1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Stan naładowania (SOC)

Stan naładowania można zdefiniować jako stan dostępnej energii elektrycznej w akumulatorze, zwykle wyrażony w procentach. Ponieważ dostępna energia elektryczna zmienia się w zależności od prądu ładowania i rozładowania, temperatury i zjawiska starzenia, definicja stanu naładowania jest również podzielona na dwa typy: bezwzględny stan naładowania (ASOC) i względny stan naładowania (stan względny). -Oficjalny; ASOC) Stan naładowania; RSOC). Normalnie względny stan naładowania wynosi 0%-100%, podczas gdy akumulator wynosi 100% przy pełnym naładowaniu i 0% przy całkowitym rozładowaniu. Bezwzględny stan naładowania jest wartością odniesienia obliczoną zgodnie z zaprojektowaną stałą wartością pojemności podczas produkcji akumulatora. Całkowity stan naładowania całkowicie nowej, w pełni naładowanej baterii wynosi 100%; a nawet jeśli starzejący się akumulator jest w pełni naładowany, nie może osiągnąć 100% w różnych warunkach ładowania i rozładowania.

Poniższy rysunek przedstawia zależność między napięciem a pojemnością akumulatora przy różnych szybkościach rozładowania. Im wyższa szybkość rozładowania, tym mniejsza pojemność baterii. Gdy temperatura jest niska, pojemność baterii również się zmniejszy.

Rysunek 1.

Zależność między napięciem a pojemnością przy różnych szybkościach rozładowania i temperaturach

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 W pełni naładowany

Gdy różnica między napięciem akumulatora a najwyższym napięciem ładowania jest mniejsza niż 100mV, a prąd ładowania spada do C/10, akumulator można uznać za w pełni naładowany. Charakterystyki baterii są różne, inne są również warunki pełnego naładowania.

Poniższy rysunek przedstawia typową charakterystykę ładowania akumulatora litowego. Gdy napięcie akumulatora jest równe najwyższemu napięciu ładowania, a prąd ładowania spada do C/10, akumulator uważa się za w pełni naładowany.

Rysunek 2. Krzywa charakterystyki ładowania baterii litowej

1.4 Mini napięcie rozładowania

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 Całkowite rozładowanie

Gdy napięcie akumulatora jest mniejsze lub równe minimalnemu napięciu rozładowania, można to nazwać całkowitym rozładowaniem.

1.6 Szybkość ładowania i rozładowania (C-Rate)

Szybkość ładowania-rozładowania jest wyrażeniem prądu ładowania-rozładowania w stosunku do pojemności akumulatora. Na przykład, jeśli 1C zostanie użyty do rozładowania przez godzinę, idealnie akumulator zostanie całkowicie rozładowany. Różne szybkości ładowania i rozładowania skutkują różną pojemnością użytkową. Ogólnie rzecz biorąc, im większa szybkość ładowania-rozładowania, tym mniejsza dostępna pojemność.

1.7 Cykl życia

Liczba cykli to liczba pełnych cykli ładowania i rozładowania akumulatora, którą można oszacować na podstawie rzeczywistej pojemności rozładowania i pojemności projektowej. Ilekroć skumulowana wydajność rozładowania jest równa wydajności projektowej, liczba cykli jest równa jeden. Zwykle po 500 cyklach ładowania-rozładowania pojemność w pełni naładowanego akumulatora spada o 10% ~ 20%.

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

1.8 Samorozładowanie

Wraz ze wzrostem temperatury wzrasta samorozładowanie wszystkich akumulatorów. Samorozładowanie w zasadzie nie jest wadą fabryczną, ale właściwościami samego akumulatora. Jednak niewłaściwa obsługa w procesie produkcyjnym może również powodować wzrost samorozładowania. Ogólnie rzecz biorąc, szybkość samorozładowania podwaja się na każde 10 °C wzrostu temperatury akumulatora. Miesięczne samorozładowanie baterii litowo-jonowych wynosi około 1~2%, podczas gdy miesięczne samorozładowanie różnych baterii niklowych wynosi 10-15%.

