1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Keadaan cas boleh ditakrifkan sebagai keadaan tenaga elektrik yang tersedia dalam bateri, biasanya dinyatakan sebagai peratusan. Oleh kerana tenaga elektrik yang ada berbeza-beza mengikut arus cas dan nyahcas, suhu dan fenomena penuaan, takrifan keadaan cas juga dibahagikan kepada dua jenis: Keadaan Caj Mutlak (ASOC) dan Keadaan Caj Relatif (Keadaan Relatif -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Biasanya keadaan relatif julat cas ialah 0%-100%, manakala bateri adalah 100% apabila dicas penuh dan 0% apabila dinyahcas sepenuhnya. Keadaan cas mutlak ialah nilai rujukan yang dikira mengikut nilai kapasiti tetap yang direka bentuk apabila bateri dihasilkan. Keadaan cas mutlak bagi bateri yang dicas sepenuhnya baharu ialah 100%; dan walaupun bateri yang sudah tua dicas sepenuhnya, ia tidak boleh mencapai 100% di bawah keadaan pengecasan dan nyahcas yang berbeza.

Rajah di bawah menunjukkan hubungan antara voltan dan kapasiti bateri pada kadar nyahcas yang berbeza. Semakin tinggi kadar nyahcas, semakin rendah kapasiti bateri. Apabila suhu rendah, kapasiti bateri juga akan berkurangan.

Rajah 1.

Hubungan antara voltan dan kapasiti pada kadar nyahcas dan suhu yang berbeza

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 Dicas Penuh

Apabila perbezaan antara voltan bateri dan voltan pengecasan tertinggi adalah kurang daripada 100mV, dan arus pengecasan menurun kepada C/10, bateri boleh dianggap sebagai dicas sepenuhnya. Ciri-ciri bateri adalah berbeza, dan keadaan cas penuh juga berbeza.

Rajah di bawah menunjukkan lengkung ciri pengecasan bateri litium biasa. Apabila voltan bateri adalah sama dengan voltan pengecasan tertinggi dan arus pengecasan menurun kepada C/10, bateri dianggap telah dicas sepenuhnya.

Rajah 2. Lengkung ciri pengecasan bateri litium

1.4 Voltan Nyahcas Mini

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 Pelepasan Sepenuhnya

Apabila voltan bateri kurang daripada atau sama dengan voltan nyahcas minimum, ia boleh dipanggil nyahcas lengkap.

1.6 Kadar caj dan pelepasan (C-Kadar)

Kadar cas-nyahcas ialah ungkapan arus cas-nyahcas berbanding kapasiti bateri. Sebagai contoh, jika 1C digunakan untuk menyahcas selama satu jam, idealnya, bateri akan dinyahcas sepenuhnya. Kadar caj dan pelepasan yang berbeza akan menghasilkan kapasiti boleh guna yang berbeza. Secara amnya, lebih besar kadar caj-pelepasan, lebih kecil kapasiti yang ada.

1.7 Kitaran hidup

Bilangan kitaran ialah bilangan kali bateri telah menjalani pengecasan dan nyahcas lengkap, yang boleh dianggarkan daripada kapasiti nyahcas sebenar dan kapasiti reka bentuk. Apabila kapasiti nyahcas terkumpul adalah sama dengan kapasiti reka bentuk, bilangan kitaran adalah sekali. Biasanya selepas 500 kitaran caj-nyahcas, kapasiti bateri yang dicas penuh menurun sebanyak 10% ~ 20%.

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

1.8 Pelepasan Kendiri

Nyahcas sendiri semua bateri meningkat apabila suhu meningkat. Nyahcas sendiri pada asasnya bukan kecacatan pembuatan, tetapi ciri-ciri bateri itu sendiri. Walau bagaimanapun, pengendalian yang tidak betul dalam proses pembuatan juga boleh menyebabkan peningkatan dalam pelepasan diri. Secara amnya, kadar nyahcas sendiri meningkat dua kali ganda untuk setiap peningkatan 10°C dalam suhu bateri. Nyahcas sendiri bulanan bagi bateri lithium-ion adalah kira-kira 1~2%, manakala pelepasan sendiri bulanan pelbagai bateri berasaskan nikel ialah 10-15%.

