1. Introduksjon til litiumionbatteri

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Ladetilstanden kan defineres som tilstanden til tilgjengelig elektrisk energi i batteriet, vanligvis uttrykt i prosent. Fordi den tilgjengelige elektriske energien varierer med lade- og utladningsstrøm, temperatur og aldringsfenomener, er definisjonen av ladningstilstand også delt inn i to typer: Absolutt ladetilstand (ASOC) og relativ ladetilstand (relativ tilstand). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalt er den relative ladetilstanden 0%-100%, mens batteriet er 100% når det er fulladet og 0% når det er helt utladet. Den absolutte ladetilstanden er en referanseverdi beregnet i henhold til den beregnede faste kapasitetsverdien når batteriet produseres. Den absolutte ladetilstanden til et helt nytt fulladet batteri er 100 %; og selv om et aldrende batteri er fulladet, kan det ikke nå 100 % under forskjellige lade- og utladingsforhold.

Figuren under viser forholdet mellom spenning og batterikapasitet ved ulike utladningshastigheter. Jo høyere utladningshastighet, jo lavere batterikapasitet. Når temperaturen er lav, vil også batterikapasiteten reduseres.

Figur 1.

Forholdet mellom spenning og kapasitet ved forskjellige utladningshastigheter og temperaturer

1.2 Maks ladespenning

Maksimal ladespenning er relatert til den kjemiske sammensetningen og egenskapene til batteriet. Ladespenningen til litiumbatteriet er vanligvis 4.2V og 4.35V, og spenningsverdien vil være forskjellig hvis katode- og anodematerialene er forskjellige.

1.3 Fulladet

Når forskjellen mellom batterispenning og høyeste ladespenning er mindre enn 100mV, og ladestrømmen faller til C/10, kan batteriet regnes som fulladet. Batteriegenskapene er forskjellige, og fulladeningsforholdene er også forskjellige.

Figuren nedenfor viser en typisk ladekarakteristikk for litiumbatterier. Når batterispenningen er lik høyeste ladespenning og ladestrømmen faller til C/10, anses batteriet som fulladet.

Figur 2. Karakteristikkkurve for litiumbatteri

1.4 Mini utladningsspenning

Minimum utladningsspenning kan defineres av cut-off utladningsspenning, som vanligvis er spenningen når ladetilstanden er 0 %. Denne spenningsverdien er ikke en fast verdi, men endres med belastning, temperatur, aldringsgrad eller andre faktorer.

1.5 Fullstendig utladning

Når batterispenningen er mindre enn eller lik minimum utladningsspenning, kan det kalles en fullstendig utladning.

1.6 Lade- og utladningshastighet (C-Rate)

Lade-utladningshastigheten er et uttrykk for lade-utladningsstrømmen i forhold til batterikapasiteten. Hvis for eksempel 1C brukes til å lade ut i en time, vil ideelt sett batteriet være helt utladet. Ulike lade- og utladningshastigheter vil resultere i ulik brukbar kapasitet. Vanligvis, jo høyere ladnings-utladningshastighet, jo mindre er tilgjengelig kapasitet.

1.7 Syklusliv

Antall sykluser er antall ganger et batteri har gjennomgått fullstendig lading og utlading, som kan estimeres ut fra den faktiske utladingskapasiteten og designkapasiteten. Når den akkumulerte utladningskapasiteten er lik designkapasiteten, er antall sykluser én gang. Vanligvis etter 500 lade-utladingssykluser, synker kapasiteten til et fulladet batteri med 10 % ~ 20 %.

Figur 3. Sammenhengen mellom antall sykluser og batterikapasitet

1.8 Selvutlading

Selvutladingen av alle batterier øker når temperaturen stiger. Selvutlading er i utgangspunktet ikke en produksjonsfeil, men egenskapene til selve batteriet. Imidlertid kan feil håndtering i produksjonsprosessen også føre til en økning i selvutladning. Vanligvis dobles selvutladingshastigheten for hver 10°C økning i batteritemperatur. Den månedlige selvutladingen av litiumionbatterier er ca. 1~2%, mens den månedlige selvutladingen av forskjellige nikkelbaserte batterier er 10-15%.

