1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Давлати масъул (SOC)

Ҳолати барқро метавон ҳамчун ҳолати мавҷудаи нерӯи барқ ​​дар батарея муайян кард, ки одатан бо фоиз ифода карда мешавад. Азбаски энергияи электрикии мавҷуда вобаста ба ҷараёни заряд ва разряд, ҳарорат ва фарсудашавӣ фарқ мекунад, таърифи ҳолати заряд низ ба ду намуд тақсим мешавад: Ҳолати мутлақ заряд (ASOC) ва Ҳолати нисбии заряд (Ҳолати нисбӣ) -Истеъдод; АСОС) Давлат-Мукофот; RSOC). Одатан ҳолати нисбии диапазони заряд 0%-100% аст, дар ҳоле ки батарея ҳангоми пур кардани барқ ​​100% ва ҳангоми пурра холӣ шудан 0% аст. Ҳолати мутлақи заряд ин арзиши истинодист, ки мувофиқи арзиши иқтидори муқарраршуда ҳангоми истеҳсоли батарея ҳисоб карда мешавад. Ҳолати мутлақи барқи батареяи нав пуркардашуда 100% аст; ва ҳатто агар батареяи кӯҳна пурра пур карда шавад ҳам, он дар шароити гуногуни пуркунӣ ва холӣ ба 100% расида наметавонад.

Дар расми зер муносибати байни шиддат ва иқтидори батарея бо суръати гуногуни разряд нишон дода шудааст. Чӣ қадаре ки суръати разряд баланд бошад, иқтидори батарея ҳамон қадар кам мешавад. Вақте ки ҳарорат паст аст, иқтидори батарея низ кам мешавад.

Тасвири 1.

Муносибати байни шиддат ва иқтидор дар суръати разряд ва ҳарорати гуногун

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 Пурра пур карда шудааст

Вақте ки фарқияти байни шиддати батарея ва баландтарин шиддат аз 100 мВ камтар аст ва ҷараёни барқ ​​​​ба C/10 паст мешавад, батареяро пурра пуршуда ҳисоб кардан мумкин аст. Хусусиятҳои батарея гуногунанд ва шароити пуркунии барқ ​​низ гуногун аст.

Дар расми зер хатти хоси пуркунии батареяи литий нишон дода шудааст. Вақте ки шиддати батарея ба шиддати баландтарини барқ ​​баробар аст ва ҷараёни барқ ​​​​ба C/10 паст мешавад, батарея пурра пуршуда ҳисобида мешавад.

Расми 2. Каҷи хосияти пуркунии батареяи литий

1.4 Мини шиддати холӣ

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 Пардохти пурра

Вақте ки шиддати батарея аз шиддати ҳадди ақали разряд камтар ё баробар аст, онро разряди пурра номидан мумкин аст.

1.6 Меъёри барқ ​​ва разряд (C-Rate)

Меъёри барқ-разряд ифодаи ҷараёни барқ-разряд нисбат ба иқтидори батарея мебошад. Масалан, агар 1С барои холӣ кардани як соат истифода шавад, идеалӣ, батарея пурра холӣ мешавад. Қурбҳои гуногуни барқ ​​ва разряд боиси иқтидори гуногуни истифодашаванда мегардад. Умуман, чӣ қадаре ки суръати разряд зиёд бошад, иқтидори мавҷуда ҳамон қадар хурдтар аст.

1.7 Ҳаёти даврӣ

Миқдори давраҳо ин шумораи маротибаҳои пуркунии пурра ва холӣ кардани батарея мебошад, ки онро аз рӯи иқтидори воқеии разряд ва иқтидори лоиҳавӣ ҳисоб кардан мумкин аст. Хар вакте ки иктидори разряди чамъшуда ба иктидори лоихави баробар бошад, шумораи даврахо як маротиба аст. Одатан пас аз 500 давраи пуркунии барқ, иқтидори батареяи пурра пуркардашуда 10% то 20% кам мешавад.

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

1.8 Худпартоӣ

Баробари баланд шудани харорат худсарккунии хамаи батареяхо зиёд мешавад. Худпартоӣ аслан нуқсони истеҳсолӣ нест, балки хусусияти худи батарея аст. Бо вуҷуди ин, муносибати нодуруст дар раванди истеҳсолӣ метавонад боиси афзоиши худидоракунии барқ ​​гардад. Умуман, суръати худидоракунии барқ ​​барои ҳар 10°C баланд шудани ҳарорати батарея ду маротиба меафзояд. Худи разряди якмохаи аккумуляторхои литий-ионй такрибан 1—2 фоизро ташкил медихад, хол он ки худидоракунии якмохаи батареяхои гуногуни никелй 10—15 фоизро ташкил медихад.

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

2. Муқаддима ба ченаки сӯзишвории батарея

2.1 Муқаддима ба функсияи ченкунии сӯзишворӣ

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 Усули шиддати занҷири кушод

Ҳисобкунаки барқро бо усули шиддати занҷири кушод амалӣ кардан осонтар аст ва онро тавассути ҷустуҷӯи ҷадвали мувофиқи ҳолати заряди шиддати занҷири кушода гирифтан мумкин аст. Ҳолати гипотетикии шиддати занҷири кушода ин шиддати терминали батарея аст, вақте ки батарея тақрибан 30 дақиқа истироҳат мекунад.

