1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Gjendja e ngarkuar (SOC)

Gjendja e ngarkimit mund të përkufizohet si gjendja e energjisë elektrike të disponueshme në bateri, zakonisht e shprehur në përqindje. Për shkak se energjia elektrike e disponueshme ndryshon me rrymën e ngarkesës dhe shkarkimit, temperaturën dhe fenomenet e plakjes, përkufizimi i gjendjes së ngarkesës ndahet gjithashtu në dy lloje: Gjendja Absolute e Ngarkesës (ASOC) dhe Gjendja Relative e Ngarkesës (Gjendja Relative -Of-Charge;ASOC) State Of-Charge; RSOC). Normalisht, diapazoni i gjendjes relative të karikimit është 0%-100%, ndërsa bateria është 100% kur është plotësisht e ngarkuar dhe 0% kur është plotësisht e shkarkuar. Gjendja absolute e karikimit është një vlerë referencë e llogaritur sipas vlerës së projektuar të kapacitetit fiks kur bateria prodhohet. Gjendja absolute e karikimit të një baterie krejt të re të ngarkuar plotësisht është 100%; dhe edhe nëse një bateri e vjetëruar është plotësisht e ngarkuar, ajo nuk mund të arrijë 100% në kushte të ndryshme karikimi dhe shkarkimi.

Figura më poshtë tregon marrëdhënien midis tensionit dhe kapacitetit të baterisë në shkallë të ndryshme shkarkimi. Sa më i lartë të jetë shkalla e shkarkimit, aq më i ulët është kapaciteti i baterisë. Kur temperatura është e ulët, kapaciteti i baterisë gjithashtu do të ulet.

Figura 1.

Marrëdhënia midis tensionit dhe kapacitetit në shkallë të ndryshme shkarkimi dhe temperatura

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 E ngarkuar plotësisht

Kur diferenca midis tensionit të baterisë dhe tensionit më të lartë të karikimit është më pak se 100 mV dhe rryma e karikimit bie në C/10, bateria mund të konsiderohet e ngarkuar plotësisht. Karakteristikat e baterisë janë të ndryshme, dhe kushtet e ngarkimit të plotë janë gjithashtu të ndryshme.

Figura më poshtë tregon një kurbë karakteristike të karikimit të baterisë litium. Kur voltazhi i baterisë është i barabartë me tensionin më të lartë të karikimit dhe rryma e karikimit bie në C/10, bateria konsiderohet e ngarkuar plotësisht.

Figura 2. Kurba karakteristike e karikimit të baterisë së litiumit

1.4 Mini tension shkarkimi

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 Shkarkimi i plotë

Kur voltazhi i baterisë është më i vogël ose i barabartë me tensionin minimal të shkarkimit, ai mund të quhet shkarkim i plotë.

1.6 Shkalla e ngarkimit dhe shkarkimit (C-Rate)

Shkalla e ngarkimit-shkarkimit është një shprehje e rrymës së ngarkimit-shkarkimit në lidhje me kapacitetin e baterisë. Për shembull, nëse 1C përdoret për të shkarkuar për një orë, në mënyrë ideale, bateria do të shkarkohet plotësisht. Normat e ndryshme të ngarkimit dhe shkarkimit do të rezultojnë në kapacitete të ndryshme të përdorshme. Në përgjithësi, sa më i madh të jetë shkalla e ngarkimit-shkarkimit, aq më i vogël është kapaciteti i disponueshëm.

1.7 Jetëgjatësia e ciklit

Numri i cikleve është numri i herëve që një bateri i është nënshtruar karikimit dhe shkarkimit të plotë, i cili mund të vlerësohet nga kapaciteti aktual i shkarkimit dhe kapaciteti i projektuar. Sa herë që kapaciteti i grumbulluar i shkarkimit është i barabartë me kapacitetin e projektuar, numri i cikleve është një herë. Zakonisht pas 500 cikleve ngarkim-shkarkim, kapaciteti i një baterie të ngarkuar plotësisht bie me 10% ~ 20%.

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

1.8 Vetë-Shkarkimi

Vetë-shkarkimi i të gjitha baterive rritet me rritjen e temperaturës. Vetë-shkarkimi në thelb nuk është një defekt prodhimi, por karakteristikat e vetë baterisë. Megjithatë, trajtimi jo i duhur në procesin e prodhimit mund të shkaktojë gjithashtu një rritje të vetëshkarkimit. Në përgjithësi, shkalla e vetë-shkarkimit dyfishohet për çdo 10°C rritje të temperaturës së baterisë. Vetë-shkarkimi mujor i baterive litium-jon është rreth 1~2%, ndërsa vetë-shkarkimi mujor i baterive të ndryshme me bazë nikel është 10-15%.

