1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Laadtoestand (SOC)

De laadtoestand kan worden gedefinieerd als de staat van de beschikbare elektrische energie in de batterij, meestal uitgedrukt als een percentage. Omdat de beschikbare elektrische energie varieert met laad- en ontlaadstroom, temperatuur en verouderingsverschijnselen, is de definitie van laadtoestand ook verdeeld in twee typen: Absolute laadtoestand (ASOC) en relatieve laadtoestand (relatieve staat). Laadvermogen; ASOC) Laadstatus; RSOC). Normaal gesproken is het relatieve laadbereik 0%-100%, terwijl de batterij 100% is wanneer deze volledig is opgeladen en 0% wanneer deze volledig is ontladen. De absolute laadtoestand is een referentiewaarde die wordt berekend volgens de ontworpen vaste capaciteitswaarde wanneer de batterij wordt vervaardigd. De absolute laadtoestand van een gloednieuwe volledig opgeladen batterij is 100%; en zelfs als een verouderde batterij volledig is opgeladen, kan deze niet 100% bereiken onder verschillende laad- en ontlaadomstandigheden.

Onderstaande figuur toont de relatie tussen spanning en batterijcapaciteit bij verschillende ontladingssnelheden. Hoe hoger de ontlaadsnelheid, hoe lager de batterijcapaciteit. Bij een lage temperatuur neemt ook de batterijcapaciteit af.

Figuur 1.

De relatie tussen spanning en capaciteit bij verschillende ontlaadsnelheden en temperaturen

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 Volledig opgeladen

Wanneer het verschil tussen de accuspanning en de hoogste laadspanning kleiner is dan 100mV, en de laadstroom daalt tot C/10, kan de accu als volledig opgeladen worden beschouwd. De kenmerken van de batterij zijn anders en de volledige laadcondities zijn ook anders.

De onderstaande afbeelding toont een typische oplaadkarakteristiek van lithiumbatterijen. Wanneer de accuspanning gelijk is aan de hoogste laadspanning en de laadstroom daalt tot C/10, wordt de accu als volledig opgeladen beschouwd.

Afbeelding 2. Oplaadkarakteristiek van lithiumbatterijen

1.4 Mini-ontlaadspanning

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 Volledig ontladen

Wanneer de accuspanning lager is dan of gelijk is aan de minimale ontlaadspanning, kan er sprake zijn van een volledige ontlading.

1.6 Laad- en ontlaadsnelheid (C-Rate)

De laad-ontlaadsnelheid is een uitdrukking van de laad-ontlaadstroom ten opzichte van de batterijcapaciteit. Als bijvoorbeeld 1C wordt gebruikt om een ​​uur lang te ontladen, wordt de batterij idealiter volledig ontladen. Verschillende laad- en ontlaadsnelheden zullen resulteren in verschillende bruikbare capaciteit. Over het algemeen geldt: hoe groter de laad-ontlaadsnelheid, hoe kleiner de beschikbare capaciteit.

1.7 Levensduur

Het aantal cycli is het aantal keren dat een batterij volledig is opgeladen en ontladen, wat kan worden geschat op basis van de werkelijke ontlaadcapaciteit en de ontwerpcapaciteit. Wanneer de geaccumuleerde afvoercapaciteit gelijk is aan de ontwerpcapaciteit, is het aantal cycli één. Gewoonlijk daalt de capaciteit van een volledig opgeladen batterij na 500 laad-ontlaadcycli met 10% ~ 20%.

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

1.8 Zelfontlading

De zelfontlading van alle accu’s neemt toe naarmate de temperatuur stijgt. Zelfontlading is in principe geen fabricagefout, maar de eigenschappen van de batterij zelf. Onjuiste behandeling in het productieproces kan echter ook een toename van zelfontlading veroorzaken. Over het algemeen verdubbelt de zelfontladingssnelheid voor elke 10 °C stijging van de batterijtemperatuur. De maandelijkse zelfontlading van lithium-ionbatterijen is ongeveer 1 ~ 2%, terwijl de maandelijkse zelfontlading van verschillende op nikkel gebaseerde batterijen 10-15% is.

