1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Hali ya Malipo (SOC)

Hali ya chaji inaweza kufafanuliwa kama hali ya nishati ya umeme inayopatikana kwenye betri, ambayo kawaida huonyeshwa kama asilimia. Kwa sababu nishati ya umeme inayopatikana inatofautiana kulingana na hali ya chaji na chaji, halijoto na kuzeeka, ufafanuzi wa hali ya chaji pia umegawanywa katika aina mbili: Hali ya Malipo Kabisa (ASOC) na Hali ya Malipo Husika (Jimbo la Uhusiano). -Ya-Charge; ASOC) Hali ya Kutozwa; RSOC). Kwa kawaida kiwango cha kiasi cha chaji ni 0% -100%, wakati betri huwa 100% inapochajiwa kikamilifu na 0% inapochajiwa kikamilifu. Hali kamili ya chaji ni thamani ya rejeleo inayokokotolewa kulingana na thamani ya uwezo maalum iliyoundwa wakati betri inapotengenezwa. Hali kamili ya malipo ya betri mpya kabisa iliyo na chaji ni 100%; na hata kama betri ya kuzeeka imejaa chaji, haiwezi kufikia 100% chini ya hali tofauti za kuchaji na kuchaji.

Takwimu hapa chini inaonyesha uhusiano kati ya voltage na uwezo wa betri kwa viwango tofauti vya kutokwa. Kiwango cha juu cha kutokwa, ndivyo uwezo wa betri unavyopungua. Wakati hali ya joto iko chini, uwezo wa betri pia utapungua.

Kielelezo 1.

Uhusiano kati ya voltage na uwezo katika viwango tofauti vya kutokwa na joto

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 Kutozwa Kabisa

Wakati tofauti kati ya voltage ya betri na voltage ya juu zaidi ya kuchaji ni chini ya 100mV, na sasa ya kuchaji inashuka hadi C/10, betri inaweza kuzingatiwa kuwa imejaa chaji. Tabia za betri ni tofauti, na hali ya malipo kamili pia ni tofauti.

Kielelezo hapa chini kinaonyesha mkunjo wa tabia ya kuchaji betri ya lithiamu. Wakati voltage ya betri ni sawa na voltage ya juu zaidi ya malipo na sasa ya malipo inashuka hadi C/10, betri inachukuliwa kuwa imeshtakiwa kikamilifu.

Kielelezo 2. Mviringo wa tabia ya kuchaji betri ya lithiamu

1.4 Voltage ndogo ya Kutoa

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 Utoaji kamili

Wakati voltage ya betri ni chini ya au sawa na voltage ya chini ya kutokwa, inaweza kuitwa kutokwa kamili.

1.6 Kiwango cha malipo na kutokwa (Kiwango cha C)

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 Maisha ya mzunguko

Idadi ya mizunguko ni idadi ya mara ambazo betri imechaji na kutokwa kabisa, ambayo inaweza kukadiriwa kutoka kwa uwezo halisi wa kutokwa na uwezo wa muundo. Wakati wowote uwezo wa kutokwa kwa kusanyiko ni sawa na uwezo wa kubuni, idadi ya mizunguko ni mara moja. Kawaida baada ya mizunguko 500 ya kutokwa kwa chaji, uwezo wa betri iliyojaa kikamilifu hushuka kwa 10% ~ 20%.

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

1.8 Kujitoa

Kutokwa kwa betri zote huongezeka kadri hali ya joto inavyoongezeka. Kujitoa kwa kujitegemea kimsingi sio kasoro ya utengenezaji, lakini sifa za betri yenyewe. Hata hivyo, utunzaji usiofaa katika mchakato wa utengenezaji pia unaweza kusababisha ongezeko la kutokwa kwa kujitegemea. Kwa ujumla, kiwango cha kutokwa na maji huongezeka maradufu kwa kila ongezeko la 10°C la joto la betri. Utoaji wa kila mwezi wa betri za lithiamu-ion ni karibu 1 ~ 2%, wakati kutokwa kwa kila mwezi kwa betri mbalimbali za msingi wa nikeli ni 10-15%.

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

2. Utangulizi wa Kipimo cha Mafuta ya Betri

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 Fungua njia ya voltage ya mzunguko

Mita ya umeme kwa kutumia njia ya voltage ya mzunguko wa wazi ni rahisi kutekeleza, na inaweza kupatikana kwa kuangalia juu ya meza inayofanana na hali ya malipo ya voltage ya mzunguko wa wazi. Hali ya dhahania ya voltage ya mzunguko wazi ni voltage ya terminal ya betri wakati betri inapumzika kwa dakika 30.