Figura 4. Ecuria e shkallës së vetëshkarkimit të baterive të litiumit në temperatura të ndryshme

2. Hyrje në matësin e karburantit të baterisë

2.1 Hyrje në funksionin e matësit të karburantit

Menaxhimi i baterisë mund të konsiderohet si pjesë e menaxhimit të energjisë. Në menaxhimin e baterisë, matësi i karburantit është përgjegjës për vlerësimin e kapacitetit të baterisë. Funksioni i tij themelor është të monitorojë tensionin, rrymën e karikimit/shkarkimit dhe temperaturën e baterisë, dhe të vlerësojë gjendjen e ngarkimit të baterisë (SOC) dhe kapacitetin e plotë të ngarkimit të baterisë (FCC). Ekzistojnë dy metoda tipike për të vlerësuar gjendjen e ngarkimit të një baterie: metoda e tensionit të qarkut të hapur (OCV) dhe metoda kuloometrike. Një metodë tjetër është algoritmi i tensionit dinamik i projektuar nga RICHTEK.

2.2 Metoda e tensionit të qarkut të hapur

Matësi i energjisë elektrike duke përdorur metodën e tensionit të qarkut të hapur është më i lehtë për t’u zbatuar dhe mund të merret duke kërkuar në tabelën që korrespondon me gjendjen e ngarkimit të tensionit të qarkut të hapur. Gjendja hipotetike e tensionit të qarkut të hapur është voltazhi i terminalit të baterisë kur bateria pushon për rreth 30 minuta.

Nën ngarkesë të ndryshme, temperaturë dhe vjetërim të baterisë, kurba e tensionit të baterisë do të jetë e ndryshme. Prandaj, një voltmetër fiks me qark të hapur nuk mund të përfaqësojë plotësisht gjendjen e ngarkimit; gjendja e tarifës nuk mund të vlerësohet vetëm duke parë tabelën. Me fjalë të tjera, nëse gjendja e ngarkesës vlerësohet vetëm duke kërkuar në tabelë, gabimi do të jetë shumë i madh.

Figura e mëposhtme tregon se i njëjti tension i baterisë është nën ngarkim dhe shkarkim, dhe gjendja e ngarkimit e gjetur me metodën e tensionit të qarkut të hapur është shumë e ndryshme.

Figura 5. Tensioni i baterisë nën karikim dhe shkarkim

Figura më poshtë tregon se gjendja e ngarkimit ndryshon shumë nën ngarkesa të ndryshme gjatë shkarkimit. Pra, në thelb, metoda e tensionit të qarkut të hapur është e përshtatshme vetëm për sistemet me kërkesa të ulëta për saktësinë e gjendjes së ngarkimit, siç është përdorimi i baterive me acid plumbi ose furnizimet me energji të pandërprerë në automobila.

Figura 6. Tensioni i baterisë nën ngarkesa të ndryshme gjatë shkarkimit

2.3 Metoda e matjes së Kulonit

Parimi i funksionimit të metodës së matjes së kulonit është të lidhni një rezistencë zbulimi në rrugën e karikimit/shkarkimit të baterisë. ADC mat tensionin në rezistencën e zbulimit dhe e konverton atë në vlerën aktuale të baterisë që ngarkohet ose shkarkohet. Numëruesi në kohë reale (RTC) siguron integrimin e vlerës aktuale me kohën, në mënyrë që të dihet se sa kulonë kalojnë nëpër të.

Figura 7. Metoda bazë e punës e metodës së matjes Kulomb

Metoda e matjes Kulomb mund të llogarisë me saktësi gjendjen e karikimit në kohë reale gjatë karikimit ose shkarkimit. Me numëruesin kulomb të ngarkimit dhe numëruesin kulomb të shkarkimit, ai mund të llogarisë kapacitetin e mbetur (RM) dhe kapacitetin e plotë të karikimit (FCC). Në të njëjtën kohë, kapaciteti i mbetur (RM) dhe kapaciteti i plotë i ngarkimit (FCC) mund të përdoren gjithashtu për të llogaritur gjendjen e karikimit, domethënë (SOC = RM / FCC). Përveç kësaj, ai gjithashtu mund të vlerësojë kohën e mbetur, të tilla si shterimi i energjisë (TTE) dhe fuqia e plotë (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Dy janë faktorët kryesorë që shkaktojnë devijime në saktësinë e metodës së matjes Kulomb. E para është akumulimi i gabimeve të kompensimit në sensorin e rrymës dhe matjen ADC. Megjithëse gabimi i matjes me teknologjinë aktuale është ende i vogël, nëse nuk ka mënyrë të mirë për ta eliminuar atë, gabimi do të rritet me kalimin e kohës. Figura më poshtë tregon se në aplikimet praktike, nëse nuk ka korrigjim në kohëzgjatjen, gabimi i akumuluar është i pakufizuar.

Figura 9. Gabimi kumulativ i metodës së matjes Kulomb

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. Kushtet për eliminimin e gabimit kumulativ të metodës së matjes Kulomb

Faktori i dytë kryesor që shkakton devijimin e saktësisë së metodës së matjes së kulonit është gabimi i kapacitetit të plotë të ngarkimit (FCC), i cili është ndryshimi midis vlerës së kapacitetit të projektimit të baterisë dhe kapacitetit të vërtetë të ngarkimit të plotë të baterisë. Kapaciteti i plotë i ngarkimit (FCC) do të ndikohet nga temperatura, plakja, ngarkesa dhe faktorë të tjerë. Prandaj, metoda e ri-mësimit dhe kompensimit të kapacitetit të plotë të ngarkesës është shumë e rëndësishme për metodën e matjes së kulonit. Figura e mëposhtme tregon fenomenin e tendencës së gabimit të gjendjes së ngarkesës kur kapaciteti i plotë i ngarkesës mbivlerësohet dhe nënvlerësohet.

