1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Stanje polnjenja (SOC)

Stanje napolnjenosti lahko definiramo kot stanje razpoložljive električne energije v bateriji, običajno izraženo v odstotkih. Ker se razpoložljiva električna energija spreminja glede na tok polnjenja in praznjenja, temperaturo in pojav staranja, je tudi definicija napolnjenosti razdeljena na dve vrsti: absolutno stanje napolnjenosti (ASOC) in relativno stanje napolnjenosti (relativno stanje). ASOC) Stanje polnjenja; RSOC). Običajno je relativno stanje napolnjenosti 0% -100%, medtem ko je baterija 100%, ko je popolnoma napolnjena, in 0%, ko je popolnoma izpraznjena. Absolutno stanje napolnjenosti je referenčna vrednost, izračunana glede na načrtovano vrednost fiksne zmogljivosti, ko je baterija izdelana. Absolutno stanje popolnoma nove popolnoma napolnjene baterije je 100 %; in tudi če je stara baterija popolnoma napolnjena, ne more doseči 100 % pod različnimi pogoji polnjenja in praznjenja.

Spodnja slika prikazuje razmerje med napetostjo in zmogljivostjo baterije pri različnih stopnjah praznjenja. Višja kot je stopnja praznjenja, manjša je zmogljivost baterije. Ko je temperatura nizka, se zmanjša tudi zmogljivost baterije.

Slika 1.

Razmerje med napetostjo in zmogljivostjo pri različnih hitrostih praznjenja in temperaturah

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 Popolnoma napolnjen

Ko je razlika med napetostjo baterije in najvišjo polnilno napetostjo manjša od 100 mV in polnilni tok pade na C/10, se lahko baterija šteje za popolnoma napolnjeno. Različne so lastnosti baterije, različni so tudi pogoji polne napolnjenosti.

Spodnja slika prikazuje tipično krivuljo polnjenja litijeve baterije. Ko je napetost baterije enaka najvišji polnilni napetosti in polnilni tok pade na C/10, se šteje, da je baterija popolnoma napolnjena.

Slika 2. Karakteristična krivulja polnjenja litijeve baterije

1.4 Mini praznjenje napetosti

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 Popolna izpraznitev

Ko je napetost akumulatorja manjša ali enaka minimalni napetosti praznjenja, se lahko imenuje popolna praznjenje.

1.6 Stopnja polnjenja in praznjenja (C-Rate)

The charge-discharge rate is an expression of the charge-discharge current relative to the battery capacity. For example, if 1C is used to discharge for one hour, ideally, the battery will be completely discharged. Different charge and discharge rates will result in different usable capacity. Generally, the greater the charge-discharge rate, the smaller the available capacity.

1.7 Življenjska doba cikla

Število ciklov je, kolikokrat se je baterija popolnoma polnila in praznila, kar je mogoče oceniti iz dejanske zmogljivosti praznjenja in projektne zmogljivosti. Kadar je akumulirana zmogljivost praznjenja enaka projektni zmogljivosti, je število ciklov enkrat. Običajno po 500 ciklih polnjenja in praznjenja zmogljivost popolnoma napolnjene baterije pade za 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Samopraznjenje

Samopraznjenje vseh baterij se poveča z dvigom temperature. Samopraznjenje v bistvu ni proizvodna napaka, temveč lastnosti same baterije. Vendar pa lahko nepravilno ravnanje v proizvodnem procesu povzroči tudi povečanje samopraznjenja. Na splošno se hitrost samopraznjenja podvoji za vsakih 10 °C zvišanja temperature baterije. Mesečno samopraznjenje litij-ionskih baterij je približno 1~2%, medtem ko je mesečno samopraznjenje različnih baterij na osnovi niklja 10-15%.

