1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Stav nabitia (SOC)

Stav nabitia možno definovať ako stav dostupnej elektrickej energie v batérii, zvyčajne vyjadrený v percentách. Pretože dostupná elektrická energia sa mení s nabíjacím a vybíjacím prúdom, teplotou a javmi starnutia, definícia stavu nabitia je tiež rozdelená na dva typy: absolútny stav nabitia (ASOC) a relatívny stav nabitia (relatívny stav -Of-Charge; ASOC) Stav nabitia; RSOC). Normálne je relatívny rozsah nabitia 0%-100%, zatiaľ čo batéria je 100% pri plnom nabití a 0% pri úplnom vybití. Absolútny stav nabitia je referenčná hodnota vypočítaná podľa projektovanej hodnoty pevnej kapacity pri výrobe batérie. Absolútny stav nabitia úplne novej úplne nabitej batérie je 100 %; a aj keď je starnúca batéria úplne nabitá, pri rôznych podmienkach nabíjania a vybíjania nemôže dosiahnuť 100 %.

Obrázok nižšie ukazuje vzťah medzi napätím a kapacitou batérie pri rôznych rýchlostiach vybíjania. Čím vyššia je rýchlosť vybíjania, tým nižšia je kapacita batérie. Pri nízkej teplote sa zníži aj kapacita batérie.

Obrázok 1.

Vzťah medzi napätím a kapacitou pri rôznych rýchlostiach vybíjania a teplotách

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 Plne nabité

Ak je rozdiel medzi napätím batérie a najvyšším nabíjacím napätím menší ako 100 mV a nabíjací prúd klesne na C/10, batériu možno považovať za plne nabitú. Charakteristiky batérie sú odlišné a podmienky plného nabitia sú tiež odlišné.

Obrázok nižšie zobrazuje typickú charakteristiku nabíjania lítiovej batérie. Keď sa napätie batérie rovná najvyššiemu nabíjaciemu napätiu a nabíjací prúd klesne na C/10, batéria sa považuje za plne nabitú.

Obrázok 2. Charakteristická krivka nabíjania lítiovej batérie

1.4 Mini vybíjacie napätie

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 Úplné vybitie

Keď je napätie batérie menšie alebo rovné minimálnemu vybíjaciemu napätiu, možno to nazvať úplným vybitím.

1.6 Rýchlosť nabíjania a vybíjania (C-Rate)

Rýchlosť nabíjania a vybíjania je vyjadrením prúdu nabíjania a vybíjania vzhľadom na kapacitu batérie. Ak sa napríklad 1C použije na vybitie počas jednej hodiny, v ideálnom prípade sa batéria úplne vybije. Rôzne rýchlosti nabíjania a vybíjania budú mať za následok rôznu využiteľnú kapacitu. Vo všeobecnosti platí, že čím vyššia je rýchlosť nabíjania a vybíjania, tým menšia je dostupná kapacita.

1.7 Životnosť cyklu

Počet cyklov je počet, koľkokrát bola batéria úplne nabitá a vybitá, čo možno odhadnúť zo skutočnej kapacity vybitia a projektovanej kapacity. Kedykoľvek sa akumulovaná kapacita vybíjania rovná projektovanej kapacite, počet cyklov je jeden. Zvyčajne po 500 cykloch nabíjania a vybíjania klesne kapacita plne nabitej batérie o 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Samovybíjanie

Samovybíjanie všetkých batérií sa zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Samovybíjanie v podstate nie je výrobnou chybou, ale charakteristikou samotnej batérie. Nesprávna manipulácia vo výrobnom procese však môže spôsobiť aj zvýšenie samovybíjania. Vo všeobecnosti sa rýchlosť samovybíjania zdvojnásobí pri každom zvýšení teploty batérie o 10 °C. Mesačné samovybíjanie lítium-iónových batérií je približne 1 ~ 2%, zatiaľ čo mesačné samovybíjanie rôznych batérií na báze niklu je 10-15%.

