1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 राज्य-प्रभारी (SOC)

चार्जची स्थिती बॅटरीमध्ये उपलब्ध विद्युत उर्जेची स्थिती म्हणून परिभाषित केली जाऊ शकते, सामान्यतः टक्केवारी म्हणून व्यक्त केली जाते. उपलब्ध विद्युत ऊर्जा चार्ज आणि डिस्चार्ज करंट, तापमान आणि वृद्धत्वाच्या घटनांनुसार बदलत असल्याने, चार्ज स्थितीची व्याख्या देखील दोन प्रकारांमध्ये विभागली गेली आहे: संपूर्ण प्रभार (एएसओसी) आणि सापेक्ष राज्य-प्रभारी (सापेक्ष स्थिती) -प्रभारी; ASOC) राज्य-प्रभारी; RSOC). सामान्यतः चार्ज श्रेणीची सापेक्ष स्थिती 0% -100% असते, तर बॅटरी पूर्ण चार्ज झाल्यावर 100% आणि पूर्णपणे डिस्चार्ज झाल्यावर 0% असते. चार्जची परिपूर्ण स्थिती हे बॅटरी तयार केल्यावर डिझाइन केलेल्या निश्चित क्षमतेच्या मूल्यानुसार मोजले जाणारे संदर्भ मूल्य आहे. अगदी नवीन पूर्ण चार्ज झालेल्या बॅटरीची पूर्ण चार्ज स्थिती 100% आहे; आणि जुनी होणारी बॅटरी पूर्णपणे चार्ज झाली असली तरीही ती वेगवेगळ्या चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग परिस्थितींमध्ये 100% पर्यंत पोहोचू शकत नाही.

खालील आकृती वेगवेगळ्या डिस्चार्ज दरांवर व्होल्टेज आणि बॅटरी क्षमता यांच्यातील संबंध दर्शवते. डिस्चार्ज रेट जितका जास्त असेल तितकी बॅटरी क्षमता कमी होईल. जेव्हा तापमान कमी होते, तेव्हा बॅटरीची क्षमता देखील कमी होते.

आकृती 1.

भिन्न डिस्चार्ज दर आणि तापमानांवर व्होल्टेज आणि क्षमता यांच्यातील संबंध

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 पूर्ण चार्ज

जेव्हा बॅटरी व्होल्टेज आणि सर्वोच्च चार्जिंग व्होल्टेजमधील फरक 100mV पेक्षा कमी असतो आणि चार्जिंग करंट C/10 पर्यंत खाली येतो, तेव्हा बॅटरी पूर्णपणे चार्ज झालेली मानली जाऊ शकते. बॅटरीची वैशिष्ट्ये भिन्न आहेत आणि पूर्ण चार्ज स्थिती देखील भिन्न आहेत.

खालील आकृती एक सामान्य लिथियम बॅटरी चार्जिंग वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र दर्शवते. जेव्हा बॅटरी व्होल्टेज सर्वोच्च चार्जिंग व्होल्टेजच्या बरोबरीचे असते आणि चार्जिंग करंट C/10 पर्यंत घसरते, तेव्हा बॅटरी पूर्णपणे चार्ज झालेली मानली जाते.

आकृती 2. लिथियम बॅटरी चार्जिंग वैशिष्ट्यपूर्ण वक्र

1.4 मिनी डिस्चार्जिंग व्होल्टेज

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 पूर्णपणे डिस्चार्ज

जेव्हा बॅटरी व्होल्टेज किमान डिस्चार्ज व्होल्टेजपेक्षा कमी किंवा समान असते, तेव्हा त्याला संपूर्ण डिस्चार्ज म्हटले जाऊ शकते.

१.६ चार्ज आणि डिस्चार्ज रेट (सी-रेट)

चार्ज-डिस्चार्ज दर ही बॅटरी क्षमतेच्या सापेक्ष चार्ज-डिस्चार्ज करंटची अभिव्यक्ती आहे. उदाहरणार्थ, जर 1C एका तासासाठी डिस्चार्ज करण्यासाठी वापरले जाते, तर आदर्शपणे, बॅटरी पूर्णपणे डिस्चार्ज होईल. भिन्न शुल्क आणि डिस्चार्ज दरांमुळे भिन्न वापरण्यायोग्य क्षमता निर्माण होईल. सामान्यतः, चार्ज-डिस्चार्ज रेट जितका जास्त असेल तितकी उपलब्ध क्षमता कमी असेल.

