1. Introducere în bateria litiu-ion

1.1 Starea de încărcare (SOC)

Starea de încărcare poate fi definită ca starea energiei electrice disponibile în baterie, de obicei exprimată ca procent. Deoarece energia electrică disponibilă variază în funcție de curentul de încărcare și de descărcare, temperatură și fenomene de îmbătrânire, definiția stării de încărcare este, de asemenea, împărțită în două tipuri: stare absolută de încărcare (ASOC) și stare de încărcare relativă (stare relativă). -Of-Charge; ASOC) Star-Of-Charge; RSOC). În mod normal, intervalul de stare relativă de încărcare este 0%-100%, în timp ce bateria este 100% când este complet încărcată și 0% când este complet descărcată. Starea absolută de încărcare este o valoare de referință calculată în funcție de valoarea de capacitate fixă ​​proiectată atunci când bateria este fabricată. Starea absolută de încărcare a unei baterii nou-nouțe complet încărcate este de 100%; și chiar dacă o baterie învechită este încărcată complet, nu poate ajunge la 100% în diferite condiții de încărcare și descărcare.

Figura de mai jos arată relația dintre tensiune și capacitatea bateriei la diferite rate de descărcare. Cu cât rata de descărcare este mai mare, cu atât capacitatea bateriei este mai mică. Când temperatura este scăzută, capacitatea bateriei va scădea și ea.

Figura 1.

Relația dintre tensiune și capacitate la diferite rate și temperaturi de descărcare

1.2 Tensiune maximă de încărcare

Tensiunea maximă de încărcare este legată de compoziția chimică și de caracteristicile bateriei. Tensiunea de încărcare a bateriei cu litiu este de obicei de 4.2 V și 4.35 V, iar valoarea tensiunii va fi diferită dacă materialele catodului și anodului sunt diferite.

1.3 Complet încărcat

Când diferența dintre tensiunea bateriei și cea mai mare tensiune de încărcare este mai mică de 100 mV, iar curentul de încărcare scade la C/10, bateria poate fi considerată ca fiind complet încărcată. Caracteristicile bateriei sunt diferite, iar condițiile de încărcare completă sunt, de asemenea, diferite.

Figura de mai jos prezintă o curbă caracteristică de încărcare tipică a bateriei cu litiu. Când tensiunea bateriei este egală cu cea mai mare tensiune de încărcare și curentul de încărcare scade la C/10, bateria este considerată complet încărcată.

Figura 2. Curba caracteristică de încărcare a bateriei cu litiu

1.4 Mini tensiune de descărcare

Tensiunea de descărcare minimă poate fi definită de tensiunea de descărcare de întrerupere, care este de obicei tensiunea când starea de încărcare este 0%. Această valoare a tensiunii nu este o valoare fixă, dar se modifică în funcție de sarcină, temperatură, gradul de îmbătrânire sau alți factori.

1.5 Descărcare completă

Când tensiunea bateriei este mai mică sau egală cu tensiunea minimă de descărcare, se poate numi descărcare completă.

1.6 Rata de încărcare și descărcare (C-Rate)

Rata de încărcare-descărcare este o expresie a curentului de încărcare-descărcare relativ la capacitatea bateriei. De exemplu, dacă se folosește 1C pentru a se descărca timp de o oră, în mod ideal, bateria va fi complet descărcată. Rate de încărcare și descărcare diferite vor avea ca rezultat o capacitate utilizabilă diferită. În general, cu cât rata de încărcare-descărcare este mai mare, cu atât capacitatea disponibilă este mai mică.

1.7 Ciclu de viață

Numărul de cicluri este de câte ori o baterie a suferit încărcare și descărcare completă, care poate fi estimată din capacitatea reală de descărcare și capacitatea de proiectare. Ori de câte ori capacitatea de descărcare acumulată este egală cu capacitatea de proiectare, numărul de cicluri este o dată. De obicei, după 500 de cicluri de încărcare-descărcare, capacitatea unei baterii complet încărcate scade cu 10% ~ 20%.

Figura 3. Relația dintre numărul de cicluri și capacitatea bateriei

1.8 Autodescărcare

Autodescărcarea tuturor bateriilor crește pe măsură ce temperatura crește. Autodescărcarea nu este practic un defect de fabricație, ci caracteristicile bateriei în sine. Cu toate acestea, manipularea necorespunzătoare în procesul de fabricație poate provoca și o creștere a autodescărcării. În general, rata de autodescărcare se dublează pentru fiecare creștere cu 10°C a temperaturii bateriei. Autodescărcarea lunară a bateriilor litiu-ion este de aproximativ 1~2%, în timp ce autodescărcarea lunară a diferitelor baterii pe bază de nichel este de 10-15%.

