1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Државно стање (СОЦ)

Стање напуњености се може дефинисати као стање расположиве електричне енергије у батерији, обично изражено у процентима. Пошто расположива електрична енергија варира са струјом пуњења и пражњења, температуром и феноменом старења, дефиниција стања напуњености је такође подељена на два типа: апсолутно стање напуњености (АСОЦ) и релативно стање напуњености (релативно стање). АСОЦ) Стате-оф-Цхарге; РСОЦ). Обично је релативно стање напуњености 0% -100%, док је батерија 100% када је потпуно напуњена и 0% када је потпуно испражњена. Апсолутно стање напуњености је референтна вредност израчуната према пројектованој вредности фиксног капацитета када се батерија производи. Апсолутно стање напуњености потпуно нове потпуно напуњене батерије је 100%; чак и ако је стара батерија потпуно напуњена, не може да достигне 100% под различитим условима пуњења и пражњења.

Слика испод приказује однос између напона и капацитета батерије при различитим брзинама пражњења. Што је већа брзина пражњења, мањи је капацитет батерије. Када је температура ниска, капацитет батерије ће се такође смањити.

Слика КСНУМКС.

Однос између напона и капацитета при различитим брзинама пражњења и температурама

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 Потпуно напуњен

Када је разлика између напона батерије и највећег напона пуњења мања од 100мВ, а струја пуњења падне на Ц/10, батерија се може сматрати потпуно напуњеном. Карактеристике батерије су различите, а различити су и услови потпуног пуњења.

Слика испод приказује типичну карактеристичну криву пуњења литијумске батерије. Када је напон батерије једнак највећем напону пуњења и струја пуњења падне на Ц/10, батерија се сматра потпуно напуњеном.

Слика 2. Карактеристична крива пуњења литијумске батерије

1.4 Мини напон пражњења

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 Потпуно пражњење

Када је напон батерије мањи или једнак минималном напону пражњења, то се може назвати потпуним пражњењем.

1.6 Стопа пуњења и пражњења (Ц-Рате)

Брзина пуњења-пражњења је израз струје пуњења-пражњења у односу на капацитет батерије. На пример, ако се 1Ц користи за пражњење један сат, у идеалном случају, батерија ће бити потпуно испражњена. Различите стопе пуњења и пражњења ће резултирати различитим употребљивим капацитетом. Генерално, што је већа брзина пуњења-пражњења, мањи је расположиви капацитет.

1.7 Животни век циклуса

Број циклуса је колико пута је батерија била подвргнута потпуном пуњењу и пражњењу, што се може проценити из стварног капацитета пражњења и пројектованог капацитета. Кад год је акумулирани капацитет пражњења једнак пројектованом капацитету, број циклуса је један. Обично након 500 циклуса пуњења-пражњења, капацитет потпуно напуњене батерије опада за 10% ~ 20%.

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

1.8 Самопражњење

Самопражњење свих батерија се повећава како температура расте. Самопражњење у основи није производни недостатак, већ карактеристике саме батерије. Међутим, неправилно руковање у процесу производње такође може изазвати повећање самопражњења. Генерално, брзина самопражњења се удвостручује за сваких 10°Ц повећања температуре батерије. Месечно самопражњење литијум-јонских батерија је око 1~2%, док је месечно самопражњење различитих батерија на бази никла 10-15%.

Слика 4. Перформансе брзине самопражњења литијумских батерија на различитим температурама

2. Увод у мерач горива у батерији

2.1 Увод у функцију мерача горива

Управљање батеријом се може сматрати делом управљања напајањем. У управљању батеријама, мерач горива је одговоран за процену капацитета батерије. Његова основна функција је да надгледа напон, струју пуњења/пражњења и температуру батерије и процењује стање напуњености батерије (СОЦ) и пуни капацитет батерије (ФЦЦ). Постоје две типичне методе за процену стања напуњености батерије: метода напона отвореног кола (ОЦВ) и кулометријска метода. Други метод је алгоритам динамичког напона који је дизајнирао РИЦХТЕК.

2.2 Метода напона отвореног кола

Мерач електричне енергије који користи методу напона отвореног кола је лакши за имплементацију, а може се добити тражењем табеле која одговара стању напуњености напона отвореног кола. Хипотетички услов напона отвореног кола је напон терминала батерије када батерија мирује око 30 минута.

Под различитим оптерећењем, температуром и старењем батерије, крива напона батерије ће бити другачија. Стога, фиксни волтметар отвореног кола не може у потпуности да представи стање наелектрисања; стање напуњености се не може проценити само тражењем табеле. Другим речима, ако се стање напуњености процени само гледањем у табелу, грешка ће бити веома велика.

Следећа слика показује да је исти напон батерије под пуњењем и пражњењем, а стање напуњености пронађено методом напона отвореног кола је веома различито.

Слика 5. Напон батерије при пуњењу и пражњењу

Слика испод показује да стање напуњености у великој мери варира под различитим оптерећењима током пражњења. Дакле, у основи, метода напона отвореног кола је погодна само за системе са ниским захтевима за тачност стања напуњености, као што је употреба оловних батерија или непрекидних извора напајања у аутомобилима.