1.7 सायकल जीवन

सायकलची संख्या म्हणजे बॅटरीचे पूर्ण चार्जिंग आणि डिस्चार्ज किती वेळा झाले, याचा अंदाज वास्तविक डिस्चार्ज क्षमता आणि डिझाइन क्षमतेवरून काढला जाऊ शकतो. जेव्हा जेव्हा संचित डिस्चार्ज क्षमता डिझाइन क्षमतेच्या बरोबरीची असते तेव्हा चक्रांची संख्या एकदा असते. सामान्यतः 500 चार्ज-डिस्चार्ज सायकलनंतर, पूर्ण चार्ज झालेल्या बॅटरीची क्षमता 10% ~ 20% कमी होते.

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

1.8 स्वयं-स्त्राव

तापमान वाढल्यामुळे सर्व बॅटरीचे स्व-डिस्चार्ज वाढते. सेल्फ-डिस्चार्ज हा मुळात मॅन्युफॅक्चरिंग दोष नसून बॅटरीची स्वतःची वैशिष्ट्ये आहे. तथापि, उत्पादन प्रक्रियेत अयोग्य हाताळणी देखील सेल्फ-डिस्चार्जमध्ये वाढ होऊ शकते. सामान्यतः, बॅटरी तापमानात प्रत्येक 10°C वाढीसाठी सेल्फ-डिस्चार्ज दर दुप्पट होतो. लिथियम-आयन बॅटरीचे मासिक स्व-डिस्चार्ज सुमारे 1~2% आहे, तर विविध निकेल-आधारित बॅटरीचे मासिक स्व-डिस्चार्ज 10-15% आहे.

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

2. बॅटरी इंधन गेजचा परिचय

2.1 इंधन गेज कार्याचा परिचय

बॅटरी व्यवस्थापन हा पॉवर मॅनेजमेंटचा भाग मानला जाऊ शकतो. बॅटरी व्यवस्थापनामध्ये, बॅटरी क्षमतेचा अंदाज घेण्यासाठी इंधन गेज जबाबदार आहे. त्याचे मूळ कार्य व्होल्टेज, चार्ज/डिस्चार्ज करंट आणि बॅटरीचे तापमान यांचे निरीक्षण करणे आणि बॅटरीची चार्ज स्थिती (SOC) आणि बॅटरीची पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) यांचा अंदाज घेणे हे आहे. बॅटरीच्या चार्ज स्थितीचा अंदाज घेण्यासाठी दोन विशिष्ट पद्धती आहेत: ओपन सर्किट व्होल्टेज पद्धत (OCV) आणि क्युलोमेट्रिक पद्धत. दुसरी पद्धत RICHTEK द्वारे डिझाइन केलेले डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम आहे.

2.2 ओपन सर्किट व्होल्टेज पद्धत

ओपन सर्किट व्होल्टेज पद्धतीचा वापर करून वीज मीटर लागू करणे सोपे आहे आणि ते ओपन सर्किट व्होल्टेजच्या चार्ज स्थितीशी संबंधित तक्त्याकडे पाहून मिळवता येते. ओपन सर्किट व्होल्टेजची काल्पनिक स्थिती म्हणजे बॅटरी टर्मिनल व्होल्टेज जेव्हा बॅटरी सुमारे 30 मिनिटे विश्रांती घेते.

भिन्न लोड, तापमान आणि बॅटरी वृद्धत्व अंतर्गत, बॅटरी व्होल्टेज वक्र भिन्न असेल. म्हणून, एक निश्चित ओपन-सर्किट व्होल्टमीटर चार्जची स्थिती पूर्णपणे दर्शवू शकत नाही; केवळ टेबल बघून शुल्काच्या स्थितीचा अंदाज लावता येत नाही. दुस-या शब्दात, जर चार्ज स्थितीचा अंदाज फक्त टेबल वर पाहिल्यास, त्रुटी खूप मोठी असेल.

खालील आकृती दर्शवते की समान बॅटरी व्होल्टेज चार्ज आणि डिस्चार्ज अंतर्गत आहे आणि ओपन सर्किट व्होल्टेज पद्धतीद्वारे आढळलेली चार्जची स्थिती खूप वेगळी आहे.

आकृती 5. चार्जिंग आणि डिस्चार्जिंग अंतर्गत बॅटरी व्होल्टेज

खालील आकृती दर्शविते की डिस्चार्ज दरम्यान वेगवेगळ्या भारांखाली चार्जची स्थिती मोठ्या प्रमाणात बदलते. त्यामुळे मुळात, ओपन सर्किट व्होल्टेज पद्धत केवळ चार्ज स्थितीच्या अचूकतेसाठी कमी आवश्यकता असलेल्या सिस्टमसाठी योग्य आहे, जसे की लीड-ऍसिड बॅटरीचा वापर किंवा ऑटोमोबाईल्समध्ये अखंडित वीज पुरवठा.

