1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Laddningsläget kan definieras som tillståndet för tillgänglig elektrisk energi i batteriet, vanligtvis uttryckt i procent. Eftersom den tillgängliga elektriska energin varierar med laddnings- och urladdningsström, temperatur och åldringsfenomen är definitionen av laddningstillstånd också uppdelad i två typer: Absolut laddningstillstånd (ASOC) och Relativt laddningstillstånd (Relativt tillstånd) -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Normalt är det relativa laddningsområdet 0%-100%, medan batteriet är 100% när det är fulladdat och 0% när det är helt urladdat. Det absoluta laddningstillståndet är ett referensvärde som beräknas enligt det konstruerade fasta kapacitetsvärdet när batteriet tillverkas. Det absoluta laddningstillståndet för ett helt nytt fulladdat batteri är 100 %; och även om ett åldrande batteri är fulladdat kan det inte nå 100 % under olika laddnings- och urladdningsförhållanden.

Figuren nedan visar sambandet mellan spänning och batterikapacitet vid olika urladdningshastigheter. Ju högre urladdningshastighet, desto lägre batterikapacitet. När temperaturen är låg kommer även batterikapaciteten att minska.

Figur 1.

Sambandet mellan spänning och kapacitet vid olika urladdningshastigheter och temperaturer

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 Fulladdat

När skillnaden mellan batterispänningen och den högsta laddningsspänningen är mindre än 100mV, och laddningsströmmen sjunker till C/10, kan batteriet betraktas som fulladdat. Batteriets egenskaper är olika, och villkoren för full laddning är också olika.

Bilden nedan visar en typisk laddningskurva för litiumbatterier. När batterispänningen är lika med den högsta laddningsspänningen och laddningsströmmen sjunker till C/10 anses batteriet vara fulladdat.

Figur 2. Kurva för laddning av litiumbatteri

1.4 Miniurladdningsspänning

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 Fullständig urladdning

När batterispänningen är mindre än eller lika med den lägsta urladdningsspänningen kan det kallas en fullständig urladdning.

1.6 Laddnings- och urladdningshastighet (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 Cykellivslängd

Antalet cykler är antalet gånger ett batteri har genomgått fullständig laddning och urladdning, vilket kan uppskattas från den faktiska urladdningskapaciteten och designkapaciteten. Närhelst den ackumulerade urladdningskapaciteten är lika med designkapaciteten är antalet cykler en gång. Vanligtvis efter 500 laddnings-urladdningscykler sjunker kapaciteten hos ett fulladdat batteri med 10 % ~ 20 %.

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

1.8 Självurladdning

Självurladdningen av alla batterier ökar när temperaturen stiger. Självurladdning är i grunden inte ett tillverkningsfel, utan själva batteriets egenskaper. Men felaktig hantering i tillverkningsprocessen kan också orsaka en ökning av självurladdningen. I allmänhet fördubblas självurladdningshastigheten för varje 10°C ökning av batteritemperaturen. Den månatliga självurladdningen av litiumjonbatterier är cirka 1~2%, medan den månatliga självurladdningen av olika nickelbaserade batterier är 10-15%.

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

2. Introduktion till batteribränslemätare

2.1 Introduction to Fuel Gauge Function

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 Metod för öppen spänning

Elmätaren som använder öppen kretsspänningsmetoden är lättare att implementera, och den kan erhållas genom att slå upp tabellen som motsvarar laddningstillståndet för öppen kretsspänningen. Det hypotetiska tillståndet för den öppna kretsspänningen är batteripolspänningen när batteriet vilar i cirka 30 minuter.

Vid olika belastning, temperatur och batteriåldring kommer batterispänningskurvan att vara annorlunda. Därför kan en fast voltmeter med öppen krets inte helt representera laddningstillståndet; laddningstillståndet kan inte uppskattas enbart genom att slå upp tabellen. Med andra ord, om laddningstillståndet uppskattas endast genom att slå upp tabellen, blir felet mycket stort.

Följande figur visar att samma batterispänning är under laddning och urladdning, och laddningstillståndet som hittas med öppen kretsspänningsmetoden är mycket olika.

Figur 5. Batterispänning under laddning och urladdning

Figuren nedan visar att laddningstillståndet varierar mycket under olika belastningar under urladdning. Så i grund och botten är den öppna kretsspänningsmetoden endast lämplig för system med låga krav på noggrannheten i laddningstillståndet, såsom användning av blybatterier eller avbrottsfri strömförsörjning i bilar.

Figur 6. Batterispänning under olika belastningar under urladdning

2.3 Coulomb mätmetod

Funktionsprincipen för coulomb-mätmetoden är att ansluta ett detekteringsmotstånd på batteriets laddnings-/urladdningsväg. ADC:n mäter spänningen på detekteringsmotståndet och omvandlar den till strömvärdet för batteriet som laddas eller laddas ur. Realtidsräknaren (RTC) tillhandahåller integrationen av det aktuella värdet med tiden, för att veta hur många coulombs som flödar igenom.

