1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Estado de cobrança (SOC)

O estado de carga pode ser definido como o estado da energia elétrica disponível na bateria, geralmente expresso em porcentagem. Como a energia elétrica disponível varia com a corrente de carga e descarga, temperatura e fenômenos de envelhecimento, a definição do estado de carga também é dividida em dois tipos: Estado de carga absoluto (ASOC) e estado de carga relativo (estado relativo -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalmente, o estado relativo da faixa de carga é de 0% -100%, enquanto a bateria é 100% quando totalmente carregada e 0% quando totalmente descarregada. O estado absoluto de carga é um valor de referência calculado de acordo com o valor de capacidade fixa projetado quando a bateria é fabricada. O estado absoluto de carga de uma bateria totalmente nova totalmente carregada é 100%; e mesmo se uma bateria envelhecida estiver totalmente carregada, ela não pode chegar a 100% em diferentes condições de carga e descarga.

A figura abaixo mostra a relação entre a tensão e a capacidade da bateria em diferentes taxas de descarga. Quanto maior for a taxa de descarga, menor será a capacidade da bateria. Quando a temperatura está baixa, a capacidade da bateria também diminui.

Figura 1. Painel do

A relação entre tensão e capacidade em diferentes taxas de descarga e temperaturas

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 Totalmente Carregado

Quando a diferença entre a tensão da bateria e a tensão de carga mais alta for inferior a 100mV e a corrente de carga cair para C / 10, a bateria pode ser considerada como totalmente carregada. As características da bateria são diferentes e as condições de carga total também são diferentes.

A figura abaixo mostra uma curva característica de carga de bateria de lítio típica. Quando a tensão da bateria é igual à tensão de carga mais alta e a corrente de carga cai para C / 10, a bateria é considerada totalmente carregada.

Figura 2. Curva característica de carga da bateria de lítio

1.4 Tensão de Mini Descarregamento

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 Descarregamento Total

Quando a tensão da bateria é menor ou igual à tensão de descarga mínima, pode ser chamada de descarga completa.

1.6 Taxa de carga e descarga (C-Rate)

A taxa de carga-descarga é uma expressão da corrente de carga-descarga relativa à capacidade da bateria. Por exemplo, se 1C for usado para descarregar por uma hora, o ideal é que a bateria fique completamente descarregada. Taxas diferentes de carga e descarga resultarão em diferentes capacidades utilizáveis. Geralmente, quanto maior a taxa de carga-descarga, menor é a capacidade disponível.

1.7 Ciclo de vida

O número de ciclos é o número de vezes que uma bateria foi totalmente carregada e descarregada, que pode ser estimada a partir da capacidade real de descarga e da capacidade projetada. Sempre que a capacidade de descarga acumulada for igual à capacidade projetada, o número de ciclos é uma vez. Normalmente, após 500 ciclos de carga-descarga, a capacidade de uma bateria totalmente carregada cai em 10% ~ 20%.

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

1.8 Autodescarga

A autodescarga de todas as baterias aumenta com o aumento da temperatura. A autodescarga não é basicamente um defeito de fabricação, mas sim as características da própria bateria. No entanto, o manuseio incorreto no processo de fabricação também pode causar um aumento na autodescarga. Geralmente, a taxa de autodescarga dobra a cada aumento de 10 ° C na temperatura da bateria. A autodescarga mensal das baterias de íon-lítio é de cerca de 1 ~ 2%, enquanto a autodescarga mensal de várias baterias à base de níquel é de 10-15%.

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

2. Introdução ao medidor de combustível da bateria

2.1 Introdução à função de medidor de combustível

O gerenciamento da bateria pode ser considerado parte do gerenciamento de energia. No gerenciamento de bateria, o medidor de combustível é responsável por estimar a capacidade da bateria. Sua função básica é monitorar a tensão, a corrente de carga / descarga e a temperatura da bateria e estimar o estado de carga da bateria (SOC) e a capacidade total de carga da bateria (FCC). Existem dois métodos típicos para estimar o estado de carga de uma bateria: o método da tensão em circuito aberto (OCV) e o método coulométrico. Outro método é o algoritmo de tensão dinâmica projetado por RICHTEK.

2.2 Método de tensão de circuito aberto

O medidor de eletricidade usando o método da tensão em circuito aberto é mais fácil de implementar e pode ser obtido consultando a tabela correspondente ao estado de carga da tensão em circuito aberto. A condição hipotética da tensão de circuito aberto é a tensão do terminal da bateria quando a bateria repousa por cerca de 30 minutos.

Sob carga, temperatura e envelhecimento da bateria diferentes, a curva de tensão da bateria será diferente. Portanto, um voltímetro de circuito aberto fixo não pode representar totalmente o estado de carga; o estado de carga não pode ser estimado olhando apenas a tabela. Em outras palavras, se o estado de carga for estimado apenas olhando a tabela, o erro será muito grande.

A figura a seguir mostra que a mesma tensão da bateria está sob carga e descarga, e o estado de carga encontrado pelo método de tensão de circuito aberto é muito diferente.

Figura 5. Tensão da bateria sob carga e descarga

A figura abaixo mostra que o estado de carga varia muito sob diferentes cargas durante a descarga. Então, basicamente, o método da tensão de circuito aberto é adequado apenas para sistemas com baixos requisitos de precisão do estado de carga, como o uso de baterias de chumbo-ácido ou fontes de alimentação ininterrupta em automóveis.