आकृती 6. डिस्चार्ज दरम्यान विविध लोड अंतर्गत बॅटरी व्होल्टेज

2.3 कूलॉम्ब मापन पद्धत

कूलॉम्ब मापन पद्धतीचे ऑपरेटिंग तत्त्व म्हणजे बॅटरीच्या चार्जिंग/डिस्चार्जिंग मार्गावर डिटेक्शन रेझिस्टर जोडणे. ADC डिटेक्शन रेझिस्टरवरील व्होल्टेज मोजतो आणि चार्ज होत असलेल्या किंवा डिस्चार्ज होत असलेल्या बॅटरीच्या वर्तमान मूल्यामध्ये रूपांतरित करतो. रिअल-टाइम काउंटर (RTC) वर्तमान मूल्याचे वेळेसह एकत्रीकरण प्रदान करते, जेणेकरून किती कूलॉम्ब वाहतात हे जाणून घ्या.

आकृती 7. कुलॉम्ब मापन पद्धतीची मूलभूत कार्य पद्धत

कुलॉम्ब मापन पद्धत चार्जिंग किंवा डिस्चार्जिंग दरम्यान रिअल-टाइम चार्ज स्थितीची अचूक गणना करू शकते. चार्ज कूलॉम्ब काउंटर आणि डिस्चार्ज कूलॉम्ब काउंटरसह, ते उर्वरित क्षमता (RM) आणि पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) मोजू शकते. त्याच वेळी, उर्वरित क्षमता (RM) आणि पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) देखील चार्ज स्थितीची गणना करण्यासाठी वापरली जाऊ शकते, म्हणजेच (SOC = RM / FCC). याव्यतिरिक्त, ते उर्वरीत वेळेचा अंदाज देखील लावू शकते, जसे की पॉवर एक्झास्टेशन (TTE) आणि पूर्ण पॉवर (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

कुलॉम्ब मापन पद्धतीच्या अचूकतेमध्ये विचलन निर्माण करणारे दोन मुख्य घटक आहेत. प्रथम वर्तमान संवेदना आणि एडीसी मापन मध्ये ऑफसेट त्रुटी जमा आहे. जरी सध्याच्या तंत्रज्ञानासह मोजमाप त्रुटी अद्याप लहान आहे, परंतु ती दूर करण्याचा कोणताही चांगला मार्ग नसल्यास, त्रुटी वेळेनुसार वाढेल. खालील आकृती दर्शविते की व्यावहारिक अनुप्रयोगांमध्ये, वेळेच्या कालावधीत कोणतीही सुधारणा नसल्यास, जमा झालेली त्रुटी अमर्यादित असते.

आकृती 9. कुलॉम्ब मापन पद्धतीची संचयी त्रुटी

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.

आकृती 10. कुलॉम्ब मापन पद्धतीची संचयी त्रुटी दूर करण्यासाठी अटी

कुलॉम्ब मापन पद्धतीच्या अचूकतेच्या विचलनास कारणीभूत असलेला दुसरा प्रमुख घटक म्हणजे पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) त्रुटी, जी बॅटरी डिझाइन क्षमतेचे मूल्य आणि बॅटरीची खरी पूर्ण चार्ज क्षमता यांच्यातील फरक आहे. पूर्ण चार्ज क्षमता (FCC) तापमान, वृद्धत्व, भार आणि इतर घटकांमुळे प्रभावित होईल. म्हणून, कूलॉम्ब मापन पद्धतीसाठी पूर्ण चार्ज क्षमतेचे री-लर्निंग आणि नुकसान भरपाई पद्धत खूप महत्वाची आहे. खालील आकृती चार्ज एररच्या स्थितीची प्रवृत्ती दर्शवते जेव्हा पूर्ण चार्ज क्षमता जास्त आणि कमी लेखली जाते.

आकृती 11. जेव्हा पूर्ण चार्ज क्षमता जास्त मोजली जाते आणि कमी लेखली जाते तेव्हा त्रुटी ट्रेंड

2.4 डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम इंधन गेज

डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम इंधन गेज केवळ बॅटरी व्होल्टेजवर आधारित लिथियम बॅटरीच्या चार्ज स्थितीची गणना करू शकते. ही पद्धत बॅटरी व्होल्टेज आणि बॅटरीच्या ओपन सर्किट व्होल्टेजमधील फरकाच्या आधारे चार्जच्या स्थितीत वाढ किंवा घटतेचा अंदाज लावते. डायनॅमिक व्होल्टेज माहिती चार्ज SOC (%) ची स्थिती निर्धारित करण्यासाठी लिथियम बॅटरीच्या वर्तनाचे प्रभावीपणे अनुकरण करू शकते, परंतु ही पद्धत बॅटरी क्षमतेचे मूल्य (mAh) अंदाज करू शकत नाही.