Слика 6. Напон батерије под различитим оптерећењима током пражњења

2.3 Кулонов метод мерења

Принцип рада кулонове методе мерења је повезивање отпорника за детекцију на путу пуњења/пражњења батерије. АДЦ мери напон на отпорнику за детекцију и претвара га у тренутну вредност батерије која се пуни или празни. Бројач у реалном времену (РТЦ) обезбеђује интеграцију тренутне вредности са временом, како би се знало колико кулона протиче.

Слика 7. Основни метод рада Кулонове методе мерења

Кулонов метод мерења може прецизно израчунати стање напуњености у реалном времену током пуњења или пражњења. Са бројачем кулона пуњења и бројачем кулона пражњења, може израчунати преостали капацитет (РМ) и пуни капацитет пуњења (ФЦЦ). Истовремено, преостали капацитет (РМ) и пуни капацитет пуњења (ФЦЦ) се такође могу користити за израчунавање стања напуњености, односно (СОЦ = РМ / ФЦЦ). Поред тога, може да процени и преостало време, као што је исцрпљивање снаге (ТТЕ) и пуна снага (ТТФ).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Два су главна фактора који узрокују одступања у тачности Кулонове методе мерења. Први је акумулација грешака померања у сенсингу струје и АДЦ мерењу. Иако је грешка мерења са тренутном технологијом још увек мала, ако не постоји добар начин да се она елиминише, грешка ће се временом повећавати. Слика испод показује да у практичним применама, ако нема корекције у временском трајању, акумулирана грешка је неограничена.

Слика 9. Кумулативна грешка Кулонове методе мерења

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.

Слика 10. Услови за отклањање кумулативне грешке Кулонове методе мерења

Други главни фактор који узрокује одступање тачности кулоновске методе мерења је грешка пуног капацитета пуњења (ФЦЦ), која је разлика између вредности пројектованог капацитета батерије и стварног капацитета пуног пуњења батерије. На пуни капацитет пуњења (ФЦЦ) ће утицати температура, старење, оптерећење и други фактори. Због тога је метод поновног учења и компензације пуног капацитета пуњења веома важан за метод кулонског мерења. Следећа слика приказује феномен тренда грешке стања напуњености када је пун капацитет пуњења прецењен и потцењен.

Слика 11. Тренд грешке када је пун капацитет пуњења прецењен и потцењен

2.4 Алгоритам динамичког напона мерач горива

Алгоритам динамичког напона мерач горива може израчунати стање напуњености литијумске батерије само на основу напона батерије. Овај метод је да се процени повећање или смањење стања напуњености на основу разлике између напона батерије и напона отвореног кола батерије. Информације о динамичком напону могу ефикасно симулирати понашање литијумске батерије да би се одредило стање напуњености СОЦ (%), али овај метод не може да процени вредност капацитета батерије (мАх).

Његова метода прорачуна је заснована на динамичкој разлици између напона батерије и напона отвореног кола, коришћењем итеративног алгоритма за израчунавање сваког повећања или смањења стања напуњености да би се проценило стање напуњености. У поређењу са решењем мерача горива са кулонским мерењем, алгоритам динамичког напона мерач горива неће акумулирати грешке током времена и струје. Кулонски мерачи горива обично узрокују нетачну процену стања напуњености због грешака у сензору струје и самопражњења батерије. Чак и ако је тренутна грешка сенсинга веома мала, бројач кулона ће наставити да акумулира грешку, а акумулирана грешка се може елиминисати само када је потпуно напуњен или потпуно испражњен.

Алгоритам динамичког напона мерач горива процењује стање напуњености батерије само на основу информација о напону; јер се не процењује тренутним информацијама батерије, не акумулира грешке. Да би се побољшала тачност стања напуњености, алгоритам динамичког напона треба да користи стварни уређај и да прилагоди параметре оптимизованог алгоритма према стварној кривој напона батерије када је потпуно напуњена и потпуно испражњена.

Слика 12. Перформансе алгоритма динамичког напона мерача горива и оптимизације појачања

Следи перформансе алгоритма динамичког напона под различитим условима брзине пражњења. Из слике се види да његово стање наелектрисања има добру тачност. Без обзира на услове пражњења Ц/2, Ц/4, Ц/7 и Ц/10, укупна грешка напуњености ове методе је мања од 3%.

Слика 13. Перформансе стања напуњености алгоритма динамичког напона под различитим условима брзине пражњења

Слика испод приказује перформансе стања напуњености када је батерија кратко напуњена и кратко празна. Грешка стања напуњености је и даље веома мала, а максимална грешка је само 3%.

Слика 14. Перформансе стања напуњености алгоритма динамичког напона када је батерија кратко напуњена и кратко испражњена

У поређењу са ситуацијом у којој Цоуломб мерни мерач горива обично узрокује нетачно стање напуњености због грешака у сензору струје и самопражњења батерије, алгоритам динамичког напона не акумулира грешке током времена и струје, што је велика предност. Пошто нема информација о струји пуњења/пражњења, алгоритам динамичког напона има лошу краткорочну тачност и споро време одзива. Поред тога, не може проценити пуни капацитет пуњења. Међутим, добро ради у смислу дугорочне тачности, јер ће напон батерије на крају директно одражавати стање напуњености.