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

2. Pengenalan kepada Tolok Bahan Api Bateri

2.1 Pengenalan kepada Fungsi Tolok Bahan Api

Pengurusan bateri boleh dianggap sebagai sebahagian daripada pengurusan kuasa. Dalam pengurusan bateri, tolok bahan api bertanggungjawab untuk menganggar kapasiti bateri. Fungsi asasnya adalah untuk memantau voltan, arus cas/nyahcas dan suhu bateri, dan menganggarkan keadaan cas bateri (SOC) dan kapasiti cas penuh (FCC) bateri. Terdapat dua kaedah biasa untuk menganggarkan keadaan cas bateri: kaedah voltan litar terbuka (OCV) dan kaedah coulometrik. Kaedah lain ialah algoritma voltan dinamik yang direka oleh RICHTEK.

2.2 Kaedah voltan litar terbuka

Meter elektrik menggunakan kaedah voltan litar terbuka adalah lebih mudah untuk dilaksanakan, dan ia boleh diperolehi dengan melihat jadual yang sepadan dengan keadaan cas voltan litar terbuka. Keadaan hipotesis voltan litar terbuka ialah voltan terminal bateri apabila bateri berehat selama kira-kira 30 minit.

Di bawah beban, suhu dan penuaan bateri yang berbeza, lengkung voltan bateri akan berbeza. Oleh itu, voltmeter litar terbuka tetap tidak boleh mewakili sepenuhnya keadaan cas; keadaan caj tidak boleh dianggarkan dengan melihat meja sahaja. Dalam erti kata lain, jika keadaan caj dianggarkan hanya dengan melihat jadual, ralat akan menjadi sangat besar.

Angka berikut menunjukkan bahawa voltan bateri yang sama berada di bawah cas dan nyahcas, dan keadaan cas yang ditemui oleh kaedah voltan litar terbuka adalah sangat berbeza.

Rajah 5. Voltan bateri di bawah pengecasan dan nyahcas

Rajah di bawah menunjukkan bahawa keadaan cas berbeza-beza di bawah beban yang berbeza semasa nyahcas. Jadi pada asasnya, kaedah voltan litar terbuka hanya sesuai untuk sistem yang mempunyai keperluan rendah untuk ketepatan keadaan cas, seperti penggunaan bateri asid plumbum atau bekalan kuasa yang tidak terganggu dalam kereta.

Rajah 6. Voltan bateri di bawah beban yang berbeza semasa nyahcas

2.3 Kaedah pengukuran Coulomb

Prinsip operasi kaedah pengukuran coulomb adalah untuk menyambung perintang pengesanan pada laluan pengecasan/penyahcasan bateri. ADC mengukur voltan pada perintang pengesanan dan menukarkannya kepada nilai semasa bateri yang sedang dicas atau dinyahcas. Kaunter masa nyata (RTC) menyediakan penyepaduan nilai semasa dengan masa, untuk mengetahui berapa banyak coulomb yang mengalir melaluinya.

Rajah 7. Kaedah kerja asas kaedah pengukuran Coulomb

Kaedah pengukuran Coulomb boleh mengira dengan tepat keadaan masa nyata cas semasa pengecasan atau nyahcas. Dengan kaunter coulomb cas dan kaunter coulomb nyahcas, ia boleh mengira baki kapasiti (RM) dan kapasiti cas penuh (FCC). Pada masa yang sama, baki kapasiti (RM) dan kapasiti cas penuh (FCC) juga boleh digunakan untuk mengira keadaan cas, iaitu (SOC = RM / FCC). Selain itu, ia juga boleh menganggarkan baki masa, seperti keletihan kuasa (TTE) dan kuasa penuh (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Terdapat dua faktor utama yang menyebabkan penyelewengan dalam ketepatan kaedah pengukuran Coulomb. Yang pertama ialah pengumpulan ralat offset dalam penderiaan semasa dan pengukuran ADC. Walaupun ralat pengukuran dengan teknologi semasa masih kecil, jika tiada cara yang baik untuk menghapuskannya, ralat akan meningkat dengan masa. Rajah di bawah menunjukkan bahawa dalam aplikasi praktikal, jika tiada pembetulan dalam tempoh masa, ralat terkumpul adalah tidak terhad.

Rajah 9. Ralat kumulatif kaedah pengukuran 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.