Chini ya mzigo tofauti, halijoto, na kuzeeka kwa betri, curve ya voltage ya betri itakuwa tofauti. Kwa hiyo, voltmeter iliyowekwa wazi ya mzunguko haiwezi kuwakilisha kikamilifu hali ya malipo; hali ya malipo haiwezi kukadiriwa kwa kuangalia juu ya meza peke yake. Kwa maneno mengine, ikiwa hali ya malipo inakadiriwa tu kwa kuangalia juu ya meza, kosa litakuwa kubwa sana.

Takwimu ifuatayo inaonyesha kwamba voltage sawa ya betri ni chini ya malipo na kutokwa, na hali ya malipo iliyopatikana kwa njia ya voltage ya mzunguko wa wazi ni tofauti sana.

Mchoro 5. Voltage ya betri chini ya malipo na kutokwa

Takwimu hapa chini inaonyesha kwamba hali ya malipo inatofautiana sana chini ya mizigo tofauti wakati wa kutokwa. Kwa hivyo kimsingi, njia ya voltage ya mzunguko wazi inafaa tu kwa mifumo iliyo na mahitaji ya chini kwa usahihi wa hali ya malipo, kama vile matumizi ya betri za asidi ya risasi au vifaa vya umeme visivyoweza kukatika kwenye magari.

Mchoro 6. Voltage ya betri chini ya mizigo tofauti wakati wa kutokwa

2.3 Mbinu ya kipimo cha Coulomb

Kanuni ya uendeshaji ya mbinu ya kipimo cha coulomb ni kuunganisha kizuia ugunduzi kwenye njia ya kuchaji/kutoa betri. ADC hupima volteji kwenye kizuia ugunduzi na kuibadilisha kuwa thamani ya sasa ya betri inayochajiwa au kutolewa. Kaunta ya wakati halisi (RTC) hutoa ujumuishaji wa thamani ya sasa na wakati, ili kujua ni coulombs ngapi zinapita.

Kielelezo 7. Njia ya msingi ya kazi ya njia ya kipimo cha Coulomb

Mbinu ya kupima Coulomb inaweza kukokotoa kwa usahihi hali halisi ya malipo wakati wa kuchaji au kutoza. Kwa kihesabu chaji cha coulomb na kihesabu cha kutokwa kwa coulomb, inaweza kukokotoa uwezo uliobaki (RM) na ujazo kamili wa chaji (FCC). Wakati huo huo, uwezo uliobaki (RM) na uwezo kamili wa malipo (FCC) pia unaweza kutumika kuhesabu hali ya malipo, yaani (SOC = RM / FCC). Kwa kuongeza, inaweza pia kukadiria muda uliobaki, kama vile kumalizika kwa nguvu (TTE) na nishati kamili (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Kuna mambo mawili kuu ambayo husababisha kupotoka kwa usahihi wa njia ya kipimo cha Coulomb. Ya kwanza ni mkusanyiko wa makosa ya kukabiliana katika hisia za sasa na kipimo cha ADC. Ingawa kosa la kipimo na teknolojia ya sasa bado ni ndogo, ikiwa hakuna njia nzuri ya kuiondoa, kosa litaongezeka kwa wakati. Takwimu hapa chini inaonyesha kwamba katika maombi ya vitendo, ikiwa hakuna marekebisho katika muda wa muda, hitilafu iliyokusanywa haina ukomo.

Kielelezo 9. Hitilafu ya mkusanyiko wa mbinu ya kipimo cha 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.

Kielelezo 10. Masharti ya kuondoa hitilafu ya mkusanyiko wa mbinu ya kipimo cha Coulomb

Jambo kuu la pili linalosababisha kupotoka kwa usahihi wa njia ya kipimo cha coulomb ni hitilafu ya uwezo kamili wa chaji (FCC), ambayo ni tofauti kati ya thamani ya uwezo wa kubuni betri na chaji ya kweli ya chaji ya betri. Uwezo kamili wa chaji (FCC) utaathiriwa na halijoto, kuzeeka, mzigo na mambo mengine. Kwa hiyo, njia ya kujifunza upya na fidia ya uwezo kamili wa malipo ni muhimu sana kwa njia ya kipimo cha coulomb. Kielelezo kifuatacho kinaonyesha hali ya mwenendo wa hitilafu ya hali ya malipo wakati uwezo kamili wa malipo umekadiriwa na kupunguzwa.