Figura 6. Tensão da bateria sob diferentes cargas durante a descarga

2.3 Método de medição de Coulomb

O princípio de operação do método de medição coulomb é conectar um resistor de detecção no caminho de carga / descarga da bateria. O ADC mede a tensão no resistor de detecção e a converte no valor atual da bateria sendo carregada ou descarregada. O contador em tempo real (RTC) permite a integração do valor atual com o tempo, de forma a saber quantos coulombs passam.

Figura 7. Método de trabalho básico do método de medição Coulomb

O método de medição Coulomb pode calcular com precisão o estado de carga em tempo real durante o carregamento ou descarregamento. Com o contador de coulomb de carga e o contador de coulomb de descarga, ele pode calcular a capacidade restante (RM) e a capacidade de carga total (FCC). Ao mesmo tempo, a capacidade restante (RM) e a capacidade de carga total (FCC) também podem ser usadas para calcular o estado de carga, ou seja (SOC = RM / FCC). Além disso, também pode estimar o tempo restante, como exaustão de potência (TTE) e potência total (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Existem dois fatores principais que causam desvios na precisão do método de medição de Coulomb. O primeiro é o acúmulo de erros de deslocamento na detecção de corrente e na medição ADC. Embora o erro de medição com a tecnologia atual ainda seja pequeno, se não houver uma boa maneira de eliminá-lo, o erro aumentará com o tempo. A figura abaixo mostra que em aplicações práticas, se não houver correção na duração do tempo, o erro acumulado é ilimitado.

Figura 9. Erro cumulativo do método de medição 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.

Figura 10. Condições para eliminar o erro cumulativo do método de medição Coulomb

O segundo fator principal que causa o desvio da precisão do método de medição coulomb é o erro de capacidade de carga total (FCC), que é a diferença entre o valor da capacidade do projeto da bateria e a capacidade de carga total real da bateria. A capacidade de carga total (FCC) será afetada pela temperatura, envelhecimento, carga e outros fatores. Portanto, o método de reaprendizagem e compensação da capacidade de carga total é muito importante para o método de medição coulomb. A figura a seguir mostra o fenômeno de tendência do erro de estado de carga quando a capacidade total de carga é superestimada e subestimada.

Figura 11. A tendência de erro quando a capacidade de carga total é superestimada e subestimada

2.4 Medidor de combustível de algoritmo de tensão dinâmica

O medidor de combustível do algoritmo de tensão dinâmica pode calcular o estado de carga da bateria de lítio com base apenas na tensão da bateria. Este método estima o aumento ou diminuição do estado de carga com base na diferença entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto da bateria. A informação de tensão dinâmica pode simular efetivamente o comportamento da bateria de lítio para determinar o estado de carga SOC (%), mas este método não pode estimar o valor da capacidade da bateria (mAh).

Seu método de cálculo é baseado na diferença dinâmica entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto, usando um algoritmo iterativo para calcular cada aumento ou diminuição do estado de carga para estimar o estado de carga. Comparado com a solução do medidor de combustível de medição coulomb, o medidor de combustível do algoritmo de tensão dinâmica não acumulará erros ao longo do tempo e da corrente. Os medidores de combustível Coulomb geralmente causam estimativas imprecisas do estado de carga devido a erros de detecção de corrente e autodescarga da bateria. Mesmo se o erro de detecção de corrente for muito pequeno, o contador coulomb continuará a acumular o erro, e o erro acumulado só pode ser eliminado quando estiver totalmente carregado ou totalmente descarregado.

O medidor de combustível do algoritmo de tensão dinâmica estima o estado de carga da bateria apenas por informações de tensão; por não ser estimado pelas informações atuais da bateria, não acumula erros. Para melhorar a precisão do estado de carga, o algoritmo de tensão dinâmica precisa usar um dispositivo real e ajustar os parâmetros de um algoritmo otimizado de acordo com a curva de tensão real da bateria quando ela está totalmente carregada e totalmente descarregada.

Figura 12. Desempenho do medidor de combustível do algoritmo de tensão dinâmica e otimização de ganho

A seguir está o desempenho do algoritmo de tensão dinâmica sob diferentes condições de taxa de descarga. Pode-se ver na figura que seu estado de carga tem boa precisão. Independentemente das condições de descarga de C / 2, C / 4, C / 7 e C / 10, o estado geral de erro de carga deste método é inferior a 3%.

Figura 13. O desempenho do estado de carga do algoritmo de tensão dinâmica sob diferentes condições de taxa de descarga

A figura abaixo mostra o desempenho do estado de carga quando a bateria está carregada em curto e descarregada em curto. O estado de erro de carga ainda é muito pequeno e o erro máximo é de apenas 3%.

Figura 14. O desempenho do estado de carga do algoritmo de tensão dinâmica quando a bateria está carregada em curto e descarregada em curto

Comparado com a situação em que o medidor de combustível de medição Coulomb geralmente causa um estado impreciso de carga devido a erros de detecção de corrente e autodescarga da bateria, o algoritmo de tensão dinâmica não acumula erros ao longo do tempo e da corrente, o que é uma grande vantagem. Como não há informações sobre a corrente de carga / descarga, o algoritmo de tensão dinâmica tem baixa precisão de curto prazo e tempo de resposta lento. Além disso, ele não pode estimar a capacidade total de carga. No entanto, ele tem um bom desempenho em termos de precisão de longo prazo, porque a tensão da bateria acabará refletindo diretamente seu estado de carga.