1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-of-charge (SOC)

Ny toetry ny fiampangana dia azo faritana ho ny toetry ny angovo elektrika misy ao amin’ny bateria, matetika aseho amin’ny isan-jato. Satria miovaova ny angovo elektrika misy amin’ny fiampangana sy ny fivoahana amin’izao fotoana izao, ny mari-pana ary ny fahanterana, ny famaritana ny toetry ny fiampangana dia mizara roa ihany koa: State-Of-Charge (ASOC) sy State-of-Charge (Etat Relative). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Amin’ny ankapobeny dia 0% -100% ny tahan’ny fiampangana, raha 100% ny bateria rehefa feno ary 0% rehefa mivoaka tanteraka. Ny toetry ny fiampangana tanteraka dia sanda fanondro kajy araka ny sandan’ny fahafaha-manao raikitra natao rehefa amboarina ny bateria. 100% ny toetry ny fiampangana tanteraka ny bateria vaovao feno; ary na dia feno tanteraka aza ny bateria efa antitra, dia tsy afaka mahatratra 100% izany amin’ny fepetra famenoana sy famoahana.

Ny sary etsy ambany dia mampiseho ny fifandraisana misy eo amin’ny voltase sy ny fahafahan’ny bateria amin’ny tahan’ny fivoahana samihafa. Arakaraka ny avoakan’ny taham-pivoarana no ambany kokoa ny fahafahan’ny bateria. Rehefa ambany ny mari-pana dia hihena koa ny fahafahan’ny bateria.

Figure 1.

Ny fifandraisana misy eo amin’ny voly sy ny fahafaha-manao amin’ny tahan’ny fivoahana sy ny mari-pana

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 Voaloa tanteraka

Raha latsaky ny 100mV ny fahasamihafana misy eo amin’ny boltsan’ny batterie sy ny voltase famandrihana ambony indrindra, ary midina amin’ny C/10 ny rivo-doza fiampangana, dia azo raisina ho feno ny bateria. Tsy mitovy ny toetran’ny bateria, ary tsy mitovy ihany koa ny fepetra momba ny fiampangana feno.

Ny sary eto ambany dia mampiseho curve mampiavaka ny bateria lithium mahazatra. Rehefa mitovy amin’ny faran’ny fiampangana ambony indrindra ny taham-bolan’ny bateria ary nidina ho C/10 ny rivotry ny fiampangana dia heverina ho feno tanteraka ny bateria.

Sary 2. Lithium bateria fiampangana curve toetra

1.4 Volavolan’ny famoahana kely

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 Famoahana tanteraka

Rehefa latsaka na mitovy amin’ny faran’ny fivoahana ambany indrindra ny tanjaky ny bateria, dia azo antsoina hoe fivoahana tanteraka izany.

1.6 Ny tahan’ny fiampangana sy famotsorana (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 Fiainana tsingerina

Ny isan’ny tsingerina dia ny isan’ny fotoana nandalovan’ny batterie iray feno fiampangana sy famotsorana, izay azo tombanana avy amin’ny fahafahan’ny famoahana sy ny fahaiza-manao famolavolana. Isaky ny mitovy amin’ny fahaizan’ny famolavolana ny fahaiza-manavotra voaangona, dia indray mandeha ny isan’ny tsingerina. Matetika aorian’ny cycles 500 charge-discharge, dia mihena 10% ~ 20% ny fahafahan’ny bateria feno.

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

1.8 Famoahana tena

Mitombo ny famotsorana ny bateria rehetra rehefa miakatra ny mari-pana. Ny famotsorana tena dia tsy kilema amin’ny famokarana, fa ny toetra mampiavaka ny bateria. Na izany aza, ny fikarakarana tsy araka ny tokony ho izy amin’ny fizotran’ny famokarana dia mety hiteraka fitomboan’ny famotsorana tena. Amin’ny ankapobeny, mitombo avo roa heny ny tahan’ny famotsorana tena isaky ny fiakarana 10°C amin’ny hafanan’ny bateria. Ny famotsorana ny bateria lithium-ion isam-bolana dia eo amin’ny 1 ~ 2%, raha 10-15% kosa ny isam-bolana amin’ny bateria mifototra amin’ny nikela isan-karazany.

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

2. Fampidirana ny Fandrefesana solika bateria

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 fomba malefaka

Mora kokoa ny mampihatra ny metatra herinaratra amin’ny alàlan’ny fomba malefaka amin’ny faritra misokatra, ary azo alaina amin’ny fijerena ny latabatra mifanandrify amin’ny toetry ny fiampangana ny volavolan-tsolika misokatra. Ny toetry ny vinavina amin’ny volavolan-tseranana misokatra dia ny voltase terminal bateria rehefa mijanona mandritra ny 30 minitra eo ho eo ny bateria.