Figur 4. Ytelsen til selvutladingshastigheten til litiumbatterier ved forskjellige temperaturer

2. Introduksjon til batteridrivstoffmåler

2.1 Introduksjon til drivstoffmålerfunksjon

Batteristyring kan betraktes som en del av strømstyring. I batteristyring er drivstoffmåleren ansvarlig for å estimere batterikapasiteten. Dens grunnleggende funksjon er å overvåke spenningen, lade-/utladningsstrømmen og batteritemperaturen, og estimere batteriets ladetilstand (SOC) og batteriets fulladekapasitet (FCC). Det er to typiske metoder for å estimere ladetilstanden til et batteri: åpen kretsspenningsmetoden (OCV) og den kulometriske metoden. En annen metode er den dynamiske spenningsalgoritmen designet av RICHTEK.

2.2 Åpen kretsspenningsmetode

Elektrisitetsmåleren som bruker åpen kretsspenningsmetoden er lettere å implementere, og den kan fås ved å slå opp tabellen som tilsvarer ladetilstanden til åpen kretsspenning. Den hypotetiske tilstanden til åpen kretsspenning er batteripolspenningen når batteriet hviler i ca. 30 minutter.

Under forskjellig belastning, temperatur og batterialdring vil batterispenningskurven være forskjellig. Derfor kan et fast voltmeter med åpen krets ikke fullt ut representere ladetilstanden; ladetilstanden kan ikke estimeres ved å slå opp i tabellen alene. Med andre ord, hvis ladetilstanden kun estimeres ved å slå opp i tabellen, vil feilen være veldig stor.

Følgende figur viser at den samme batterispenningen er under lading og utlading, og ladetilstanden funnet av åpen kretsspenningsmetoden er veldig forskjellig.

Figur 5. Batterispenning under lading og utlading

Figuren under viser at ladetilstanden varierer mye under ulike belastninger under utlading. Så i utgangspunktet er åpen kretsspenningsmetoden bare egnet for systemer med lave krav til nøyaktigheten av ladetilstanden, for eksempel bruk av bly-syrebatterier eller avbruddsfri strømforsyning i biler.

Figur 6. Batterispenning under ulik belastning under utlading

2.3 Coulomb målemetode

Driftsprinsippet for coulomb-målemetoden er å koble en deteksjonsmotstand på lade-/utladingsbanen til batteriet. ADC måler spenningen på deteksjonsmotstanden og konverterer den til strømverdien til batteriet som lades eller utlades. Sanntidstelleren (RTC) gir integrering av gjeldende verdi med tid, for å vite hvor mange coulombs som strømmer gjennom.

Figur 7. Grunnleggende arbeidsmetode for Coulomb målemetode

Coulomb-målemetoden kan nøyaktig beregne sanntidsladingstilstanden under lading eller utlading. Med lade-coulomb-telleren og utladnings-coulomb-telleren kan den beregne gjenværende kapasitet (RM) og full ladekapasitet (FCC). Samtidig kan gjenværende kapasitet (RM) og full ladekapasitet (FCC) også brukes til å beregne ladetilstanden, det vil si (SOC = RM / FCC). I tillegg kan den også estimere gjenværende tid, for eksempel strømforbruk (TTE) og full effekt (TTF).

Figur 8. Beregningsformel for Coulomb målemetode

Det er to hovedfaktorer som forårsaker avvik i nøyaktigheten til Coulomb-målemetoden. Den første er akkumulering av forskyvningsfeil i strømføling og ADC-måling. Selv om målefeilen med dagens teknologi fortsatt er liten, vil feilen øke med tiden hvis det ikke er noen god måte å eliminere den på. Figuren nedenfor viser at i praktiske applikasjoner, hvis det ikke er noen korreksjon i tidsvarigheten, er den akkumulerte feilen ubegrenset.

Figur 9. Kumulativ feil ved Coulomb målemetode

For å eliminere den akkumulerte feilen, er det tre mulige brukbare tidspunkter ved normal batteridrift: slutt på lading (EOC), slutt på utladning (EOD) og hvile (slapp av). Når ladetilstanden er nådd, betyr det at batteriet er fulladet og ladetilstanden (SOC) skal være 100 %. Slutttilstanden for utlading betyr at batteriet er fullstendig utladet og ladetilstanden (SOC) skal være 0 %; det kan være en absolutt spenningsverdi eller endres med belastningen. Når det når hviletilstand, er batteriet verken ladet eller utladet, og det forblir i denne tilstanden i lang tid. Hvis brukeren ønsker å bruke hviletilstanden til batteriet for å korrigere feilen i coulomb-målemetoden, må et åpent kretsvoltmeter brukes på dette tidspunktet. Figuren nedenfor viser at ladetilstandsfeilen kan korrigeres i tilstanden ovenfor.

