1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Состояние заряда (SOC)

Состояние заряда можно определить как состояние доступной электрической энергии в батарее, обычно выражаемое в процентах. Поскольку доступная электрическая энергия изменяется в зависимости от тока заряда и разряда, температуры и явлений старения, определение состояния заряда также делится на два типа: абсолютное состояние заряда (ASOC) и относительное состояние заряда (относительное состояние -Of-Charge; ASOC) Состояние заряда; RSOC). Обычно относительный диапазон состояния заряда составляет 0% -100%, в то время как батарея составляет 100% при полной зарядке и 0% при полной разрядке. Абсолютный уровень заряда – это эталонное значение, рассчитанное в соответствии с расчетным значением фиксированной емкости при изготовлении батареи. Абсолютный уровень заряда нового полностью заряженного аккумулятора составляет 100%; и даже если стареющий аккумулятор полностью заряжен, он не может достичь 100% при различных условиях зарядки и разрядки.

На приведенном ниже рисунке показано соотношение между напряжением и емкостью батареи при разных скоростях разряда. Чем выше скорость разряда, тем меньше емкость аккумулятора. При низкой температуре уменьшается и емкость аккумулятора.

Рисунок 1.

Взаимосвязь между напряжением и емкостью при разных скоростях разряда и температуре

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 Полностью заряжен

Когда разница между напряжением аккумулятора и самым высоким зарядным напряжением составляет менее 100 мВ, а зарядный ток падает до C / 10, аккумулятор можно считать полностью заряженным. Характеристики аккумулятора разные, и условия полной зарядки тоже разные.

На рисунке ниже показана типичная кривая зарядки литиевой батареи. Когда напряжение аккумулятора равно максимальному зарядному напряжению, а зарядный ток падает до C / 10, аккумулятор считается полностью заряженным.

Рис. 2. График характеристики зарядки литиевой батареи.

1.4 Мини-разрядное напряжение

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 Полная разрядка

Когда напряжение аккумулятора меньше или равно минимальному напряжению разряда, это можно назвать полным разрядом.

1.6 Скорость заряда и разряда (C-Rate)

Скорость заряда-разряда – это выражение тока заряда-разряда относительно емкости аккумулятора. Например, если использовать 1С для разряда в течение одного часа, в идеале батарея будет полностью разряжена. Различная скорость заряда и разряда приведет к разной полезной емкости. Как правило, чем выше скорость заряда-разряда, тем меньше доступная емкость.

1.7 Цикл жизни

Количество циклов – это количество раз, когда батарея подвергалась полной зарядке и разрядке, которое можно оценить по фактической разрядной емкости и расчетной емкости. Когда накопленная разрядная емкость равна проектной емкости, количество циклов равно одному. Обычно после 500 циклов заряда-разряда емкость полностью заряженного аккумулятора падает на 10% ~ 20%.

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

1.8 Саморазряд

Саморазряд всех батарей увеличивается при повышении температуры. Саморазряд – это в основном не производственный брак, а характеристики самого аккумулятора. Однако неправильное обращение в производственном процессе также может вызвать увеличение саморазряда. Как правило, скорость саморазряда удваивается на каждые 10 ° C повышения температуры батареи. Ежемесячный саморазряд литий-ионных аккумуляторов составляет около 1-2%, в то время как ежемесячный саморазряд различных никелевых аккумуляторов составляет 10-15%.

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

2. Знакомство с указателем уровня заряда аккумулятора

2.1 Введение в функцию указателя уровня топлива

Battery management can be regarded as part of power management. In battery management, the fuel gauge is responsible for estimating battery capacity. Its basic function is to monitor the voltage, charge/discharge current and battery temperature, and estimate the battery state of charge (SOC) and the battery’s full charge capacity (FCC). There are two typical methods for estimating the state of charge of a battery: the open circuit voltage method (OCV) and the coulometric method. Another method is the dynamic voltage algorithm designed by RICHTEK.

2.2 Метод напряжения холостого хода

Счетчик электроэнергии, использующий метод измерения напряжения холостого хода, легче реализовать, и его можно получить, просмотрев таблицу, соответствующую состоянию заряда напряжения холостого хода. Гипотетическим условием напряжения холостого хода является напряжение на клеммах аккумулятора, когда аккумулятор находится в состоянии покоя около 30 минут.

При разной нагрузке, температуре и старении батареи кривая напряжения батареи будет другой. Следовательно, фиксированный вольтметр холостого хода не может полностью отображать состояние заряда; состояние заряда нельзя оценить, взглянув только на таблицу. Другими словами, если уровень заряда оценивается только по таблице, ошибка будет очень большой.

На следующем рисунке показано, что напряжение заряда и разряда аккумулятора одинаковое, а состояние заряда, определенное методом напряжения холостого хода, сильно отличается.

Рисунок 5. Напряжение аккумулятора при зарядке и разрядке.

На рисунке ниже показано, что состояние заряда сильно различается при разных нагрузках во время разряда. Таким образом, метод измерения напряжения холостого хода подходит только для систем с низкими требованиями к точности состояния заряда, таких как использование свинцово-кислотных аккумуляторов или источников бесперебойного питания в автомобилях.

Рисунок 6. Напряжение аккумулятора при различных нагрузках во время разряда.