Rajah 10. Syarat untuk menghapuskan ralat kumulatif kaedah pengukuran Coulomb

Faktor utama kedua yang menyebabkan sisihan ketepatan kaedah pengukuran coulomb ialah ralat kapasiti cas penuh (FCC), iaitu perbezaan antara nilai kapasiti reka bentuk bateri dan kapasiti cas penuh sebenar bateri. Kapasiti cas penuh (FCC) akan dipengaruhi oleh suhu, penuaan, beban dan faktor lain. Oleh itu, kaedah pembelajaran semula dan pampasan kapasiti cas penuh adalah sangat penting untuk kaedah pengukuran coulomb. Rajah berikut menunjukkan fenomena trend keadaan ralat cas apabila kapasiti cas penuh dianggarkan terlalu tinggi dan dipandang rendah.

Rajah 11. Arah aliran ralat apabila kapasiti cas penuh dianggarkan terlalu tinggi dan dipandang rendah

2.4 Tolok bahan api algoritma voltan dinamik

Tolok bahan api algoritma voltan dinamik boleh mengira keadaan cas bateri litium hanya berdasarkan voltan bateri. Kaedah ini adalah untuk menganggar kenaikan atau penurunan keadaan cas berdasarkan perbezaan antara voltan bateri dan voltan litar terbuka bateri. Maklumat voltan dinamik boleh mensimulasikan dengan berkesan kelakuan bateri litium untuk menentukan keadaan cas SOC (%), tetapi kaedah ini tidak boleh menganggarkan nilai kapasiti bateri (mAh).

Kaedah pengiraannya adalah berdasarkan perbezaan dinamik antara voltan bateri dan voltan litar terbuka, dengan menggunakan algoritma lelaran untuk mengira setiap kenaikan atau penurunan keadaan cas untuk menganggarkan keadaan cas. Berbanding dengan penyelesaian tolok bahan api pemeteran coulomb, tolok bahan api algoritma voltan dinamik tidak akan mengumpul ralat dari semasa ke semasa dan semasa. Tolok bahan api pemeteran Coulomb biasanya menyebabkan anggaran keadaan cas yang tidak tepat disebabkan oleh ralat penderiaan semasa dan nyahcas sendiri bateri. Walaupun ralat penderiaan semasa adalah sangat kecil, kaunter coulomb akan terus mengumpul ralat, dan ralat terkumpul hanya boleh dihapuskan apabila ia dicas sepenuhnya atau dinyahcas sepenuhnya.

Tolok bahan api algoritma voltan dinamik menganggarkan keadaan cas bateri hanya dengan maklumat voltan; kerana ia tidak dianggarkan oleh maklumat semasa bateri, ia tidak mengumpul ralat. Untuk meningkatkan ketepatan keadaan cas, algoritma voltan dinamik perlu menggunakan peranti sebenar, dan melaraskan parameter algoritma yang dioptimumkan mengikut lengkung voltan bateri sebenar apabila ia dicas sepenuhnya dan dinyahcas sepenuhnya.

Rajah 12. Prestasi tolok bahan api algoritma voltan dinamik dan pengoptimuman perolehan

Berikut ialah prestasi algoritma voltan dinamik di bawah keadaan kadar nyahcas yang berbeza. Dari rajah tersebut dapat dilihat bahawa keadaan casnya mempunyai ketepatan yang baik. Terlepas dari keadaan pelepasan C/2, C/4, C/7 dan C/10, keadaan keseluruhan ralat cas kaedah ini adalah kurang daripada 3%.

Rajah 13. Prestasi keadaan cas bagi algoritma voltan dinamik di bawah keadaan kadar nyahcas yang berbeza

Rajah di bawah menunjukkan prestasi keadaan cas apabila bateri dicas pendek dan dicas pendek. Keadaan ralat caj masih sangat kecil, dan ralat maksimum hanya 3%.

Rajah 14. Prestasi keadaan cas bagi algoritma voltan dinamik apabila bateri dicas pendek dan nyahcas pendek

Berbanding dengan keadaan di mana tolok bahan api pemeteran Coulomb biasanya menyebabkan keadaan cas yang tidak tepat disebabkan oleh ralat penderiaan semasa dan nyahcas sendiri bateri, algoritma voltan dinamik tidak mengumpul ralat dari semasa ke semasa dan semasa, yang merupakan kelebihan besar. Oleh kerana tiada maklumat tentang arus cas/nyahcas, algoritma voltan dinamik mempunyai ketepatan jangka pendek yang lemah dan masa tindak balas yang perlahan. Selain itu, ia tidak boleh menganggarkan kapasiti cas penuh. Walau bagaimanapun, ia berfungsi dengan baik dari segi ketepatan jangka panjang, kerana voltan bateri akhirnya akan secara langsung mencerminkan keadaan casnya.