1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Төрийн үүрэг (SOC)

Цэнэглэх төлөвийг батерейнд байгаа цахилгаан эрчим хүчний төлөв гэж тодорхойлж болно, ихэвчлэн хувиар илэрхийлдэг. Боломжтой цахилгаан эрчим хүч нь цэнэгийн болон цэнэгийн гүйдэл, температур, хөгшрөлтийн үзэгдлээс хамаарч өөр өөр байдаг тул цэнэгийн төлөв байдлын тодорхойлолтыг мөн үнэмлэхүй цэнэгийн төлөв (ASOC) болон харьцангуй цэнэгийн төлөв (харьцангуй төлөв) гэж хоёр төрөлд хуваадаг. -Хариуцлагатай;АСОС) Төрийн-Of-Charge; RSOC). Ихэвчлэн цэнэгийн харьцангуй төлөв 0-100% байдаг бол батерей бүрэн цэнэглэгдсэн үед 100%, бүрэн цэнэггүй үед 0% байдаг. Үнэмлэхүй цэнэгийн төлөв нь батерейг үйлдвэрлэх үед төлөвлөсөн тогтмол хүчин чадлын утгын дагуу тооцсон жишиг утга юм. Цоо шинэ бүрэн цэнэглэгдсэн батерейны үнэмлэхүй цэнэгийн төлөв 100%; Мөн хуучирсан батерейг бүрэн цэнэглэсэн ч өөр өөр цэнэглэх, цэнэглэх нөхцөлд 100% хүрч чадахгүй.

Доорх зураг нь цэнэгийн цэнэгийн янз бүрийн түвшинд хүчдэл ба батерейны багтаамжийн хамаарлыг харуулж байна. Цэнэглэх хурд өндөр байх тусам батерейны багтаамж бага байх болно. Температур бага байх үед батерейны багтаамж мөн буурна.

Зураг 1.

Янз бүрийн цэнэгийн хурд, температурт хүчдэл ба хүчин чадлын хоорондын хамаарал

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 Бүрэн цэнэглэгдсэн

Батерейны хүчдэл ба хамгийн их цэнэглэх хүчдэлийн хоорондох зөрүү 100 мВ-аас бага ба цэнэглэх гүйдэл C/10 хүртэл буурах үед батерейг бүрэн цэнэглэгдсэн гэж үзэж болно. Зайны шинж чанар нь өөр, бүрэн цэнэглэх нөхцөл нь бас өөр өөр байдаг.

Доорх зураг нь ердийн лити батерейг цэнэглэх шинж чанарын муруйг харуулж байна. Зайны хүчдэл нь хамгийн их цэнэглэх хүчдэлтэй тэнцүү бөгөөд цэнэглэх гүйдэл C/10 хүртэл буурах үед батерейг бүрэн цэнэглэгдсэн гэж үзнэ.

Зураг 2. Литиум батерейг цэнэглэх шинж чанарын муруй

1.4 Мини цэнэглэх хүчдэл

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 Бүрэн цэнэггүй болсон

Зайны хүчдэл нь цэнэгийн хамгийн бага хүчдэлээс бага буюу тэнцүү байвал үүнийг бүрэн цэнэггүй гэж нэрлэж болно.

1.6 Цэнэглэх ба цэнэгийн хэмжээ (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 Циклийн хугацаа

Циклийн тоо гэдэг нь батерейг бүрэн цэнэглэж, цэнэггүй болгосон тоо бөгөөд үүнийг бодит цэнэгийн хүчин чадал болон тооцооны хүчин чадлаас тооцож болно. Хуримтлагдсан гадагшлуулах хүчин чадал нь тооцооны хүчин чадалтай тэнцүү байх үед мөчлөгийн тоо нэг байна. Ихэвчлэн 500 цэнэгийн цэнэгийн циклийн дараа бүрэн цэнэглэгдсэн батерейны хүчин чадал 10% – 20% -иар буурдаг.