Eo ambanin’ny enta-mavesatra, ny mari-pana ary ny fahanteran’ny bateria, dia tsy mitovy ny curve voltase bateria. Noho izany, ny voltmeter misokatra misokatra dia tsy afaka maneho tanteraka ny toetry ny fiampangana; tsy azo tombanana amin’ny fijerena ny latabatra irery ny fanjakana. Raha lazaina amin’ny teny hafa, raha tombanana amin’ny fijerena ny latabatra fotsiny ny toetry ny fiampangana dia ho lehibe tokoa ny fahadisoana.

Ity sary manaraka ity dia mampiseho fa ny boltsan’ny bateria mitovy dia eo ambanin’ny fiampangana sy ny fivoahana, ary ny toetry ny fiampangana hita amin’ny fomba malefaka amin’ny faritra misokatra dia tena hafa.

Sary 5. Volon’ny bateria eo ambany fiampangana sy fanalana

Ny sary etsy ambany dia mampiseho fa miovaova be ny toetry ny fiampangana eo ambanin’ny enta-mavesatra samihafa mandritra ny fivoahana. Noho izany, amin’ny ankapobeny, ny fomba malefaka amin’ny faritra misokatra dia mety amin’ny rafitra misy fepetra ambany ihany ho an’ny fahamarinan’ny toetry ny fiampangana, toy ny fampiasana bateria asidra firaka na famatsiana herinaratra tsy tapaka amin’ny fiara.

Sary 6. Volon’ny bateria eo ambanin’ny enta-mavesatra samihafa mandritra ny fivoahana

2.3 Fomba fandrefesana Coulomb

Ny fitsipiky ny fiasan’ny fomba fandrefesana coulomb dia ny fampifandraisana ny resistor detection amin’ny lalan’ny fiampangana / famoahana ny bateria. Ny ADC dia mandrefy ny voltase amin’ny resistor detection ary mamadika izany ho amin’ny sandan’ny bateria apetraka na avoaka. Ny tena-time counter (RTC) dia manome ny fampidirana ny sanda ankehitriny amin’ny fotoana, mba hahafantarana hoe firy ny coulomb mikoriana.

Sary 7. Fomba fiasa fototra amin’ny fomba fandrefesana Coulomb

Ny fomba fandrefesana Coulomb dia afaka manitsy tsara ny toetry ny fiampangana amin’ny fotoana tena izy mandritra ny famandrihana na famoahana. Miaraka amin’ny kaontera coulomb fiampangana sy ny kaontera coulomb fandefasana, dia azony atao ny manisa ny tavela (RM) sy ny fahafahan’ny fiampangana feno (FCC). Amin’izay fotoana izay ihany koa dia azo ampiasaina amin’ny kajy ny toetry ny fiampangana, izany hoe (SOC = RM / FCC) ny sisa tavela (RM) sy ny tanjaky ny fiampangana feno (FCC). Ankoatra izany, afaka manombana ny fotoana sisa tavela, toy ny fahatapahan-jiro (TTE) sy ny hery feno (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Misy antony roa lehibe mahatonga ny fiviliana amin’ny fahamarinan’ny fomba fandrefesana Coulomb. Ny voalohany dia ny fanangonana ny fahadisoana offset amin’ny fandrefesana ankehitriny sy ny ADC. Na dia mbola kely aza ny fahadisoana fandrefesana amin’ny teknolojia ankehitriny, raha tsy misy fomba tsara hanafoanana azy, dia hitombo ny fahadisoana rehefa mandeha ny fotoana. Ny sary etsy ambany dia mampiseho fa amin’ny fampiharana azo ampiharina, raha tsy misy fanitsiana ny faharetan’ny fotoana, dia tsy voafetra ny fahadisoana voaangona.

Sary 9. Fahadisoana mitambatra amin’ny fomba fandrefesana Coulomb

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.

Sary 10. Ny fepetra hanafoanana ny fahadisoana mitambatra amin’ny fomba fandrefesana Coulomb

Ny antony lehibe faharoa mahatonga ny fivilian’ny fahamarinan’ny fomba fandrefesana coulomb dia ny fahadisoana feno (FCC), izay ny fahasamihafana misy eo amin’ny sandan’ny fahaiza-manaon’ny bateria sy ny fahafahan’ny bateria feno. Ny fahafahan’ny fiampangana feno (FCC) dia hisy fiantraikany amin’ny hafanana, ny fahanterana, ny entana ary ny antony hafa. Noho izany, ny fomba fianarana indray sy ny fanonerana ny fahafahan’ny fiampangana feno dia tena zava-dehibe amin’ny fomba fandrefesana coulomb. Ity sary manaraka ity dia mampiseho ny fironana amin’ny toetry ny tsy fahampian’ny fiampangana rehefa tombanana be loatra sy atao ambanin-javatra ny fahafahan’ny fiampangana feno.