Obrázok 4. Výkon rýchlosti samovybíjania lítiových batérií pri rôznych teplotách

2. Úvod do ukazovateľa stavu batérie

2.1 Úvod do funkcie palivomera

Správa batérie môže byť považovaná za súčasť správy napájania. V správe batérie je palivomer zodpovedný za odhad kapacity batérie. Jeho základnou funkciou je sledovanie napätia, nabíjacieho/vybíjacieho prúdu a teploty batérie a odhad stavu nabitia batérie (SOC) a jej plnej kapacity nabitia (FCC). Existujú dva typické spôsoby odhadu stavu nabitia batérie: metóda napätia naprázdno (OCV) a coulometrická metóda. Ďalšou metódou je dynamický napäťový algoritmus navrhnutý RICHTEKOM.

2.2 Metóda napätia naprázdno

Elektromer využívajúci metódu napätia naprázdno je jednoduchší na implementáciu a možno ho získať vyhľadaním tabuľky zodpovedajúcej stavu nabitia napätia naprázdno. Hypotetická podmienka napätia naprázdno je napätie na svorkách batérie, keď je batéria v kľude asi 30 minút.

Pri rôznej záťaži, teplote a starnutí batérie sa krivka napätia batérie bude líšiť. Preto pevný voltmeter s otvoreným obvodom nemôže plne reprezentovať stav nabitia; stav nabitia sa nedá odhadnúť iba pohľadom do tabuľky. Inými slovami, ak sa stav nabitia odhadne iba pohľadom do tabuľky, chyba bude veľmi veľká.

Nasledujúci obrázok ukazuje, že rovnaké napätie batérie sa nabíja a vybíja a stav nabitia zistený metódou napätia naprázdno je veľmi odlišný.

Obrázok 5. Napätie batérie počas nabíjania a vybíjania

Obrázok nižšie ukazuje, že stav nabitia sa pri rôznych zaťaženiach počas vybíjania značne líši. Metóda napätia naprázdno je teda v zásade vhodná len pre systémy s nízkymi požiadavkami na presnosť stavu nabitia, ako je použitie olovených batérií alebo neprerušiteľných zdrojov energie v automobiloch.

Obrázok 6. Napätie batérie pri rôznom zaťažení počas vybíjania

2.3 Coulombova metóda merania

Princíp činnosti coulombovej metódy merania spočíva v pripojení detekčného odporu na dráhu nabíjania/vybíjania batérie. ADC meria napätie na detekčnom rezistore a prevádza ho na aktuálnu hodnotu nabíjanej alebo vybíjanej batérie. Počítadlo v reálnom čase (RTC) poskytuje integráciu aktuálnej hodnoty s časom, aby bolo možné vedieť, koľko coulombov pretečie.

Obrázok 7. Základná pracovná metóda Coulombovej metódy merania

Metóda merania Coulomb dokáže presne vypočítať stav nabitia v reálnom čase počas nabíjania alebo vybíjania. Pomocou počítadla coulombov nabitia a počítadla coulombov vybitia dokáže vypočítať zostávajúcu kapacitu (RM) a kapacitu plného nabitia (FCC). Súčasne je možné na výpočet stavu nabitia použiť aj zostávajúcu kapacitu (RM) a kapacitu plného nabitia (FCC), to znamená (SOC = RM / FCC). Okrem toho dokáže odhadnúť aj zostávajúci čas, ako je vyčerpanie energie (TTE) a plný výkon (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Existujú dva hlavné faktory, ktoré spôsobujú odchýlky v presnosti Coulombovej metódy merania. Prvým je hromadenie chýb offsetu pri snímaní prúdu a meraní ADC. Aj keď je chyba merania pri súčasnej technológii stále malá, ak neexistuje dobrý spôsob, ako ju odstrániť, chyba sa bude časom zvyšovať. Obrázok nižšie ukazuje, že v praktických aplikáciách, ak nedôjde ku korekcii doby trvania, akumulovaná chyba je neobmedzená.

Obrázok 9. Kumulatívna chyba Coulombovej metódy merania

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.