Figura 11. Trendi i gabimit kur kapaciteti i plotë i ngarkimit mbivlerësohet dhe nënvlerësohet

2.4 Matësi i karburantit me algoritmin dinamik të tensionit

Matësi i karburantit të algoritmit dinamik të tensionit mund të llogarisë gjendjen e ngarkimit të baterisë së litiumit bazuar vetëm në tensionin e baterisë. Kjo metodë është për të vlerësuar rritjen ose uljen e gjendjes së ngarkesës bazuar në ndryshimin midis tensionit të baterisë dhe tensionit të qarkut të hapur të baterisë. Informacioni i tensionit dinamik mund të simulojë në mënyrë efektive sjelljen e baterisë së litiumit për të përcaktuar gjendjen e karikimit SOC (%), por kjo metodë nuk mund të vlerësojë vlerën e kapacitetit të baterisë (mAh).

Metoda e saj e llogaritjes bazohet në ndryshimin dinamik midis tensionit të baterisë dhe tensionit të qarkut të hapur, duke përdorur një algoritëm iterativ për të llogaritur çdo rritje ose ulje të gjendjes së ngarkesës për të vlerësuar gjendjen e karikimit. Krahasuar me zgjidhjen e matësit të karburantit për matjen e kulonit, matësi i karburantit të algoritmit dinamik të tensionit nuk do të grumbullojë gabime me kalimin e kohës dhe rrymës. Matësit e karburantit të matjes së Kulombit zakonisht shkaktojnë vlerësim të pasaktë të gjendjes së karikimit për shkak të gabimeve të sensorit aktual dhe vetë-shkarkimit të baterisë. Edhe nëse gabimi i sensorit aktual është shumë i vogël, numëruesi i kulonit do të vazhdojë të grumbullojë gabimin dhe gabimi i akumuluar mund të eliminohet vetëm kur të jetë plotësisht i ngarkuar ose shkarkuar plotësisht.

Algoritmi i tensionit dinamik matësi i karburantit vlerëson gjendjen e ngarkimit të baterisë vetëm nga informacioni i tensionit; sepse nuk vlerësohet nga informacioni aktual i baterisë, nuk grumbullon gabime. Për të përmirësuar saktësinë e gjendjes së karikimit, algoritmi i tensionit dinamik duhet të përdorë një pajisje aktuale dhe të rregullojë parametrat e një algoritmi të optimizuar sipas kurbës aktuale të tensionit të baterisë kur ajo është plotësisht e ngarkuar dhe e shkarkuar plotësisht.

Figura 12. Performanca e matësit të karburantit të algoritmit dinamik të tensionit dhe optimizimi i fitimit

Më poshtë është performanca e algoritmit të tensionit dinamik në kushte të ndryshme të shkallës së shkarkimit. Nga figura mund të shihet se gjendja e ngarkimit të tij ka saktësi të mirë. Pavarësisht nga kushtet e shkarkimit të C/2, C/4, C/7 dhe C/10, gabimi i përgjithshëm i gjendjes së ngarkimit të kësaj metode është më pak se 3%.

Figura 13. Ecuria e gjendjes së ngarkimit të algoritmit të tensionit dinamik në kushte të ndryshme të shkallës së shkarkimit

Figura më poshtë tregon performancën e gjendjes së karikimit kur bateria është e ngarkuar dhe e shkurtër. Gjendja e gabimit të ngarkimit është ende shumë e vogël, dhe gabimi maksimal është vetëm 3%.

Figura 14. Ecuria e gjendjes së karikimit të algoritmit të tensionit dinamik kur bateria është me ngarkesë të shkurtër dhe me shkarkim të shkurtër

Krahasuar me situatën kur matësi matës i karburantit Coulomb zakonisht shkakton gjendje të pasaktë të ngarkimit për shkak të gabimeve të sensorit aktual dhe vetë-shkarkimit të baterisë, algoritmi i tensionit dinamik nuk grumbullon gabime me kalimin e kohës dhe rrymës, gjë që është një avantazh i madh. Për shkak se nuk ka informacion në lidhje me rrymën e ngarkimit/shkarkimit, algoritmi i tensionit dinamik ka saktësi të dobët afatshkurtër dhe kohë të ngadaltë të reagimit. Përveç kësaj, nuk mund të vlerësojë kapacitetin e plotë të karikimit. Megjithatë, funksionon mirë për sa i përket saktësisë afatgjatë, sepse voltazhi i baterisë përfundimisht do të pasqyrojë drejtpërdrejt gjendjen e tij të ngarkimit.