Figure 11. Ny fironana diso rehefa tombanana be loatra sy atao ambanin-javatra ny fahafahan’ny fiampangana feno

2.4 Fandrefesana solika fandrefesana voly malefaka

Ny fandrefesana solika algorithm dynamique dia afaka manao kajy ny toeran’ny fiampangana ny bateria lithium mifototra amin’ny tohana bateria ihany. Ity fomba ity dia ny manombatombana ny fitomboana na ny fihenan’ny toetry ny fiampangana mifototra amin’ny fahasamihafana misy eo amin’ny boltsan’ny batterie sy ny voltase misokatra amin’ny batterie. Ny fampahalalam-baovao dynamique dia afaka maminavina tsara ny fihetsiky ny bateria lithium mba hamaritana ny toetry ny fiampangana SOC (%), saingy tsy afaka manombatombana ny sandan’ny bateria (mAh) ity fomba ity.

Ny fomba kajy dia mifototra amin’ny fahasamihafan’ny dynamique eo amin’ny boltsan’ny batterie sy ny boltsan’ny circuit open, amin’ny fampiasana algorithm iterative hanombanana ny fiakarana na ny fihenan’ny fatran’ny fiampangana mba hanombanana ny toetry ny fiampangana. Raha ampitahaina amin’ny vahaolana amin’ny fandrefesana solika fandrefesana coulomb, ny fandrefesana solika algorithm dynamic dia tsy hanangona lesoka amin’ny fotoana sy ny ankehitriny. Ny fandrefesana solika Coulomb matetika dia miteraka tombantombana tsy marina momba ny toetry ny fiampangana noho ny fahadisoana amin’izao fotoana izao sy ny famotsorana ny bateria. Na dia kely dia kely aza ny fahadisoana tsapa amin’izao fotoana izao, ny kaontera coulomb dia hanohy hanangona ny fahadisoana, ary ny hadisoana voaangona dia tsy azo esorina raha tsy rehefa feno na miala tanteraka.

Ny fandrefesana solika algorithm dynamique dia manombatombana ny toetry ny fiampangana ny bateria amin’ny alàlan’ny fampahalalam-baovao ihany; satria tsy tombanana amin’ny vaovao momba ny bateria amin’izao fotoana izao, dia tsy manangona fahadisoana. Mba hanatsarana ny fahamarinan’ny toetry ny fiampangana, ny algorithm dynamic voltage dia mila mampiasa fitaovana tena izy, ary manitsy ny mari-pamantarana amin’ny algorithm optimized mifanaraka amin’ny curve malefaka amin’ny batterie rehefa feno sy esorina tanteraka.

Figure 12. Fahombiazan’ny algorithm voly dynamique fandrefesana solika sy fanatsarana ny tombony

Ity manaraka ity dia ny fampandehanana ny algorithm dynamic voltage eo ambanin’ny fepetra isan-karazany. Hita avy amin’ny tarehimarika fa manana fahitsiana tsara ny tanjaky ny fiampangana azy. Na inona na inona fepetra famoahana C / 2, C / 4, C / 7 ary C / 10, ny fahadisoan’ny fiampangana amin’ity fomba ity dia latsaky ny 3%.

Figure 13. Ny fampandehanana ny toetry ny fiampangana ny algorithm dynamique amin’ny alàlan’ny fepetra isan-karazany

Ny sary etsy ambany dia mampiseho ny fampandehanana ny toeran’ny fiampangana rehefa fohy ny bateria ary fohy ny fiampangana. Mbola kely dia kely ny fahadisoana momba ny fiampangana, ary 3% ihany ny fahadisoana ambony indrindra.

Figure 14. Ny fampandehanana ny toetry ny fiampangana ny algorithm dynamic voltage rehefa fohy ny bateria ary fohy ny famoahana

Raha ampitahaina amin’ny toe-javatra izay matetika mahatonga ny fandrefesana solika Coulomb fandrefesana tsy marina noho ny fahadisoana amin’izao fotoana izao sy ny famotsorana ny bateria, ny algorithm dynamic voltage dia tsy manangona lesoka amin’ny fotoana sy ny ankehitriny, izay tombony lehibe. Satria tsy misy fampahalalana momba ny fiampangana / famotsorana ankehitriny, ny algoritr’ny volavolan-tena mavitrika dia manana fahitsiana fohy fohy sy fotoana famaliana miadana. Fanampin’izany, tsy afaka manombana ny fahafahan’ny fiampangana feno. Na izany aza, miasa tsara izy io amin’ny lafiny fahitsiana maharitra, satria ny tanjaky ny bateria dia hitaratra mivantana amin’ny fiampangana azy.