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

1.8 Өөрөө гадагшлуулах

Температур нэмэгдэхийн хэрээр бүх батерейны өөрөө цэнэггүйдэл нэмэгддэг. Өөрөө цэнэггүй болох нь үндсэндээ үйлдвэрлэлийн согог биш, харин батерейны өөрийнх нь шинж чанар юм. Гэсэн хэдий ч үйлдвэрлэлийн процесст зохисгүй харьцах нь өөрөө өөрийгөө цэнэглэхэд хүргэдэг. Ерөнхийдөө батерейны температур 10 ° C нэмэгдэх тусам өөрөө цэнэглэх хурд нь хоёр дахин нэмэгддэг. Лити-ион батерейны сарын өөрөө цэнэггүйдэл ойролцоогоор 1~2% байдаг бол төрөл бүрийн никель суурьтай батерейны өөрөө цэнэггүйдэл 10-15% байдаг.

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

2. Зайны түлш хэмжигчтэй танилцах

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 Нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн арга

Нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн аргыг ашигладаг цахилгаан тоолуурыг хэрэгжүүлэхэд илүү хялбар байдаг бөгөөд үүнийг нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн цэнэгийн төлөвт тохирсон хүснэгтээс хайж олох боломжтой. Нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн таамаглал нь батерейг 30 минут орчим амрах үед зайны терминалын хүчдэл юм.

Өөр өөр ачаалал, температур, батерейны хөгшрөлтийн үед батерейны хүчдэлийн муруй өөр өөр байх болно. Тиймээс тогтмол нээлттэй хэлхээний вольтметр нь цэнэгийн төлөвийг бүрэн илэрхийлж чадахгүй; Зөвхөн хүснэгтээс харахад цэнэгийн төлөвийг тооцоолох боломжгүй. Өөрөөр хэлбэл, цэнэгийн төлөвийг зөвхөн хүснэгтээс харж тооцоолбол алдаа маш том болно.

Дараах зургаас харахад ижил батерейны хүчдэл цэнэг ба цэнэггүй байх ба задгай хэлхээний хүчдэлийн аргаар олсон цэнэгийн төлөв маш өөр байна.

Зураг 5. Цэнэглэх ба цэнэглэх үед батерейны хүчдэл

Доорх зураг нь цэнэгийн төлөв байдал нь цэнэгийн цэнэгийн үед янз бүрийн ачааллын үед ихээхэн ялгаатай болохыг харуулж байна. Үндсэндээ нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн арга нь зөвхөн хар тугалганы хүчлийн батерей эсвэл автомашинд тасалдалгүй тэжээлийн хангамж ашиглах гэх мэт цэнэгийн төлөв байдлын нарийвчлалд бага шаардлага тавьдаг системүүдэд тохиромжтой.

Зураг 6. Цэнэглэх үед янз бүрийн ачааллын үед зайны хүчдэл

2.3 Кулоны хэмжилтийн арга

Кулон хэмжилтийн аргын ажиллах зарчим нь батерейг цэнэглэх/цэнэглэх зам дээр илрүүлэх резисторыг холбох явдал юм. ADC нь илрүүлэх резистор дээрх хүчдэлийг хэмжиж, түүнийг цэнэглэж байгаа эсвэл цэнэггүй болсон батерейны одоогийн утга болгон хувиргадаг. Бодит цагийн тоолуур (RTC) нь одоогийн утгыг цаг хугацааны хувьд нэгтгэх боломжийг олгодог бөгөөд ингэснээр хэдэн кулон дамжин урсаж байгааг мэдэх боломжтой.