Obrázok 10. Podmienky na odstránenie kumulatívnej chyby Coulombovej metódy merania

Druhým hlavným faktorom, ktorý spôsobuje odchýlku presnosti coulombovej metódy merania, je chyba kapacity plného nabitia (FCC), čo je rozdiel medzi hodnotou konštrukčnej kapacity batérie a skutočnej kapacity plného nabitia batérie. Kapacita plného nabitia (FCC) bude ovplyvnená teplotou, starnutím, zaťažením a ďalšími faktormi. Preto je pre coulombovu metódu merania veľmi dôležitá metóda preučenia a kompenzácie kapacity plného nabitia. Nasledujúci obrázok ukazuje trendový jav stavu chyby nabitia, keď je kapacita plného nabitia nadhodnotená a podhodnotená.

Obrázok 11. Chybový trend, keď je kapacita plného nabitia nadhodnotená a podhodnotená

2.4 Palivomer s dynamickým napäťovým algoritmom

Palivomer s dynamickým napäťovým algoritmom dokáže vypočítať stav nabitia lítiovej batérie iba na základe napätia batérie. Táto metóda je odhadnúť zvýšenie alebo zníženie stavu nabitia na základe rozdielu medzi napätím batérie a napätím batérie naprázdno. Informácie o dynamickom napätí môžu efektívne simulovať správanie lítiovej batérie na určenie stavu nabitia SOC (%), ale táto metóda nedokáže odhadnúť hodnotu kapacity batérie (mAh).

Jeho metóda výpočtu je založená na dynamickom rozdiele medzi napätím batérie a napätím naprázdno, pričom sa používa iteračný algoritmus na výpočet každého zvýšenia alebo zníženia stavu nabitia na odhad stavu nabitia. V porovnaní s riešením coulombovho meracieho palivomera nebude palivomer s dynamickým napäťovým algoritmom akumulovať chyby v priebehu času a prúdu. Palivomery Coulomb zvyčajne spôsobujú nepresný odhad stavu nabitia v dôsledku chýb snímania prúdu a samovybíjania batérie. Aj keď je aktuálna chyba snímania veľmi malá, coulombovské počítadlo bude naďalej akumulovať chybu a nahromadenú chybu možno odstrániť iba vtedy, keď je úplne nabité alebo úplne vybité.

Dynamický napäťový algoritmus palivomer odhaduje stav nabitia batérie iba na základe informácií o napätí; pretože nie je odhadovaný podľa aktuálnych informácií o batérii, nehromadí chyby. Aby sa zlepšila presnosť stavu nabitia, algoritmus dynamického napätia potrebuje použiť skutočné zariadenie a upraviť parametre optimalizovaného algoritmu podľa skutočnej krivky napätia batérie, keď je plne nabitá a úplne vybitá.

Obrázok 12. Výkon dynamického napäťového algoritmu palivomera a optimalizácia zisku

Nasleduje výkon dynamického napäťového algoritmu pri rôznych podmienkach rýchlosti vybíjania. Z obrázku je vidieť, že jeho stav nabitia má dobrú presnosť. Bez ohľadu na podmienky vybíjania C/2, C/4, C/7 a C/10 je celková chyba stavu nabitia tejto metódy menšia ako 3 %.

Obrázok 13. Výkon stavu nabitia dynamického napäťového algoritmu pri rôznych podmienkach rýchlosti vybíjania

Obrázok nižšie zobrazuje stav nabitia, keď je batéria krátko nabitá a krátko vybitá. Chyba stavu nabitia je stále veľmi malá a maximálna chyba je iba 3 %.

Obrázok 14. Výkon stavu nabitia dynamického napäťového algoritmu, keď je batéria krátko nabitá a krátko vybitá

V porovnaní so situáciou, kedy Coulombov dávkovací palivomer zvyčajne spôsobuje nepresný stav nabitia v dôsledku chýb snímania prúdu a samovybíjania batérie, dynamický napäťový algoritmus nehromadí chyby v čase a prúde, čo je veľká výhoda. Pretože neexistujú žiadne informácie o nabíjacom/vybíjacom prúde, algoritmus dynamického napätia má slabú krátkodobú presnosť a pomalú dobu odozvy. Navyše nevie odhadnúť kapacitu plného nabitia. Z hľadiska dlhodobej presnosti si však vedie dobre, pretože napätie batérie bude nakoniec priamo odrážať jej stav nabitia.