1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Kaayaan muatan bisa dihartikeun salaku kaayaan énergi listrik sadia dina batré, biasana dinyatakeun dina persentase. Kusabab énérgi listrik anu aya béda-béda sareng arus muatan sareng ngaleupaskeun, suhu, sareng fénoména sepuh, definisi kaayaan muatan ogé dibagi jadi dua jinis: Absolute State-Of-Charge (ASOC) sareng Relative State-of-Charge (Relative State). -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Biasana kaayaan rélatif rentang muatan nyaéta 0% -100%, sedengkeun batréna 100% nalika dicas pinuh sareng 0% nalika discharged pinuh. Kaayaan muatan mutlak mangrupikeun nilai rujukan anu diitung dumasar kana nilai kapasitas tetep anu dirarancang nalika batréna didamel. Kaayaan muatan mutlak tina batré anyar anu dicas pinuh nyaéta 100%; komo lamun batré sepuh geus dicas pinuh, teu bisa ngahontal 100% dina kaayaan ngecas na discharging béda.

Gambar di handap nembongkeun hubungan antara tegangan jeung kapasitas batré dina ongkos ngurangan béda. Nu leuwih luhur laju ngurangan, nu handap kapasitas batré. Nalika suhu handap, kapasitas batré ogé bakal ngurangan.

Gambar 1.

Hubungan antara tegangan jeung kapasitas dina laju ngurangan béda jeung hawa

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 Dicas pinuh

Nalika bédana antara tegangan batré sareng tegangan ngecas pangluhurna kirang ti 100mV, sareng arus ngecas turun ka C / 10, batréna tiasa dianggap dicas pinuh. Karakteristik batré béda, jeung kaayaan ngeusi batre ogé béda.

Gambar di handap nembongkeun kurva karakteristik ngecas batré litium. Nalika tegangan batré sarua jeung tegangan ngecas pangluhurna sarta arus ngecas turun ka C/10, batréna dianggap dicas pinuh.

Gambar 2. Kurva karakteristik ngecas batré litium

1.4 Mini tegangan discharging

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 Pinuh Discharge

Nalika tegangan batré kirang ti atawa sarua jeung tegangan ngurangan minimum, éta bisa disebut ngurangan lengkep.

1.6 Laju ngecas sareng ngaleupaskeun (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 Siklus hirup

Jumlah siklus nyaéta sabaraha kali batré geus ngalaman ngecas lengkep jeung discharging, nu bisa diperkirakeun tina kapasitas ngurangan sabenerna sarta kapasitas desain. Iraha waé akumulasi kapasitas ngaleupaskeun sami sareng kapasitas desain, jumlah siklusna sakali. Biasana saatos 500 siklus charge-discharge, kapasitas batré anu dicas pinuh turun ku 10% ~ 20%.

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

1.8 Self-discharge

Ngaluarkeun diri sadaya batré ningkat nalika suhu naék. Self-discharge dasarna lain cacad manufaktur, tapi karakteristik batréna sorangan. Nanging, pananganan anu teu leres dina prosés manufaktur ogé tiasa nyababkeun paningkatan diri. Sacara umum, laju timer ngurangan dua kali pikeun unggal 10 ° C kanaékan suhu batré. The bulanan timer ngurangan tina accu litium-ion nyaeta ngeunaan 1 ~ 2%, sedengkeun timer ngurangan bulanan rupa accu basis nikel nyaeta 10-15%.

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

2. Bubuka keur Batre Suluh Gauge

2.1 Bubuka pikeun Fuel Gauge Fungsi

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 Métode tegangan sirkuit kabuka

Méter listrik nganggo metode tegangan sirkuit kabuka langkung gampang diimplementasikeun, sareng tiasa didapet ku ningali tabel anu cocog sareng kaayaan muatan tegangan sirkuit kabuka. Kaayaan hipotétis tina tegangan sirkuit kabuka nyaéta tegangan terminal batré nalika batré istirahat sakitar 30 menit.

