izmantojamo jaudu. Parasti, jo lielāks ir uzlādes-izlādes ātrums, jo mazāka ir pieejamā jauda.

1.7 Cikla kalpošanas laiks

Ciklu skaits ir to reižu skaits, kad akumulators ir pilnībā uzlādēts un izlādējies, ko var noteikt pēc faktiskās izlādes jaudas un projektētās jaudas. Ja uzkrātā izlādes jauda ir vienāda ar projektēto jaudu, ciklu skaits ir vienreizējs. Parasti pēc 500 uzlādes-izlādes cikliem pilnībā uzlādēta akumulatora jauda samazinās par 10% ~ 20%.

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

1.8 Pašizlāde

Visu akumulatoru pašizlāde palielinās, paaugstinoties temperatūrai. Pašizlāde būtībā nav ražošanas defekts, bet gan paša akumulatora īpašības. Tomēr nepareiza apstrāde ražošanas procesā var izraisīt arī pašizlādes palielināšanos. Parasti pašizlādes ātrums dubultojas par katru akumulatora temperatūras pieaugumu par 10°C. Litija jonu akumulatoru ikmēneša pašizlāde ir aptuveni 1-2%, savukārt dažādu niķeļa akumulatoru ikmēneša pašizlāde ir 10-15%.

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

2. Ievads akumulatora degvielas mērītājā

2.1. Ievads par degvielas mērītāja funkciju

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 Atvērtās ķēdes sprieguma metode

Elektrības skaitītāju ar atvērtās ķēdes sprieguma metodi ir vieglāk ieviest, un to var iegūt, meklējot tabulu, kas atbilst atvērtās ķēdes sprieguma uzlādes stāvoklim. Atvērtās ķēdes sprieguma hipotētiskais stāvoklis ir akumulatora spailes spriegums, kad akumulators atrodas apmēram 30 minūtes.

Pie atšķirīgas slodzes, temperatūras un akumulatora novecošanas akumulatora sprieguma līkne būs atšķirīga. Tāpēc fiksēts atvērtas ķēdes voltmetrs nevar pilnībā attēlot uzlādes stāvokli; uzlādes stāvokli nevar novērtēt, tikai uzmeklējot tabulu. Citiem vārdiem sakot, ja uzlādes stāvokli novērtē, tikai meklējot tabulu, kļūda būs ļoti liela.

Nākamajā attēlā parādīts, ka tiek uzlādēts un izlādēts viens un tas pats akumulatora spriegums, un uzlādes stāvoklis, kas konstatēts ar atvērtās ķēdes sprieguma metodi, ir ļoti atšķirīgs.

5. attēls. Akumulatora spriegums uzlādes un izlādes laikā

Zemāk redzamajā attēlā redzams, ka uzlādes stāvoklis izlādes laikā dažādās slodzēs ļoti atšķiras. Tātad būtībā atvērtās ķēdes sprieguma metode ir piemērota tikai sistēmām ar zemām prasībām attiecībā uz uzlādes stāvokļa precizitāti, piemēram, svina-skābes akumulatoru vai nepārtrauktas barošanas avotu izmantošanai automašīnās.

6. attēls. Akumulatora spriegums pie dažādām slodzēm izlādes laikā

2.3. Kulona mērīšanas metode

Kulona mērīšanas metodes darbības princips ir pieslēgt noteikšanas rezistoru uz akumulatora uzlādes/izlādes ceļa. ADC mēra spriegumu uz noteikšanas rezistora un pārvērš to uzlādējamā vai izlādētā akumulatora pašreizējā vērtībā. Reāllaika skaitītājs (RTC) nodrošina pašreizējās vērtības integrāciju ar laiku, lai uzzinātu, cik kulonu plūst cauri.

7. attēls. Kulona mērīšanas metodes pamatdarba metode

Kulona mērīšanas metode var precīzi aprēķināt reāllaika uzlādes stāvokli uzlādes vai izlādes laikā. Izmantojot uzlādes kulonu skaitītāju un izlādes kulonu skaitītāju, tas var aprēķināt atlikušo jaudu (RM) un pilno uzlādes jaudu (FCC). Tajā pašā laikā atlikušo jaudu (RM) un pilnu uzlādes jaudu (FCC) var izmantot arī, lai aprēķinātu uzlādes stāvokli, tas ir (SOC = RM / FCC). Turklāt tas var arī novērtēt atlikušo laiku, piemēram, jaudas izsīkumu (TTE) un pilnu jaudu (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Ir divi galvenie faktori, kas izraisa Kulona mērījumu metodes precizitātes novirzes. Pirmais ir nobīdes kļūdu uzkrāšanās strāvas noteikšanā un ADC mērījumos. Lai gan mērījumu kļūda ar pašreizējām tehnoloģijām joprojām ir neliela, ja nav labs veids, kā to novērst, kļūda ar laiku palielināsies. Zemāk redzamajā attēlā redzams, ka praktiskos pielietojumos, ja laika ilgums netiek labots, uzkrātā kļūda ir neierobežota.