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

2. Wprowadzenie do wskaźnika poziomu naładowania akumulatora

2.1 Wprowadzenie do funkcji wskaźnika paliwa

Zarządzanie baterią można traktować jako część zarządzania energią. W zarządzaniu akumulatorem wskaźnik poziomu paliwa odpowiada za oszacowanie pojemności akumulatora. Jego podstawową funkcją jest monitorowanie napięcia, prądu ładowania/rozładowania i temperatury akumulatora oraz szacowanie stanu naładowania akumulatora (SOC) i pełnej pojemności akumulatora (FCC). Istnieją dwie typowe metody szacowania stanu naładowania akumulatora: metoda napięcia otwartego (OCV) i metoda kulometryczna. Inną metodą jest algorytm dynamicznego napięcia zaprojektowany przez firmę RICHTEK.

2.2 Metoda napięcia w obwodzie otwartym

Licznik energii elektrycznej wykorzystujący metodę napięcia otwartego jest łatwiejszy do wdrożenia i można to uzyskać patrząc na tabelę odpowiadającą stanowi naładowania napięcia w obwodzie otwartym. Hipotetycznym stanem napięcia obwodu otwartego jest napięcie na zaciskach akumulatora, gdy akumulator jest w stanie spoczynku przez około 30 minut.

Przy różnym obciążeniu, temperaturze i starzeniu się akumulatora krzywa napięcia akumulatora będzie inna. Dlatego woltomierz o stałym obwodzie otwartym nie może w pełni reprezentować stanu naładowania; stanu naładowania nie można oszacować, patrząc jedynie na tabelę. Innymi słowy, jeśli stan naładowania jest szacowany tylko przez przejrzenie tabeli, błąd będzie bardzo duży.

Poniższy rysunek pokazuje, że to samo napięcie akumulatora jest ładowane i rozładowywane, a stan naładowania znaleziony metodą napięcia w obwodzie otwartym jest bardzo różny.

Rysunek 5. Napięcie akumulatora podczas ładowania i rozładowywania

Poniższy rysunek pokazuje, że stan naładowania różni się znacznie pod różnymi obciążeniami podczas rozładowania. Zatem zasadniczo metoda napięcia w obwodzie otwartym jest odpowiednia tylko dla systemów o niskich wymaganiach dotyczących dokładności stanu naładowania, takich jak stosowanie akumulatorów kwasowo-ołowiowych lub zasilaczy awaryjnych w samochodach.

Rysunek 6. Napięcie akumulatora pod różnymi obciążeniami podczas rozładowania

2.3 Metoda pomiaru kulombowskiego

Zasada działania metody pomiaru kulombowskiego polega na podłączeniu rezystora detekcyjnego na ścieżce ładowania/rozładowania akumulatora. ADC mierzy napięcie na rezystorze wykrywającym i przekształca je na wartość prądu ładowanego lub rozładowywanego akumulatora. Licznik czasu rzeczywistego (RTC) zapewnia całkowanie bieżącej wartości z czasem, aby wiedzieć, ile kulombów przepływa.

Rysunek 7. Podstawowa metoda pracy metody pomiaru kulombowskiego

Metoda pomiaru kulomba może dokładnie obliczyć stan naładowania w czasie rzeczywistym podczas ładowania lub rozładowywania. Za pomocą licznika kulomba ładunku i licznika kulomba rozładowania można obliczyć pozostałą pojemność (RM) i pełną pojemność ładowania (FCC). Jednocześnie pozostałą pojemność (RM) i pełną pojemność ładowania (FCC) można również wykorzystać do obliczenia stanu naładowania, czyli (SOC = RM / FCC). Ponadto może również oszacować pozostały czas, taki jak wyczerpanie mocy (TTE) i pełna moc (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Istnieją dwa główne czynniki, które powodują odchylenia w dokładności metody pomiaru Coulomba. Pierwszym z nich jest nagromadzenie błędów przesunięcia w wykrywaniu prądu i pomiarach ADC. Chociaż błąd pomiaru przy obecnej technologii jest wciąż niewielki, jeśli nie ma dobrego sposobu na jego wyeliminowanie, z czasem błąd będzie się zwiększał. Poniższy rysunek pokazuje, że w praktycznych zastosowaniach, jeśli nie ma korekty w czasie trwania, skumulowany błąd jest nieograniczony.

Rysunek 9. Błąd skumulowany metody pomiaru kulombowskiego

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.