Зураг 7. Кулоны хэмжилтийн аргын үндсэн ажлын арга

Кулон хэмжилтийн арга нь цэнэглэх эсвэл цэнэглэх үед бодит цагийн цэнэгийн төлөвийг нарийн тооцоолох боломжтой. Цэнэглэх кулон тоолуур болон цэнэглэх кулон тоолуураар энэ нь үлдсэн хүчин чадал (RM) болон бүрэн цэнэгийн багтаамжийг (FCC) тооцоолох боломжтой. Үүний зэрэгцээ үлдсэн хүчин чадал (RM) болон бүрэн цэнэглэх хүчин чадал (FCC) нь цэнэгийн төлөвийг тооцоолоход ашиглаж болно, өөрөөр хэлбэл (SOC = RM / FCC). Нэмж дурдахад, энэ нь цахилгаан дуусах (TTE) болон бүрэн хүчин чадал (TTF) гэх мэт үлдсэн хугацааг тооцоолох боломжтой.

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Кулоны хэмжилтийн аргын нарийвчлалд хазайлт үүсгэдэг хоёр үндсэн хүчин зүйл байдаг. Эхнийх нь одоогийн мэдрэгч ба ADC хэмжилтийн алдааны хуримтлал юм. Хэдийгээр одоогийн технологийн хэмжилтийн алдаа бага хэвээр байгаа ч үүнийг арилгах сайн арга байхгүй бол цаг хугацаа өнгөрөх тусам алдаа нэмэгдэх болно. Доорх зургаас харахад практик хэрэглээнд, хэрэв хугацааны туршид засвар хийгдээгүй бол хуримтлагдсан алдаа нь хязгааргүй болно.

Зураг 9. Кулоны хэмжилтийн аргын хуримтлагдсан алдаа

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.

Зураг 10. Кулоны хэмжилтийн аргын хуримтлагдсан алдааг арилгах нөхцөл

Кулон хэмжилтийн аргын нарийвчлалын хазайлтыг үүсгэдэг хоёр дахь гол хүчин зүйл бол бүрэн цэнэгийн багтаамж (FCC) алдаа бөгөөд энэ нь батерейны дизайны хүчин чадал ба батерейны жинхэнэ бүрэн цэнэгийн хүчин чадлын хоорондох зөрүү юм. Бүрэн цэнэглэх хүчин чадал (FCC) нь температур, хөгшрөлт, ачаалал болон бусад хүчин зүйлээс хамаарна. Тиймээс бүрэн цэнэглэх хүчин чадлын дахин суралцах, нөхөн олговор олгох арга нь кулон хэмжилтийн аргын хувьд маш чухал юм. Дараах зурагт бүрэн цэнэгийн хүчин чадлыг хэтрүүлэн дутуу үнэлсэн тохиолдолд цэнэгийн алдааны төлөв байдлын тренд үзэгдлийг харуулав.

Зураг 11. Бүрэн цэнэглэх хүчин чадлыг хэтрүүлж, дутуу үнэлэхэд алдааны хандлага

2.4 Динамик хүчдэлийн алгоритм түлш хэмжигч

Динамик хүчдэлийн алгоритм түлш хэмжигч нь зөвхөн батерейны хүчдэл дээр үндэслэн литийн батерейны цэнэгийн төлөвийг тооцоолох боломжтой. Энэ арга нь батерейны хүчдэл ба батерейны нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн зөрүү дээр үндэслэн цэнэгийн төлөвийн өсөлт, бууралтыг тооцоолоход оршино. Динамик хүчдэлийн мэдээлэл нь литийн батерейны үйл ажиллагааг үр дүнтэй дуурайж, SOC (%) цэнэгийн төлөвийг тодорхойлох боломжтой боловч энэ арга нь зайны багтаамжийг (mAh) тооцоолох боломжгүй юм.