Figura 4. Performanța ratei de auto-descărcare a bateriilor cu litiu la diferite temperaturi

2. Introducere în indicatorul de combustibil al bateriei

2.1 Introducere în funcția indicator de combustibil

Gestionarea bateriei poate fi privită ca parte a gestionării energiei. În gestionarea bateriei, indicatorul de combustibil este responsabil pentru estimarea capacității bateriei. Funcția sa de bază este de a monitoriza tensiunea, curentul de încărcare/descărcare și temperatura bateriei și de a estima starea de încărcare a bateriei (SOC) și capacitatea de încărcare completă a bateriei (FCC). Există două metode tipice pentru estimarea stării de încărcare a unei baterii: metoda tensiunii în circuit deschis (OCV) și metoda coulometrică. O altă metodă este algoritmul de tensiune dinamică proiectat de RICHTEK.

2.2 Metoda tensiunii în circuit deschis

Contorul de energie electrică care utilizează metoda tensiunii în circuit deschis este mai ușor de implementat și poate fi obținut prin căutarea tabelului corespunzător stării de încărcare a tensiunii în circuit deschis. Condiția ipotetică a tensiunii în circuit deschis este tensiunea la borna bateriei atunci când bateria se odihnește timp de aproximativ 30 de minute.

La diferite sarcini, temperatură și îmbătrânire a bateriei, curba tensiunii bateriei va fi diferită. Prin urmare, un voltmetru fix cu circuit deschis nu poate reprezenta pe deplin starea de încărcare; starea de încărcare nu poate fi estimată doar căutând tabelul. Cu alte cuvinte, dacă starea de încărcare este estimată doar prin căutarea tabelului, eroarea va fi foarte mare.

Următoarea figură arată că aceeași tensiune a bateriei este sub încărcare și descărcare, iar starea de încărcare găsită prin metoda tensiunii în circuit deschis este foarte diferită.

Figura 5. Tensiunea bateriei la încărcare și descărcare

Figura de mai jos arată că starea de încărcare variază foarte mult sub diferite sarcini în timpul descărcării. Deci, practic, metoda tensiunii în circuit deschis este potrivită numai pentru sistemele cu cerințe scăzute pentru precizia stării de încărcare, cum ar fi utilizarea bateriilor cu plumb-acid sau a surselor de alimentare neîntreruptibile în automobile.

Figura 6. Tensiunea bateriei la diferite sarcini în timpul descărcării

2.3 Metoda de măsurare a Coulombului

Principiul de funcționare al metodei de măsurare a coulombului este conectarea unui rezistor de detecție pe calea de încărcare/descărcare a bateriei. ADC măsoară tensiunea de pe rezistența de detectare și o convertește în valoarea curentă a bateriei care se încarcă sau se descarcă. Contorul în timp real (RTC) asigură integrarea valorii curente cu timpul, pentru a ști prin câți coulombi trec.

Figura 7. Metoda de lucru de bază a metodei de măsurare Coulomb

Metoda de măsurare Coulomb poate calcula cu precizie starea de încărcare în timp real în timpul încărcării sau descărcării. Cu contorul de coulomb de încărcare și contorul de coulomb de descărcare, se poate calcula capacitatea rămasă (RM) și capacitatea completă de încărcare (FCC). În același timp, capacitatea rămasă (RM) și capacitatea de încărcare completă (FCC) pot fi utilizate și pentru a calcula starea de încărcare, adică (SOC = RM / FCC). În plus, poate estima și timpul rămas, cum ar fi epuizarea puterii (TTE) și puterea maximă (TTF).

Figura 8. Formula de calcul a metodei de măsurare Coulomb

Există doi factori principali care cauzează abateri în acuratețea metodei de măsurare Coulomb. Prima este acumularea de erori de compensare în detectarea curentului și măsurarea ADC. Deși eroarea de măsurare cu tehnologia actuală este încă mică, dacă nu există o modalitate bună de a o elimina, eroarea va crește cu timpul. Figura de mai jos arată că în aplicațiile practice, dacă nu există o corecție în durata de timp, eroarea acumulată este nelimitată.

Figura 9. Eroarea cumulativă a metodei de măsurare Coulomb

Pentru a elimina eroarea acumulată, există trei momente posibile de utilizare în funcționarea normală a bateriei: sfârșitul încărcării (EOC), sfârșitul descărcării (EOD) și odihnă (Relax). Când este atinsă condiția de sfârșit de încărcare, înseamnă că bateria este complet încărcată și starea de încărcare (SOC) ar trebui să fie de 100%. Condiția finală de descărcare înseamnă că bateria a fost complet descărcată și starea de încărcare (SOC) ar trebui să fie 0%; poate fi o valoare absolută a tensiunii sau poate fi modificată cu sarcina. Când ajunge în starea de repaus, bateria nu este nici încărcată, nici descărcată și rămâne în această stare mult timp. Dacă utilizatorul dorește să folosească starea de repaus a bateriei pentru a corecta eroarea metodei de măsurare a coulombului, în acest moment trebuie utilizat un voltmetru cu circuit deschis. Figura de mai jos arată că starea de eroare de încărcare poate fi corectată în starea de mai sus.