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

2. Uvod v merilnik goriva v akumulatorju

2.1 Uvod v funkcijo merilnika goriva

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 Metoda napetosti odprtega tokokroga

Merilnik električne energije z metodo napetosti odprtega tokokroga je enostavnejši za izvedbo in ga lahko dobite tako, da poiščete tabelo, ki ustreza stanju napolnjenosti napetosti odprtega tokokroga. Hipotetični pogoj napetosti odprtega tokokroga je napetost priključka akumulatorja, ko baterija počiva približno 30 minut.

Pri različni obremenitvi, temperaturi in staranju baterije bo krivulja napetosti akumulatorja drugačna. Zato fiksni voltmeter odprtega tokokroga ne more v celoti prikazati stanja napolnjenosti; stanja napolnjenosti ni mogoče oceniti samo s pregledovanjem tabele. Z drugimi besedami, če se stanje napolnjenosti oceni samo z iskanjem po tabeli, bo napaka zelo velika.

Naslednja slika prikazuje, da je enaka napetost akumulatorja pod polnjenjem in praznjenjem, stanje napolnjenosti, ugotovljeno z metodo napetosti odprtega tokokroga, pa je zelo različno.

Slika 5. Napetost akumulatorja med polnjenjem in praznjenjem

Na spodnji sliki je razvidno, da se stanje napolnjenosti pri različnih obremenitvah med praznjenjem močno razlikuje. V osnovi je metoda napetosti odprtega tokokroga primerna samo za sisteme z nizkimi zahtevami glede natančnosti stanja napolnjenosti, kot je uporaba svinčenih baterij ali neprekinjenega napajanja v avtomobilih.

Slika 6. Napetost baterije pri različnih obremenitvah med praznjenjem

2.3 Kulonova merilna metoda

Načelo delovanja kulonove merilne metode je priključitev detekcijskega upora na pot polnjenja/praznjenja baterije. ADC meri napetost na detekcijskem uporu in jo pretvori v trenutno vrednost baterije, ki se polni ali prazni. Števec v realnem času (RTC) zagotavlja integracijo trenutne vrednosti s časom, da se ve, koliko kulonov teče.

Slika 7. Osnovna delovna metoda Coulombove merilne metode

Coulombova merilna metoda lahko natančno izračuna stanje napolnjenosti v realnem času med polnjenjem ali praznjenjem. S števcem kulonov polnjenja in kulonskim števcem praznjenja lahko izračuna preostalo kapaciteto (RM) in polno zmogljivost polnjenja (FCC). Hkrati se lahko preostala zmogljivost (RM) in polna zmogljivost polnjenja (FCC) uporabita tudi za izračun stanja napolnjenosti, to je (SOC = RM / FCC). Poleg tega lahko oceni tudi preostali čas, kot sta izčrpanost moči (TTE) in polna moč (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Obstajata dva glavna dejavnika, ki povzročata odstopanja v natančnosti Coulombove merilne metode. Prvi je kopičenje napak odmika pri zaznavanju toka in merjenju ADC. Čeprav je merilna napaka s trenutno tehnologijo še vedno majhna, se bo napaka sčasoma povečala, če ni dobrega načina za odpravo. Spodnja slika prikazuje, da je v praktičnih aplikacijah, če ni popravka v časovnem trajanju, akumulirana napaka neomejena.

Slika 9. Kumulativna napaka Coulombove merilne metode

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.

Slika 10. Pogoji za odpravo kumulativne napake Coulombove merske metode

Drugi glavni dejavnik, ki povzroča odstopanje točnosti kulonove merilne metode, je napaka polne zmogljivosti polnjenja (FCC), ki je razlika med vrednostjo projektne zmogljivosti baterije in resnično polno zmogljivostjo baterije. Na polno zmogljivost polnjenja (FCC) bodo vplivale temperatura, staranje, obremenitev in drugi dejavniki. Zato je metoda ponovnega učenja in kompenzacije polne zmogljivosti polnjenja zelo pomembna za kulonsko merilno metodo. Naslednja slika prikazuje trendni pojav napake stanja napolnjenosti, ko je polna zmogljivost polnjenja precenjena in podcenjena.