Dina beban béda, suhu, sarta sepuh batré, kurva tegangan batré bakal béda. Ku alatan éta, hiji voltmeter buka-circuit tetep teu bisa pinuh ngagambarkeun kaayaan muatan; kaayaan muatan teu bisa diperkirakeun ku pilari up tabel nyalira. Kalayan kecap séjén,, lamun kaayaan muatan diperkirakeun ukur ku pilari up tabél, kasalahan bakal kacida gedéna.

Gambar di handap ieu nunjukeun yen tegangan batré anu sarua dina muatan na ngurangan, sarta kaayaan muatan kapanggih ku metoda tegangan circuit kabuka pisan béda.

angka 5. tegangan batré handapeun ngecas na discharging

Angka di handap ieu nunjukkeun yén kaayaan muatan béda-béda pisan dina beban anu béda-béda nalika discharge. Janten dasarna, metode tegangan sirkuit kabuka ngan ukur cocog pikeun sistem anu sarat rendah pikeun akurasi kaayaan muatan, sapertos pamakean batré asam timbal atanapi catu daya anu teu tiasa diganggu dina mobil.

angka 6. tegangan batré dina beban béda salila ngurangan

2.3 Métode pangukuran Coulomb

Prinsip operasi metode pangukuran coulomb nyaéta nyambungkeun résistor deteksi dina jalur ngecas / ngecas batré. ADC ngukur tegangan dina résistor deteksi sareng ngarobih kana nilai ayeuna batré anu dieusi atanapi discharged. The real-time counter (RTC) nyadiakeun integrasi nilai ayeuna jeung waktu, ku kituna uninga sabaraha coulombs ngalir ngaliwatan.

Gambar 7. Métode kerja dasar métode pangukuran Coulomb

Métode pangukuran Coulomb tiasa sacara akurat ngitung kaayaan muatan sacara real-time salami ngecas atanapi ngecas. Kalayan counter coulomb muatan sareng counter coulomb discharge, éta tiasa ngitung kapasitas sésana (RM) sareng kapasitas muatan pinuh (FCC). Dina waktos anu sami, kapasitas sésana (RM) sareng kapasitas muatan pinuh (FCC) ogé tiasa dianggo pikeun ngitung kaayaan muatan, nyaéta (SOC = RM / FCC). Sajaba ti éta, ogé bisa ngira-ngira waktu sésana, kayaning power exhaustion (TTE) jeung kakuatan pinuh (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Aya dua faktor utama anu nyababkeun panyimpangan dina akurasi metode pangukuran Coulomb. Anu kahiji nyaéta akumulasi kasalahan offset dina sensing ayeuna sareng pangukuran ADC. Sanaos kasalahan pangukuran sareng téknologi ayeuna masih leutik, upami teu aya cara anu saé pikeun ngaleungitkeunana, kasalahanna bakal ningkat kana waktosna. Angka di handap ieu nunjukkeun yén dina aplikasi praktis, upami teu aya koreksi dina durasi waktos, kasalahan akumulasi henteu terbatas.

Gambar 9. Kasalahan kumulatif métode pangukuran Coulomb

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.

Gambar 10. Kaayaan pikeun ngaleungitkeun kasalahan kumulatif metode pangukuran Coulomb

Faktor utama kadua ngabalukarkeun simpangan tina katepatan métode pangukuran coulomb nyaéta kasalahan kapasitas muatan pinuh (FCC), nyaéta bédana antara nilai kapasitas desain batré jeung kapasitas muatan pinuh sabenerna batréna. Kapasitas muatan pinuh (FCC) bakal kapangaruhan ku suhu, sepuh, beban sareng faktor sanésna. Ku alatan éta, diajar ulang jeung métode kompensasi tina kapasitas muatan pinuh pohara penting pikeun métode pangukuran coulomb. Gambar di handap ieu nembongkeun fenomena trend kaayaan kasalahan muatan nalika kapasitas muatan pinuh overestimated na underestimated.