त्याची गणना पद्धत बॅटरी व्होल्टेज आणि ओपन सर्किट व्होल्टेजमधील डायनॅमिक फरकावर आधारित आहे, चार्जच्या स्थितीचा अंदाज घेण्यासाठी चार्ज स्थितीतील प्रत्येक वाढ किंवा घट मोजण्यासाठी पुनरावृत्ती अल्गोरिदम वापरून. कूलॉम्ब मीटरिंग इंधन गेजच्या सोल्यूशनच्या तुलनेत, डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम इंधन गेजमध्ये वेळ आणि वर्तमानानुसार त्रुटी जमा होणार नाहीत. कूलॉम्ब मीटरिंग इंधन गेज सहसा वर्तमान संवेदन त्रुटी आणि बॅटरी स्व-डिस्चार्जमुळे चार्ज स्थितीचा चुकीचा अंदाज लावतात. जरी वर्तमान सेन्सिंग एरर फारच लहान असली तरीही, कौलॉम्ब काउंटर त्रुटी जमा करणे सुरू ठेवेल आणि संचित त्रुटी केवळ तेव्हाच काढून टाकली जाऊ शकते जेव्हा ती पूर्णपणे चार्ज केली जाते किंवा पूर्णपणे डिस्चार्ज केली जाते.

डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम इंधन गेज केवळ व्होल्टेज माहितीद्वारे बॅटरीच्या चार्ज स्थितीचा अंदाज लावतो; बॅटरीच्या सध्याच्या माहितीवरून त्याचा अंदाज न आल्याने, त्यात त्रुटी जमा होत नाहीत. चार्ज अवस्थेची अचूकता सुधारण्यासाठी, डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदमला वास्तविक डिव्हाइस वापरणे आवश्यक आहे आणि जेव्हा ती पूर्णपणे चार्ज होते आणि पूर्णपणे डिस्चार्ज होते तेव्हा वास्तविक बॅटरी व्होल्टेज वक्रानुसार ऑप्टिमाइझ केलेल्या अल्गोरिदमचे पॅरामीटर्स समायोजित करणे आवश्यक आहे.

आकृती 12. डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदम इंधन गेजचे कार्यप्रदर्शन आणि ऑप्टिमायझेशन प्राप्त करा

विविध डिस्चार्ज रेट परिस्थितीत डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदमचे कार्यप्रदर्शन खालीलप्रमाणे आहे. हे आकृतीवरून पाहिले जाऊ शकते की त्याची चार्ज स्थिती चांगली अचूक आहे. C/2, C/4, C/7 आणि C/10 च्या डिस्चार्ज परिस्थितीकडे दुर्लक्ष करून, या पद्धतीची चार्ज त्रुटीची एकूण स्थिती 3% पेक्षा कमी आहे.

आकृती 13. विविध डिस्चार्ज रेट परिस्थितीत डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदमच्या चार्ज स्थितीचे कार्यप्रदर्शन

खालील आकृती जेव्हा बॅटरी शॉर्ट-चार्ज होते आणि शॉर्ट-डिस्चार्ज होते तेव्हा चार्ज स्थितीचे कार्यप्रदर्शन दर्शवते. चार्ज त्रुटीची स्थिती अद्याप खूपच लहान आहे आणि कमाल त्रुटी फक्त 3% आहे.

आकृती 14. जेव्हा बॅटरी शॉर्ट-चार्ज केली जाते आणि शॉर्ट-डिस्चार्ज होते तेव्हा डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदमच्या चार्ज स्थितीचे कार्यप्रदर्शन

वर्तमान संवेदन त्रुटींमुळे आणि बॅटरी स्व-डिस्चार्ज यांमुळे कौलॉम्ब मीटरिंग इंधन गेज सहसा चुकीची चार्ज स्थिती निर्माण करते त्या परिस्थितीशी तुलना करता, डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदममध्ये वेळ आणि वर्तमानानुसार त्रुटी जमा होत नाही, हा एक मोठा फायदा आहे. चार्ज/डिस्चार्ज करंटबद्दल कोणतीही माहिती नसल्यामुळे, डायनॅमिक व्होल्टेज अल्गोरिदममध्ये अल्पकालीन अचूकता आणि मंद प्रतिसाद वेळ आहे. याव्यतिरिक्त, ते पूर्ण चार्ज क्षमतेचा अंदाज लावू शकत नाही. तथापि, दीर्घकालीन अचूकतेच्या बाबतीत ते चांगले कार्य करते, कारण बॅटरी व्होल्टेज अखेरीस त्याची चार्ज स्थिती थेट प्रतिबिंबित करेल.