9. attēls. Kulona mērījumu metodes kumulatīvā kļūda

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. attēls. Kulona mērījumu metodes kumulatīvās kļūdas novēršanas nosacījumi

Otrs galvenais faktors, kas izraisa kulona mērījumu metodes precizitātes novirzi, ir pilnas uzlādes jaudas (FCC) kļūda, kas ir starpība starp akumulatora projektētās jaudas vērtību un akumulatora patieso pilnās uzlādes jaudu. Pilnu uzlādes jaudu (FCC) ietekmēs temperatūra, novecošanās, slodze un citi faktori. Tāpēc kulona mērīšanas metodei ir ļoti svarīga pilnas uzlādes jaudas pārmācīšanās un kompensācijas metode. Nākamajā attēlā parādīta uzlādes stāvokļa kļūdas tendence, kad pilna uzlādes jauda ir pārvērtēta un novērtēta par zemu.

11. attēls. Kļūdu tendence, kad pilna uzlādes jauda ir pārvērtēta un novērtēta par zemu

2.4. Dinamiskā sprieguma algoritma degvielas mērītājs

Dinamiskā sprieguma algoritma degvielas mērītājs var aprēķināt litija akumulatora uzlādes stāvokli, pamatojoties tikai uz akumulatora spriegumu. Šī metode ir paredzēta, lai novērtētu uzlādes stāvokļa pieaugumu vai samazināšanos, pamatojoties uz starpību starp akumulatora spriegumu un akumulatora atvērtās ķēdes spriegumu. Dinamiskā sprieguma informācija var efektīvi simulēt litija akumulatora darbību, lai noteiktu SOC uzlādes stāvokli (%), taču šī metode nevar novērtēt akumulatora jaudas vērtību (mAh).

Tās aprēķina metode ir balstīta uz dinamisko starpību starp akumulatora spriegumu un atvērtās ķēdes spriegumu, izmantojot iteratīvu algoritmu, lai aprēķinātu katru uzlādes stāvokļa pieaugumu vai samazināšanos, lai novērtētu uzlādes stāvokli. Salīdzinājumā ar kulonu mērīšanas degvielas mērītāja risinājumu, dinamiskā sprieguma algoritma degvielas mērītājs neuzkrāj kļūdas laika un strāvas laikā. Kulona mērīšanas degvielas mērītāji parasti izraisa neprecīzu uzlādes stāvokļa novērtējumu strāvas uztveršanas kļūdu un akumulatora pašizlādes dēļ. Pat ja pašreizējās noteikšanas kļūda ir ļoti maza, kulona skaitītājs turpinās uzkrāt kļūdu, un uzkrāto kļūdu var novērst tikai tad, kad tas ir pilnībā uzlādēts vai pilnībā izlādējies.

Dinamiskais sprieguma algoritms degvielas mērītājs novērtē akumulatora uzlādes stāvokli tikai pēc sprieguma informācijas; jo tas netiek novērtēts pēc pašreizējās akumulatora informācijas, tas neuzkrāj kļūdas. Lai uzlabotu uzlādes stāvokļa precizitāti, dinamiskā sprieguma algoritmam ir jāizmanto faktiska ierīce un jāpielāgo optimizēta algoritma parametri atbilstoši faktiskajai akumulatora sprieguma līknei, kad tas ir pilnībā uzlādēts un pilnībā izlādējies.

12. attēls. Dinamiskā sprieguma algoritma degvielas mērītāja veiktspēja un pastiprinājuma optimizācija

Tālāk ir norādīta dinamiskā sprieguma algoritma darbība dažādos izlādes ātruma apstākļos. No attēla var redzēt, ka tā uzlādes stāvoklim ir laba precizitāte. Neatkarīgi no C/2, C/4, C/7 un C/10 izlādes apstākļiem šīs metodes kopējā uzlādes stāvokļa kļūda ir mazāka par 3%.

13. attēls. Dinamiskā sprieguma algoritma uzlādes stāvokļa veiktspēja dažādos izlādes ātruma apstākļos

Zemāk esošajā attēlā parādīta uzlādes stāvokļa veiktspēja, kad akumulators ir īsi uzlādēts un īsi izlādējies. Uzlādes stāvokļa kļūda joprojām ir ļoti maza, un maksimālā kļūda ir tikai 3%.

14. attēls. Dinamiskā sprieguma algoritma uzlādes stāvokļa veiktspēja, kad akumulators ir īsi uzlādēts un īsi izlādējies

Salīdzinot ar situāciju, kad Kulona mērīšanas degvielas mērītājs parasti izraisa neprecīzu uzlādes stāvokli strāvas uztveršanas kļūdu un akumulatora pašizlādes dēļ, dinamiskā sprieguma algoritms neuzkrāj kļūdas laika un strāvas laikā, kas ir liela priekšrocība. Tā kā nav informācijas par uzlādes/izlādes strāvu, dinamiskā sprieguma algoritmam ir slikta īstermiņa precizitāte un lēns reakcijas laiks. Turklāt tas nevar novērtēt pilnu uzlādes jaudu. Tomēr tas darbojas labi ilgtermiņa precizitātes ziņā, jo akumulatora spriegums galu galā tieši atspoguļos tā uzlādes stāvokli.