Figur 7. Grundläggande arbetsmetod för Coulomb-mätmetoden

Coulomb-mätmetoden kan exakt beräkna laddningstillståndet i realtid under laddning eller urladdning. Med laddnings-coulomb-räknaren och urladdnings-coulomb-räknaren kan den beräkna återstående kapacitet (RM) och full laddningskapacitet (FCC). Samtidigt kan den återstående kapaciteten (RM) och den fulla laddningskapaciteten (FCC) också användas för att beräkna laddningstillståndet, det vill säga (SOC = RM / FCC). Dessutom kan den också uppskatta den återstående tiden, såsom strömavbrott (TTE) och full effekt (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Det finns två huvudfaktorer som orsakar avvikelser i noggrannheten hos Coulomb-mätmetoden. Den första är ackumuleringen av offsetfel i strömavkänning och ADC-mätning. Även om mätfelet med nuvarande teknik fortfarande är litet, om det inte finns något bra sätt att eliminera det, kommer felet att öka med tiden. Figuren nedan visar att i praktiska tillämpningar, om det inte finns någon korrigering i tidslängden, är det ackumulerade felet obegränsat.

Figur 9. Kumulativt fel för Coulombs mätmetod

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.

Figur 10. Villkor för att eliminera det kumulativa felet i Coulomb-mätmetoden

Den andra stora faktorn som orsakar avvikelsen i noggrannheten hos coulomb-mätmetoden är felet för full laddningskapacitet (FCC), vilket är skillnaden mellan värdet på batteriets designkapacitet och den verkliga fullladdningskapaciteten för batteriet. Full laddningskapacitet (FCC) kommer att påverkas av temperatur, åldring, belastning och andra faktorer. Därför är ominlärnings- och kompensationsmetoden för full laddningskapacitet mycket viktig för coulomb-mätmetoden. Följande figur visar trendfenomenet för laddningstillståndsfelet när den fulla laddningskapaciteten är över- och underskattad.

Figur 11. Feltrenden när full laddningskapacitet är över- och underskattad

2.4 Dynamisk spänningsalgoritm bränslemätare

Den dynamiska spänningsalgoritmens bränslemätare kan beräkna litiumbatteriets laddningstillstånd endast baserat på batterispänningen. Denna metod är att uppskatta ökningen eller minskningen av laddningstillståndet baserat på skillnaden mellan batterispänningen och batteriets öppen kretsspänning. Den dynamiska spänningsinformationen kan effektivt simulera litiumbatteriets beteende för att bestämma laddningstillståndet SOC (%), men denna metod kan inte uppskatta batterikapacitetsvärdet (mAh).

Dess beräkningsmetod är baserad på den dynamiska skillnaden mellan batterispänningen och den öppna kretsspänningen, genom att använda en iterativ algoritm för att beräkna varje ökning eller minskning av laddningstillståndet för att uppskatta laddningstillståndet. Jämfört med lösningen av Coulomb-mätarens bränslemätare kommer den dynamiska spänningsalgoritmens bränslemätare inte att ackumulera fel över tid och ström. Bränslemätare med Coulomb-mätare orsakar vanligtvis en felaktig uppskattning av laddningstillståndet på grund av strömavkänningsfel och batteriets självurladdning. Även om strömavkänningsfelet är mycket litet, kommer coulombräknaren att fortsätta att ackumulera felet, och det ackumulerade felet kan endast elimineras när det är fulladdat eller helt urladdat.

Den dynamiska spänningsalgoritmens bränslemätare uppskattar batteriets laddningstillstånd endast genom spänningsinformation; eftersom det inte uppskattas av den aktuella informationen om batteriet, ackumuleras det inte fel. För att förbättra noggrannheten i laddningstillståndet måste den dynamiska spänningsalgoritmen använda en verklig enhet och justera parametrarna för en optimerad algoritm enligt den faktiska batterispänningskurvan när den är fulladdad och helt urladdad.

Figur 12. Prestanda för bränslemätare och förstärkningsoptimering för dynamisk spänningsalgoritm

The following is the performance of the dynamic voltage algorithm under different discharge rate conditions. It can be seen from the figure that its state of charge has good accuracy. Regardless of the discharge conditions of C/2, C/4, C/7 and C/10, the overall state of charge error of this method is less than 3%.

Figur 13. Prestanda för laddningstillståndet för den dynamiska spänningsalgoritmen under olika urladdningshastighetsförhållanden

Bilden nedan visar prestanda för laddningstillståndet när batteriet är kortladdat och korturladdat. Laddningsfelet är fortfarande mycket litet och det maximala felet är bara 3 %.

Figur 14. Prestanda för laddningstillståndet för den dynamiska spänningsalgoritmen när batteriet är kortladdat och korturladdat

Jämfört med situationen där Coulomb-mätarens bränslemätare vanligtvis orsakar ett felaktigt laddningstillstånd på grund av strömavkänningsfel och batteriets självurladdning, ackumulerar den dynamiska spänningsalgoritmen inte fel över tid och ström, vilket är en stor fördel. Eftersom det inte finns någon information om laddnings-/urladdningsströmmen har den dynamiska spänningsalgoritmen dålig kortsiktig noggrannhet och långsam svarstid. Dessutom kan den inte uppskatta den fulla laddningskapaciteten. Den presterar dock bra när det gäller långsiktig noggrannhet, eftersom batterispänningen så småningom direkt kommer att återspegla dess laddningstillstånd.