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

2. Inleiding tot de batterijbrandstofmeter

2.1 Inleiding tot de brandstofmeterfunctie

Batterijbeheer kan worden beschouwd als onderdeel van energiebeheer. Bij batterijbeheer is de brandstofmeter verantwoordelijk voor het schatten van de batterijcapaciteit. De basisfunctie is om de spanning, laad-/ontlaadstroom en accutemperatuur te bewaken en de laadstatus (SOC) en de volledige laadcapaciteit van de accu (FCC) te schatten. Er zijn twee typische methoden voor het schatten van de laadtoestand van een batterij: de nullastspanningsmethode (OCV) en de coulometrische methode. Een andere methode is het dynamische spanningsalgoritme ontworpen door RICHTEK.

2.2 Open circuit voltage methode:

De elektriciteitsmeter die de nullastspanningsmethode gebruikt, is gemakkelijker te implementeren en kan worden verkregen door de tabel op te zoeken die overeenkomt met de laadtoestand van de nullastspanning. De hypothetische toestand van de nullastspanning is de spanning op de accupool wanneer de accu ongeveer 30 minuten rust.

Bij verschillende belasting, temperatuur en veroudering van de batterij zal de curve van de batterijspanning anders zijn. Daarom kan een voltmeter met een vast open circuit de laadtoestand niet volledig weergeven; de laadtoestand kan niet worden geschat door alleen de tabel op te zoeken. Met andere woorden, als de laadtoestand alleen wordt geschat door de tabel op te zoeken, zal de fout erg groot zijn.

De volgende afbeelding laat zien dat dezelfde batterijspanning wordt opgeladen en ontladen, en de laadtoestand die wordt gevonden door de nullastspanningsmethode is heel anders.

Figuur 5. Accuspanning tijdens laden en ontladen

Onderstaande figuur laat zien dat de laadtoestand sterk varieert bij verschillende belastingen tijdens het ontladen. Dus eigenlijk is de nullastspanningsmethode alleen geschikt voor systemen met lage eisen voor de nauwkeurigheid van de laadtoestand, zoals het gebruik van loodzuuraccu’s of ononderbroken stroomvoorzieningen in auto’s.

Afbeelding 6. Accuspanning onder verschillende belastingen tijdens ontlading

2.3 Coulomb-meetmethode

Het werkingsprincipe van de coulomb-meetmethode is om een ​​detectieweerstand aan te sluiten op het laad-/ontlaadpad van de batterij. De ADC meet de spanning op de detectieweerstand en zet deze om in de huidige waarde van de batterij die wordt opgeladen of ontladen. De real-time teller (RTC) zorgt voor de integratie van de huidige waarde met de tijd, om te weten hoeveel coulombs er doorheen gaan.

Figuur 7. Basiswerkwijze van de Coulomb-meetmethode

De Coulomb-meetmethode kan de realtime laadstatus nauwkeurig berekenen tijdens het opladen of ontladen. Met de laadcoulomb-teller en de ontlaadcoulomb-teller kan hij de resterende capaciteit (RM) en de volledige laadcapaciteit (FCC) berekenen. Tegelijkertijd kunnen de resterende capaciteit (RM) en de volledige laadcapaciteit (FCC) ook worden gebruikt om de laadtoestand te berekenen, dat wil zeggen (SOC = RM / FCC). Daarnaast kan het ook de resterende tijd inschatten, zoals power exhaustion (TTE) en full power (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Er zijn twee belangrijke factoren die afwijkingen in de nauwkeurigheid van de Coulomb-meetmethode veroorzaken. De eerste is de opeenstapeling van offsetfouten in stroomdetectie en ADC-meting. Hoewel de meetfout met de huidige technologie nog steeds klein is, zal de fout met de tijd toenemen als er geen goede manier is om deze te elimineren. Onderstaande figuur laat zien dat in praktische toepassingen, als er geen correctie in de tijdsduur is, de geaccumuleerde fout onbeperkt is.

Afbeelding 9. Cumulatieve fout van de Coulomb-meetmethode

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.