Rysunek 10. Warunki eliminacji błędu skumulowanego metody pomiaru kulombowskiego

Drugim głównym czynnikiem powodującym odchylenie dokładności metody pomiaru kulomba jest błąd pełnej pojemności (FCC), który jest różnicą między wartością projektowej pojemności akumulatora a rzeczywistą pojemnością pełnego naładowania akumulatora. Pełna pojemność ładowania (FCC) będzie zależeć od temperatury, starzenia, obciążenia i innych czynników. Dlatego też metoda ponownego uczenia i kompensacji pełnej pojemności ładunku jest bardzo ważna dla metody pomiaru kulombowskiego. Poniższy rysunek przedstawia zjawisko trendu stanu błędu ładowania, gdy pełna pojemność ładowania jest zawyżona i niedoszacowana.

Rysunek 11. Trend błędu, gdy pełna pojemność ładowania jest zawyżona i niedoszacowana

2.4 Wskaźnik poziomu paliwa algorytmu dynamicznego napięcia

Wskaźnik poziomu paliwa z algorytmem dynamicznego napięcia może obliczyć stan naładowania baterii litowej tylko na podstawie napięcia baterii. Ta metoda ma na celu oszacowanie wzrostu lub spadku stanu naładowania na podstawie różnicy między napięciem akumulatora a napięciem w obwodzie otwartym akumulatora. Dynamiczna informacja o napięciu może skutecznie symulować zachowanie baterii litowej w celu określenia stanu naładowania SOC (%), ale ta metoda nie może oszacować wartości pojemności baterii (mAh).

Jego metoda obliczeniowa opiera się na dynamicznej różnicy między napięciem akumulatora a napięciem obwodu otwartego, przy użyciu algorytmu iteracyjnego do obliczania każdego wzrostu lub spadku stanu naładowania w celu oszacowania stanu naładowania. W porównaniu z rozwiązaniem wskaźnika paliwa z pomiarem kulomba, wskaźnik paliwa z algorytmem dynamicznego napięcia nie będzie akumulował błędów w czasie i natężeniu prądu. Wskaźniki paliwa z pomiarem kulombowskim zwykle powodują niedokładne oszacowanie stanu naładowania z powodu błędów wykrywania prądu i samorozładowania akumulatora. Nawet jeśli błąd wykrywania prądu jest bardzo mały, licznik kulombowski będzie nadal akumulował błąd, a skumulowany błąd można wyeliminować tylko wtedy, gdy jest w pełni naładowany lub całkowicie rozładowany.

Wskaźnik poziomu paliwa algorytmu dynamicznego napięcia szacuje stan naładowania akumulatora tylko na podstawie informacji o napięciu; ponieważ nie jest szacowany na podstawie aktualnych informacji o akumulatorze, nie kumuluje błędów. Aby poprawić dokładność stanu naładowania, algorytm dynamicznego napięcia musi wykorzystywać rzeczywiste urządzenie i dostosowywać parametry zoptymalizowanego algorytmu zgodnie z rzeczywistą krzywą napięcia akumulatora, gdy jest on w pełni naładowany i całkowicie rozładowany.

Rysunek 12. Działanie algorytmu dynamicznego pomiaru napięcia i optymalizacji wzmocnienia

Poniżej przedstawiono działanie algorytmu dynamicznego napięcia w warunkach różnych szybkości rozładowania. Z rysunku widać, że jego stan naładowania ma dobrą dokładność. Niezależnie od warunków rozładowania C/2, C/4, C/7 i C/10, całkowity błąd stanu naładowania tej metody wynosi mniej niż 3%.

Rysunek 13. Wydajność stanu naładowania algorytmu dynamicznego napięcia w warunkach różnych szybkości rozładowania

Poniższy rysunek przedstawia zachowanie się stanu naładowania, gdy akumulator jest krótko ładowany i rozładowany. Błąd stanu naładowania jest nadal bardzo mały, a maksymalny błąd to tylko 3%.

Rysunek 14. Przebieg stanu naładowania algorytmu napięcia dynamicznego przy krótkotrwałym i krótko rozładowanym akumulatorze

W porównaniu z sytuacją, w której miernik poziomu Coulomba zwykle powoduje niedokładny stan naładowania z powodu błędów wykrywania prądu i samorozładowania akumulatora, dynamiczny algorytm napięcia nie akumuluje błędów w czasie i natężeniu prądu, co jest dużą zaletą. Ponieważ nie ma informacji o prądzie ładowania/rozładowania, algorytm dynamicznego napięcia ma słabą dokładność krótkoterminową i długi czas odpowiedzi. Ponadto nie może oszacować pełnej pojemności ładowania. Jednak działa dobrze pod względem długoterminowej dokładności, ponieważ napięcie akumulatora ostatecznie bezpośrednio odzwierciedla stan jego naładowania.