Тооцооллын арга нь цэнэгийн төлөвийг тооцоолохын тулд цэнэгийн төлөвийн өсөлт, бууралт бүрийг давталтын алгоритмыг ашиглан батерейны хүчдэл ба нээлттэй хэлхээний хүчдэлийн динамик зөрүү дээр суурилдаг. Кулон хэмжигч түлшний хэмжүүрийн шийдэлтэй харьцуулахад динамик хүчдэлийн алгоритмын түлш хэмжигч нь цаг хугацаа, гүйдлийн явцад алдаа хуримтлагдахгүй. Кулон хэмжигч түлшний хэмжигч нь одоогийн мэдрэгч, батерей өөрөө цэнэггүй болсон зэргээс шалтгаалан цэнэгийн төлөвийг буруу тооцоолоход хүргэдэг. Хэдийгээр одоогийн мэдрэгчийн алдаа маш бага байсан ч кулон тоолуур алдаагаа хуримтлуулсаар байх бөгөөд хуримтлагдсан алдааг зөвхөн бүрэн цэнэглэгдсэн эсвэл бүрэн цэнэггүй болсон үед арилгах боломжтой.

Динамик хүчдэлийн алгоритм түлш хэмжигч нь зөвхөн хүчдэлийн мэдээллээр зайны цэнэгийн төлөвийг тооцоолдог; Учир нь энэ нь батерейны одоогийн мэдээллээр тооцоологдоогүй тул алдаа хуримтлагддаггүй. Цэнэглэх төлөвийн нарийвчлалыг сайжруулахын тулд динамик хүчдэлийн алгоритм нь бодит төхөөрөмжийг ашиглах, бүрэн цэнэглэгдэж, бүрэн цэнэггүй болсон үед батерейны бодит хүчдэлийн муруйн дагуу оновчтой алгоритмын параметрүүдийг тохируулах шаардлагатай.

Зураг 12. Динамик хүчдэлийн алгоритмын түлш хэмжигч ба олзыг оновчтой болгох гүйцэтгэл

Янз бүрийн цэнэгийн хурдны нөхцөлд динамик хүчдэлийн алгоритмын гүйцэтгэлийг доор харуулав. Түүний цэнэгийн төлөв байдал сайн нарийвчлалтай байгааг зурагнаас харж болно. C/2, C/4, C/7 ба C/10-ийн цэнэгийн нөхцлөөс үл хамааран энэ аргын цэнэгийн алдааны нийт төлөв 3% -иас бага байна.

Зураг 13. Динамик хүчдэлийн алгоритмын цэнэгийн төлөвийн гүйцэтгэлийн янз бүрийн цэнэгийн хурдны нөхцлүүд.

Доорх зурагт батерейг богино хугацаанд цэнэглэж, цэнэггүй болсон үед цэнэгийн төлөвийн гүйцэтгэлийг харуулав. Төлбөрийн алдаа маш бага хэвээр байгаа бөгөөд хамгийн их алдаа нь ердөө 3% байна.

Зураг 14. Зайг богино хугацаанд цэнэглэж, цэнэггүй болсон үед динамик хүчдэлийн алгоритмын цэнэгийн төлөвийн гүйцэтгэл.

Кулон хэмжигч түлшний хэмжигч нь гүйдэл мэдрэгч, батерейны өөрөө цэнэггүйдэл зэргээс шалтгаалан цэнэгийн буруу төлөвийг ихэвчлэн үүсгэдэг нөхцөл байдалтай харьцуулахад динамик хүчдэлийн алгоритм нь цаг хугацаа болон гүйдлийн явцад алдаа хуримтлагддаггүй бөгөөд энэ нь том давуу тал юм. Цэнэг / цэнэгийн гүйдлийн тухай мэдээлэл байхгүй тул динамик хүчдэлийн алгоритм нь богино хугацааны нарийвчлал муу, хариу үйлдэл үзүүлэх хугацаа удаан байдаг. Үүнээс гадна, энэ нь бүрэн цэнэглэх хүчин чадлыг тооцоолж чадахгүй. Гэсэн хэдий ч энэ нь урт хугацааны нарийвчлалын хувьд сайн ажилладаг, учир нь батерейны хүчдэл нь эцэст нь түүний цэнэгийн төлөвийг шууд тусгах болно.