Kielelezo 11. Mwenendo wa makosa wakati uwezo kamili wa malipo umekadiriwa na haujakadiriwa

2.4 Kipimo cha mafuta cha algorithm ya voltage inayobadilika

Kipimo cha mafuta cha algorithm ya voltage ya nguvu kinaweza kuhesabu hali ya malipo ya betri ya lithiamu kulingana na voltage ya betri tu. Njia hii ni kukadiria kuongezeka au kupungua kwa hali ya malipo kulingana na tofauti kati ya voltage ya betri na voltage ya mzunguko wa wazi wa betri. Taarifa ya voltage inayobadilika inaweza kuiga kwa ufanisi tabia ya betri ya lithiamu ili kubaini hali ya chaji SOC (%), lakini njia hii haiwezi kukadiria thamani ya uwezo wa betri (mAh).

Njia yake ya kuhesabu inategemea tofauti ya nguvu kati ya voltage ya betri na voltage ya mzunguko wa wazi, kwa kutumia algorithm ya kurudia kuhesabu kila ongezeko au kupungua kwa hali ya malipo ili kukadiria hali ya malipo. Ikilinganishwa na suluhisho la kipimo cha mafuta cha metering ya coulomb, kipimo cha mafuta cha algorithm ya nguvu haitakusanya makosa kwa wakati na sasa. Vipimo vya kupima mafuta vya Coulomb kwa kawaida husababisha ukadiriaji usio sahihi wa hali ya chaji kutokana na hitilafu za sasa za kuhisi na kujiondoa kwa betri yenyewe. Hata kama hitilafu ya sasa ya kutambua ni ndogo sana, kihesabu cha coulomb kitaendelea kukusanya hitilafu, na hitilafu iliyokusanywa inaweza kuondolewa tu ikiwa imechajiwa kikamilifu au imetolewa kikamilifu.

Kipimo cha mafuta cha algorithm ya nguvu ya voltage inakadiria hali ya malipo ya betri tu kwa habari ya voltage; kwa sababu haijakadiriwa na taarifa ya sasa ya betri, haina kukusanya makosa. Ili kuboresha usahihi wa hali ya malipo, algoriti ya voltage inayobadilika inahitaji kutumia kifaa halisi, na kurekebisha vigezo vya algoriti iliyoboreshwa kulingana na mkondo halisi wa voltage ya betri inapochajiwa kikamilifu na kutekelezwa kikamilifu.

Kielelezo 12. Utendaji wa kipimo cha mafuta cha algorithm ya voltage ya nguvu na uboreshaji wa kupata

Ifuatayo ni utendaji wa algorithm ya voltage ya nguvu chini ya hali tofauti za kiwango cha kutokwa. Inaweza kuonekana kutoka kwa takwimu kwamba hali yake ya malipo ina usahihi mzuri. Bila kujali hali ya kutokwa kwa C/2, C/4, C/7 na C/10, hali ya jumla ya makosa ya malipo ya njia hii ni chini ya 3%.

Mchoro 13. Utendaji wa hali ya malipo ya algorithm ya voltage ya nguvu chini ya hali tofauti za kiwango cha kutokwa.

Takwimu hapa chini inaonyesha utendaji wa hali ya malipo wakati betri ina chaji fupi na imetolewa kwa muda mfupi. Hitilafu ya hali ya malipo bado ni ndogo sana, na kosa la juu ni 3% tu.

Mchoro 14. Utendaji wa hali ya malipo ya algoriti ya voltage inayobadilika wakati betri ina chaji fupi na chaji fupi.

Ikilinganishwa na hali ambapo kipimo cha mafuta cha metering cha Coulomb kawaida husababisha hali isiyo sahihi ya malipo kwa sababu ya makosa ya sasa ya kuhisi na kutokwa kwa betri, algorithm ya nguvu ya voltage haikusanyi makosa kwa wakati na sasa, ambayo ni faida kubwa. Kwa sababu hakuna taarifa kuhusu chaji/uondoaji wa sasa, algoriti ya voltage inayobadilika ina usahihi duni wa muda mfupi na wakati wa kujibu polepole. Kwa kuongeza, haiwezi kukadiria uwezo kamili wa malipo. Hata hivyo, hufanya vizuri kwa usahihi wa muda mrefu, kwa sababu voltage ya betri hatimaye itaonyesha moja kwa moja hali yake ya malipo.