Slika 11. Trend napake, ko je polna zmogljivost polnjenja precenjena in podcenjena

2.4 Merilnik goriva z algoritmom dinamične napetosti

Merilnik goriva z algoritmom dinamične napetosti lahko izračuna stanje napolnjenosti litijeve baterije samo na podlagi napetosti baterije. Ta metoda je ocena povečanja ali zmanjšanja stanja napolnjenosti na podlagi razlike med napetostjo baterije in napetostjo odprtega tokokroga baterije. Podatki o dinamični napetosti lahko učinkovito simulirajo obnašanje litijeve baterije za določitev stanja napolnjenosti SOC (%), vendar ta metoda ne more oceniti vrednosti zmogljivosti baterije (mAh).

Njegova metoda izračuna temelji na dinamični razliki med napetostjo baterije in napetostjo odprtega tokokroga z uporabo iterativnega algoritma za izračun vsakega povečanja ali zmanjšanja stanja napolnjenosti za oceno stanja napolnjenosti. V primerjavi z rešitvijo kulonskega merilnika goriva merilnik goriva z dinamičnim napetostnim algoritmom ne bo kopičil napak skozi čas in tok. Kulonski merilniki goriva običajno povzročijo netočno oceno stanja napolnjenosti zaradi napak pri zaznavanju toka in samopraznjenja baterije. Tudi če je napaka zaznavanja toka zelo majhna, bo kulonski števec še naprej kopičil napako, nakopičeno napako pa je mogoče odpraviti šele, ko je popolnoma napolnjen ali popolnoma izpraznjen.

Merilnik goriva z algoritmom dinamične napetosti ocenjuje stanje napolnjenosti baterije samo na podlagi informacij o napetosti; ker ni ocenjena s trenutnimi informacijami baterije, ne kopiči napak. Da bi izboljšali natančnost stanja napolnjenosti, mora algoritem dinamične napetosti uporabiti dejansko napravo in prilagoditi parametre optimiziranega algoritma glede na dejansko krivuljo napetosti baterije, ko je popolnoma napolnjena in popolnoma izpraznjena.

Slika 12. Učinkovitost algoritma dinamične napetosti merilnik goriva in optimizacija ojačenja

Sledi delovanje algoritma dinamične napetosti pri različnih pogojih hitrosti praznjenja. Iz slike je razvidno, da ima njegovo stanje napolnjenosti dobro natančnost. Ne glede na pogoje praznjenja C/2, C/4, C/7 in C/10 je skupna napaka stanja polnjenja te metode manjša od 3 %.

Slika 13. Učinkovitost stanja napolnjenosti algoritma dinamične napetosti pri različnih pogojih stopnje praznjenja

Spodnja slika prikazuje delovanje stanja napolnjenosti, ko je baterija kratko napolnjena in kratko izpraznjena. Napaka stanja napolnjenosti je še vedno zelo majhna, največja napaka pa je le 3%.

Slika 14. Učinkovitost stanja napolnjenosti dinamičnega napetostnega algoritma, ko je baterija kratko napolnjena in kratko izpraznjena

V primerjavi s situacijo, ko Coulomb merilnik goriva običajno povzroči netočno stanje napolnjenosti zaradi napak zaznavanja toka in samopraznjenja baterije, algoritem dinamične napetosti ne kopiči napak skozi čas in tok, kar je velika prednost. Ker ni podatkov o toku polnjenja/praznjenja, ima algoritem dinamične napetosti slabo kratkoročno natančnost in počasen odzivni čas. Poleg tega ne more oceniti celotne zmogljivosti polnjenja. Vendar pa se dobro obnese v smislu dolgoročne natančnosti, saj bo napetost baterije sčasoma neposredno odražala njeno stanje napolnjenosti.