2.3 Кулоновский метод измерения

Принцип действия метода кулоновского измерения заключается в подключении резистора обнаружения на пути заряда / разряда батареи. АЦП измеряет напряжение на резисторе обнаружения и преобразует его в текущее значение заряжаемой или разряженной батареи. Счетчик реального времени (RTC) обеспечивает интеграцию текущего значения со временем, чтобы узнать, сколько кулонов проходит через него.

Рисунок 7. Основной рабочий метод кулоновского метода измерения.

Метод кулоновского измерения позволяет точно рассчитать состояние заряда в реальном времени во время зарядки или разрядки. С помощью счетчика кулонов заряда и счетчика кулонов разряда он может рассчитать оставшуюся емкость (RM) и полную емкость заряда (FCC). В то же время оставшаяся емкость (RM) и полная емкость заряда (FCC) также могут использоваться для расчета состояния зарядки, то есть (SOC = RM / FCC). Кроме того, он также может оценить оставшееся время, например, истощение мощности (TTE) и полную мощность (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Есть два основных фактора, которые вызывают отклонения в точности кулоновского метода измерения. Первый – это накопление ошибок смещения при измерении тока и измерении АЦП. Несмотря на то, что ошибка измерения с использованием современной технологии все еще мала, если нет хорошего способа ее устранить, ошибка будет увеличиваться со временем. На рисунке ниже показано, что в практических приложениях, если нет коррекции продолжительности времени, накопленная ошибка не ограничена.

Рисунок 9. Суммарная погрешность кулоновского метода измерения.

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.

Рисунок 10. Условия исключения накопленной ошибки кулоновского метода измерения.

Вторым основным фактором, вызывающим отклонение точности метода измерения кулонов, является ошибка полной зарядной емкости (FCC), которая представляет собой разницу между значением проектной емкости батареи и истинной полной зарядной емкостью батареи. На полную емкость заряда (FCC) будут влиять температура, старение, нагрузка и другие факторы. Следовательно, метод повторного обучения и компенсации полной зарядовой емкости очень важен для метода кулоновских измерений. На следующем рисунке показан феномен тенденции ошибки состояния заряда, когда полная емкость заряда переоценена или недооценена.

Рисунок 11. Тенденция ошибок при завышении и занижении полной зарядной емкости.

2.4 Алгоритм динамического напряжения топливомера

Датчик уровня топлива с алгоритмом динамического напряжения может рассчитать состояние заряда литиевой батареи только на основе напряжения батареи. Этот метод предназначен для оценки увеличения или уменьшения уровня заряда на основе разницы между напряжением батареи и напряжением холостого хода батареи. Информация о динамическом напряжении может эффективно моделировать поведение литиевой батареи для определения состояния заряда SOC (%), но этот метод не может оценить значение емкости батареи (мАч).

Его метод расчета основан на динамической разнице между напряжением батареи и напряжением холостого хода с использованием итеративного алгоритма для расчета каждого увеличения или уменьшения состояния заряда для оценки состояния заряда. По сравнению с решением с использованием кулоновского измерителя уровня топлива, измеритель уровня топлива с алгоритмом динамического напряжения не будет накапливать ошибки с течением времени и по току. Кулоновские датчики уровня топлива обычно вызывают неточную оценку состояния заряда из-за ошибок измерения тока и саморазряда батареи. Даже если текущая ошибка считывания очень мала, счетчик кулонов будет продолжать накапливать ошибку, и накопленная ошибка может быть устранена только тогда, когда он полностью заряжен или полностью разряжен.

Датчик уровня топлива с алгоритмом динамического напряжения оценивает состояние заряда аккумулятора только по информации о напряжении; поскольку он не оценивается по текущей информации о батарее, он не накапливает ошибок. Чтобы повысить точность состояния заряда, алгоритм динамического напряжения должен использовать реальное устройство и настраивать параметры оптимизированного алгоритма в соответствии с фактической кривой напряжения батареи, когда она полностью заряжена и полностью разряжена.

Рисунок 12. Производительность алгоритма динамического измерения напряжения и оптимизация коэффициента усиления.

Ниже приведены характеристики алгоритма динамического напряжения при различных условиях скорости разряда. Из рисунка видно, что его состояние заряда имеет хорошую точность. Независимо от условий разряда C / 2, C / 4, C / 7 и C / 10, общая погрешность заряда этого метода составляет менее 3%.

Рисунок 13. Показатели состояния заряда алгоритма динамического напряжения при различных условиях скорости разряда.

На рисунке ниже показаны характеристики состояния заряда при коротком заряде и коротком разряде аккумулятора. Ошибка состояния заряда по-прежнему очень мала, а максимальная ошибка составляет всего 3%.

Рисунок 14. Показатели состояния заряда алгоритма динамического напряжения при коротком заряде и коротком разряде аккумулятора.

По сравнению с ситуацией, когда кулоновский измеритель уровня топлива обычно вызывает неточное состояние заряда из-за ошибок измерения тока и саморазряда батареи, алгоритм динамического напряжения не накапливает ошибки по времени и току, что является большим преимуществом. Поскольку информация о токе заряда / разряда отсутствует, алгоритм динамического напряжения имеет низкую кратковременную точность и медленное время отклика. Кроме того, он не может оценить полную емкость заряда. Тем не менее, он хорошо работает с точки зрения долговременной точности, потому что напряжение аккумулятора в конечном итоге будет напрямую отражать его состояние заряда.