Figura 10. Condiții pentru eliminarea erorii cumulate a metodei de măsurare Coulomb

Al doilea factor major care provoacă abaterea acurateței metodei de măsurare a coulombului este eroarea capacității de încărcare completă (FCC), care este diferența dintre valoarea capacității de proiectare a bateriei și capacitatea reală de încărcare completă a bateriei. Capacitatea de încărcare completă (FCC) va fi afectată de temperatură, îmbătrânire, încărcare și alți factori. Prin urmare, metoda de reînvățare și compensare a capacității de încărcare completă este foarte importantă pentru metoda de măsurare a coulombului. Următoarea figură arată fenomenul de tendință al stării de eroare de încărcare atunci când capacitatea completă de încărcare este supraestimată și subestimată.

Figura 11. Tendința de eroare atunci când capacitatea de încărcare completă este supraestimată și subestimată

2.4 Indicatorul de combustibil al algoritmului de tensiune dinamică

Indicatorul de combustibil al algoritmului de tensiune dinamică poate calcula starea de încărcare a bateriei cu litiu doar pe baza tensiunii bateriei. Această metodă este de a estima creșterea sau scăderea stării de încărcare pe baza diferenței dintre tensiunea bateriei și tensiunea în circuit deschis a bateriei. Informațiile de tensiune dinamică pot simula în mod eficient comportamentul bateriei cu litiu pentru a determina starea de încărcare SOC (%), dar această metodă nu poate estima valoarea capacității bateriei (mAh).

Metoda sa de calcul se bazează pe diferența dinamică dintre tensiunea bateriei și tensiunea în circuit deschis, prin utilizarea unui algoritm iterativ pentru a calcula fiecare creștere sau scădere a stării de încărcare pentru a estima starea de încărcare. În comparație cu soluția manometrului de măsurare a combustibilului cu coulomb, indicatorul de combustibil al algoritmului de tensiune dinamică nu va acumula erori în timp și curent. Manometrele de măsurare a combustibilului Coulomb cauzează de obicei estimarea inexactă a stării de încărcare din cauza erorilor de detectare a curentului și a autodescărcării bateriei. Chiar dacă eroarea de detectare a curentului este foarte mică, contorul de coulomb va continua să acumuleze eroarea, iar eroarea acumulată poate fi eliminată numai atunci când este complet încărcat sau complet descărcat.

Indicatorul de combustibil al algoritmului de tensiune dinamică estimează starea de încărcare a bateriei numai prin informații despre tensiune; deoarece nu este estimat de informatiile curente ale bateriei, nu acumuleaza erori. Pentru a îmbunătăți acuratețea stării de încărcare, algoritmul de tensiune dinamică trebuie să utilizeze un dispozitiv real și să ajusteze parametrii unui algoritm optimizat în funcție de curba reală a tensiunii bateriei atunci când este complet încărcată și complet descărcată.

Figura 12. Performanța algoritmului de tensiune dinamică al manometrului și optimizarea câștigului

Următoarea este performanța algoritmului de tensiune dinamică în diferite condiții de viteză de descărcare. Din figură se poate observa că starea sa de încărcare are o precizie bună. Indiferent de condițiile de descărcare ale C/2, C/4, C/7 și C/10, eroarea generală a stării de încărcare a acestei metode este mai mică de 3%.

Figura 13. Performanța stării de încărcare a algoritmului de tensiune dinamică în diferite condiții de viteză de descărcare

Figura de mai jos arată performanța stării de încărcare atunci când bateria este încărcată scurt și descărcată scurt. Eroarea de stare de încărcare este încă foarte mică, iar eroarea maximă este de numai 3%.

Figura 14. Performanța stării de încărcare a algoritmului de tensiune dinamică atunci când bateria este încărcată scurt și descărcată scurt

În comparație cu situația în care indicatorul de măsurare a combustibilului Coulomb cauzează de obicei o stare de încărcare inexactă din cauza erorilor de detectare a curentului și a autodescărcării bateriei, algoritmul de tensiune dinamică nu acumulează erori în timp și curent, ceea ce reprezintă un mare avantaj. Deoarece nu există informații despre curentul de încărcare/descărcare, algoritmul de tensiune dinamică are o acuratețe slabă pe termen scurt și un timp de răspuns lent. În plus, nu poate estima capacitatea completă de încărcare. Cu toate acestea, funcționează bine în ceea ce privește acuratețea pe termen lung, deoarece tensiunea bateriei va reflecta în cele din urmă în mod direct starea sa de încărcare.