angka 11. Trend kasalahan nalika kapasitas muatan pinuh overestimated na underestimated

2.4 Algoritma tegangan dinamis gauge suluh

Algoritma tegangan dinamis gauge suluh tiasa ngitung kaayaan muatan batré litium ngan ukur dumasar kana tegangan batré. Metoda ieu keur estimasi kanaékan atawa panurunan tina kaayaan muatan dumasar kana bédana antara tegangan batré jeung tegangan circuit kabuka batréna. Inpo tegangan dinamis bisa éféktif simulate kabiasaan batré litium pikeun nangtukeun kaayaan muatan SOC (%), tapi metoda ieu teu bisa estimasi nilai kapasitas batré (mAh).

Metoda itunganna dumasar kana bédana dinamis antara tegangan batré jeung tegangan sirkuit kabuka, ku cara maké algoritma iterative keur ngitung unggal nambahan atawa ngurangan kaayaan muatan pikeun estimasi kaayaan muatan. Dibandingkeun jeung solusi tina coulomb metering suluh gauge, tegangan dinamis gauge suluh algoritma moal ngumpulkeun kasalahan kana waktu jeung ayeuna. Pengukur bahan bakar Coulomb biasana nyababkeun estimasi anu teu akurat ngeunaan kaayaan muatan kusabab kasalahan sensing ayeuna sareng nyéépkeun diri batré. Sanajan kasalahan sensing ayeuna pisan leutik, counter coulomb bakal terus ngumpulkeun kasalahan, sarta kasalahan akumulasi ngan bisa ngaleungitkeun lamun geus dicas pinuh atawa discharged pinuh.

Algoritma tegangan dinamis gauge suluh ngira-ngira kaayaan muatan batré ngan ku informasi tegangan; sabab teu diperkirakeun ku informasi ayeuna batréna, teu ngumpulkeun kasalahan. Pikeun ningkatkeun akurasi kaayaan muatan, algoritma tegangan dinamis kedah nganggo alat anu saleresna, sareng nyaluyukeun parameter algoritma anu dioptimalkeun dumasar kana kurva tegangan batré anu saleresna nalika dicas pinuh sareng discharged pinuh.

angka 12. Performance of tegangan dinamis gauge suluh algoritma jeung gain optimasi

Di handap ieu kinerja algoritma tegangan dinamis dina kaayaan laju ngurangan béda. Ieu tiasa ditingali tina gambar yén kaayaan muatanana ngagaduhan akurasi anu saé. Paduli kaayaan ngurangan C / 2, C / 4, C / 7 jeung C / 10, kaayaan sakabéh muatan kasalahan metoda ieu kirang ti 3%.

Angka 13. Kinerja kaayaan muatan tina algoritma tegangan dinamis dina kaayaan laju ngurangan béda

Gambar di handap nembongkeun kinerja kaayaan muatan nalika batré pondok-muatan na pondok-discharged. Kaayaan kasalahan muatan masih leutik pisan, sareng kasalahan maksimum ngan ukur 3%.

Gambar 14. Kinerja kaayaan muatan tina algoritma tegangan dinamis nalika batré pondok-muatan sareng pondok-scharged

Dibandingkeun jeung kaayaan dimana Coulomb metering gauge suluh biasana ngabalukarkeun kaayaan teu akurat muatan alatan kasalahan sensing ayeuna jeung batré timer ngurangan, algoritma tegangan dinamis teu ngumpulkeun kasalahan kana waktu jeung ayeuna, nu mangrupakeun kaunggulan badag. Kusabab euweuh informasi ngeunaan muatan / ngurangan ayeuna, algoritma tegangan dinamis boga akurasi jangka pondok goréng jeung waktu respon slow. Sajaba ti éta, teu bisa estimasi kapasitas muatan pinuh. Sanajan kitu, éta ngalakukeun ogé dina hal akurasi jangka panjang, sabab tegangan batré antukna bakal langsung ngagambarkeun kaayaan muatan na.