Afbeelding 10. Voorwaarden voor het elimineren van de cumulatieve fout van de Coulomb-meetmethode

De tweede belangrijke factor die de afwijking van de nauwkeurigheid van de coulomb-meetmethode veroorzaakt, is de FCC-fout (Full Charge Capacity), wat het verschil is tussen de waarde van de ontwerpcapaciteit van de batterij en de werkelijke volledige laadcapaciteit van de batterij. De volledige laadcapaciteit (FCC) wordt beïnvloed door temperatuur, veroudering, belasting en andere factoren. Daarom is het opnieuw leren en compenseren van de volledige laadcapaciteit erg belangrijk voor de coulomb-meetmethode. De volgende afbeelding toont het trendverschijnsel van de laadstatusfout wanneer de volledige laadcapaciteit wordt overschat en onderschat.

Figuur 11. De fouttrend wanneer de volledige laadcapaciteit wordt overschat en onderschat

2.4 Dynamische spanningsalgoritme brandstofmeter

De brandstofmeter met dynamisch spanningsalgoritme kan de laadstatus van de lithiumbatterij alleen op basis van de batterijspanning berekenen. Deze methode is bedoeld om de toename of afname van de laadtoestand te schatten op basis van het verschil tussen de batterijspanning en de nullastspanning van de batterij. De dynamische spanningsinformatie kan het gedrag van de lithiumbatterij effectief simuleren om de laadstatus SOC (%), te bepalen, maar deze methode kan de batterijcapaciteitswaarde (mAh) niet schatten.

De berekeningsmethode is gebaseerd op het dynamische verschil tussen de batterijspanning en de nullastspanning, door een iteratief algoritme te gebruiken om elke toename of afname van de laadtoestand te berekenen om de laadtoestand te schatten. Vergeleken met de oplossing van de coulomb-brandstofmeter, zal de brandstofmeter met het dynamische spanningsalgoritme geen fouten accumuleren in de tijd en stroom. Brandstofmeters met Coulomb-dosering veroorzaken meestal een onnauwkeurige schatting van de laadtoestand als gevolg van stroomdetectiefouten en zelfontlading van de batterij. Zelfs als de huidige detectiefout erg klein is, blijft de coulombteller de fout accumuleren, en de geaccumuleerde fout kan alleen worden geëlimineerd wanneer deze volledig is opgeladen of volledig is ontladen.

De brandstofmeter met dynamisch spanningsalgoritme schat de laadstatus van de batterij alleen op basis van spanningsinformatie; omdat het niet wordt geschat door de huidige informatie van de batterij, worden er geen fouten geaccumuleerd. Om de nauwkeurigheid van de laadtoestand te verbeteren, moet het dynamische spanningsalgoritme een echt apparaat gebruiken en de parameters van een geoptimaliseerd algoritme aanpassen aan de werkelijke batterijspanningscurve wanneer het volledig is opgeladen en volledig ontladen.

Afbeelding 12. Prestaties van brandstofmeter en versterkingsoptimalisatie met dynamisch spanningsalgoritme

Het volgende is de prestatie van het dynamische spanningsalgoritme onder verschillende ontlaadsnelheidsomstandigheden. Uit de figuur blijkt dat de laadtoestand een goede nauwkeurigheid heeft. Ongeacht de ontlaadcondities van C/2, C/4, C/7 en C/10, is de algemene laadfout van deze methode minder dan 3%.

Afbeelding 13. De prestaties van de laadtoestand van het dynamische spanningsalgoritme onder verschillende ontlaadsnelheidsomstandigheden

De onderstaande afbeelding toont de prestaties van de laadstatus wanneer de batterij kort wordt opgeladen en kort wordt ontladen. De laadfout is nog steeds erg klein en de maximale fout is slechts 3%.

Afbeelding 14. De prestaties van de laadstatus van het dynamische spanningsalgoritme wanneer de batterij kort is opgeladen en kort is ontladen

Vergeleken met de situatie waarin de Coulomb-brandstofmeter meestal een onnauwkeurige laadstatus veroorzaakt als gevolg van stroomdetectiefouten en zelfontlading van de batterij, accumuleert het dynamische spanningsalgoritme geen fouten in de tijd en stroom, wat een groot voordeel is. Omdat er geen informatie is over de laad-/ontlaadstroom, heeft het dynamische spanningsalgoritme een slechte kortetermijnnauwkeurigheid en een langzame responstijd. Bovendien kan het de volledige laadcapaciteit niet inschatten. Het presteert echter goed in termen van nauwkeurigheid op de lange termijn, omdat de batterijspanning uiteindelijk direct de laadtoestand weerspiegelt.