Figur 10. Betingelser for å eliminere den kumulative feilen til Coulomb-målemetoden

Den andre hovedfaktoren som forårsaker avviket i nøyaktigheten til coulomb-målemetoden er feilen for full ladekapasitet (FCC), som er forskjellen mellom verdien av batteridesignkapasiteten og den sanne fulladekapasiteten til batteriet. Full ladekapasitet (FCC) vil bli påvirket av temperatur, aldring, belastning og andre faktorer. Derfor er gjenlærings- og kompensasjonsmetoden for full ladekapasitet svært viktig for coulomb-målemetoden. Følgende figur viser trendfenomenet for ladetilstandsfeil når full ladekapasitet er overvurdert og undervurdert.

Figur 11. Feiltrenden når full ladekapasitet er over- og underestimert

2.4 Dynamisk spenningsalgoritme drivstoffmåler

Den dynamiske spenningsalgoritmen drivstoffmåler kan beregne ladetilstanden til litiumbatteriet kun basert på batterispenningen. Denne metoden er å estimere økningen eller reduksjonen av ladetilstanden basert på forskjellen mellom batterispenningen og den åpne kretsspenningen til batteriet. Den dynamiske spenningsinformasjonen kan effektivt simulere oppførselen til litiumbatteriet for å bestemme ladetilstanden SOC (%), men denne metoden kan ikke estimere batterikapasitetsverdien (mAh).

Beregningsmetoden er basert på den dynamiske forskjellen mellom batterispenningen og åpen kretsspenning, ved å bruke en iterativ algoritme for å beregne hver økning eller reduksjon av ladetilstanden for å estimere ladetilstanden. Sammenlignet med løsningen av drivstoffmåleren til coulomb-måling, vil drivstoffmåleren for dynamisk spenningsalgoritme ikke akkumulere feil over tid og strøm. Coulomb-målere forårsaker vanligvis unøyaktig estimering av ladetilstanden på grunn av strømfølingsfeil og selvutlading av batteriet. Selv om gjeldende registreringsfeil er svært liten, vil coulomb-telleren fortsette å akkumulere feilen, og den akkumulerte feilen kan bare elimineres når den er fulladet eller helt utladet.

Den dynamiske spenningsalgoritmen drivstoffmåler estimerer ladetilstanden til batteriet kun ved hjelp av spenningsinformasjon; fordi det ikke er estimert av gjeldende informasjon om batteriet, akkumulerer det ikke feil. For å forbedre nøyaktigheten til ladetilstanden, må den dynamiske spenningsalgoritmen bruke en faktisk enhet, og justere parametrene til en optimalisert algoritme i henhold til den faktiske batterispenningskurven når den er fulladet og helt utladet.

Figur 12. Ytelse for dynamisk spenningsalgoritme drivstoffmåler og forsterkningsoptimalisering

Følgende er ytelsen til den dynamiske spenningsalgoritmen under forskjellige utladningshastighetsforhold. Det kan sees fra figuren at ladetilstanden har god nøyaktighet. Uavhengig av utladningsbetingelsene til C/2, C/4, C/7 og C/10, er den totale ladningsfeilen for denne metoden mindre enn 3%.

Figur 13. Ytelsen til ladetilstanden til den dynamiske spenningsalgoritmen under forskjellige utladningshastighetsforhold

Figuren nedenfor viser ytelsen til ladetilstanden når batteriet er kortladet og kortutladet. Ladetilstandsfeilen er fortsatt veldig liten, og maksimal feil er bare 3 %.

Figur 14. Ytelsen til ladetilstanden til den dynamiske spenningsalgoritmen når batteriet er kortladet og kortutladet

Sammenlignet med situasjonen der Coulomb-måleren vanligvis forårsaker unøyaktig ladetilstand på grunn av strømfølingsfeil og batteriets selvutlading, akkumulerer ikke den dynamiske spenningsalgoritmen feil over tid og strøm, noe som er en stor fordel. Fordi det ikke er informasjon om lade-/utladningsstrømmen, har den dynamiske spenningsalgoritmen dårlig kortsiktig nøyaktighet og langsom responstid. I tillegg kan den ikke anslå full ladekapasitet. Den yter imidlertid godt når det gjelder langsiktig nøyaktighet, fordi batterispenningen til slutt vil reflektere dens ladetilstand direkte.