Дар зери сарборӣ, ҳарорат ва пиршавии батарея, хатти шиддати батарея гуногун хоҳад буд. Бинобар ин вольтметри собити кушода холати зарядро пурра ифода карда наметавонад; ҳолати зарядро танҳо аз рӯи ҷадвал ҳисоб кардан мумкин нест. Ба ибораи дигар, агар ҳолати заряд танҳо бо ҷустуҷӯи ҷадвал ҳисоб карда шавад, хато хеле калон мешавад.

Дар расми зерин нишон дода шудааст, ки як шиддати батарея дар зери заряд ва холӣ қарор дорад ва ҳолати заряд, ки бо усули шиддати занҷири кушод пайдо шудааст, хеле фарқ мекунад.

Расми 5. Шиддати батарея ҳангоми пуркунӣ ва холӣ

Дар расми зер нишон дода шудааст, ки ҳолати заряд дар зери бори гуногун ҳангоми разряд хеле фарқ мекунад. Ҳамин тавр, аслан усули шиддати ноқилҳои кушод танҳо барои системаҳое мувофиқ аст, ки ба дақиқии ҳолати заряд, ба монанди истифодаи батареяҳои сурб ё таъминоти барқи бефосила дар автомобилҳо талаботи паст доранд.

Расми 6. Шиддати батарея дар зери бори гуногун хангоми разряд

2.3 Усули ченкунии Кулон

Принсипи кори усули ченкунии кулон ин пайваст кардани муқовимати муайянкунанда дар роҳи пуркунии барқ ​​​​/баркунии батарея мебошад. ADC шиддатро дар муқовимати муайянкунанда чен мекунад ва онро ба арзиши ҷории батареяи барқгиранда ё холӣ табдил медиҳад. Ҳисобкунаки вақти воқеӣ (RTC) ҳамгироии арзиши ҷориро бо вақт таъмин мекунад, то бидонед, ки чанд кулон аз он мегузарад.

Расми 7. Усули асосии кори усули ченкунии Кулон

Усули ченкунии Кулон метавонад ҳолати воқеии барқро ҳангоми пуркунӣ ё холӣ ба таври дақиқ ҳисоб кунад. Бо ҳисобкунаки кулонҳои барқ ​​​​ва ҳисобкунаки кулонҳои разряд, он метавонад иқтидори боқимонда (RM) ва иқтидори пурраи барқро (FCC) ҳисоб кунад. Дар баробари ин, иқтидори боқимонда (RM) ва иқтидори пурраи барқ ​​(FCC) низ метавонад барои ҳисоб кардани ҳолати заряд истифода шавад, яъне (SOC = RM / FCC). Илова бар ин, он инчунин метавонад вақти боқимондаро, аз қабили тамомшавии қувваи барқ ​​(TTE) ва қудрати пурра (TTF) ҳисоб кунад.

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Ду омили асосие вуҷуд доранд, ки дар дурустии усули ченкунии Кулон инҳирофро ба вуҷуд меоранд. Якум, ҷамъшавии хатогиҳои ҷубронкунӣ дар ҳассосияти ҷорӣ ва андозагирии ADC мебошад. Гарчанде ки хатогии андозагирӣ бо технологияи ҷорӣ ҳанӯз хурд аст, агар роҳи хуби бартараф кардани он вуҷуд надошта бошад, хатогӣ бо мурури замон зиёд мешавад. Дар расми зер нишон дода шудааст, ки дар барномаҳои амалӣ, агар дар давомнокии вақт ислоҳ нашуда бошад, хатогии ҷамъшуда номаҳдуд аст.

Расми 9. Хатогии ҷамъи усули ченкунии Кулон

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.

Расми 10. Шартҳои бартараф кардани хатои ҷамъи усули ченкунии Кулон

Омили дуввуми асосӣ, ки боиси инҳироф шудани дақиқии усули ченкунии кулон мегардад, хатогии иқтидори пурраи барқ ​​(FCC) мебошад, ки фарқияти байни арзиши иқтидори тарҳрезии батарея ва иқтидори пурраи пурраи батарея мебошад. Иқтидори пурраи барқ ​​(FCC) аз ҳарорат, пиршавӣ, сарборӣ ва дигар омилҳо таъсир мерасонад. Аз ин рӯ, усули такрорӣ ва ҷуброни иқтидори пурраи барқ ​​барои усули ченкунии кулон хеле муҳим аст. Дар расми зерин падидаи тамоюли ҳолати хатогии заряд нишон дода шудааст, вақте ки иқтидори пурраи барқ ​​аз ҳад зиёд ва кам арзёбӣ мешавад.

Тасвири 11. Тамоюли хатогӣ, вақте ки иқтидори пурраи барқ ​​аз ҳад зиёд ва кам арзёбӣ мешавад

2.4 Алгоритми шиддати динамикӣ ченаки сӯзишворӣ

Алгоритми ченаки динамикии шиддати сӯзишворӣ метавонад ҳолати заряди батареяи литийро танҳо дар асоси шиддати батарея ҳисоб кунад. Ин усул ҳисоб кардани афзоиш ё камшавии ҳолати заряд дар асоси фарқияти байни шиддати батарея ва шиддати занҷири кушодаи батарея мебошад. Маълумот дар бораи шиддати динамикӣ метавонад рафтори батареяи литийро барои муайян кардани ҳолати заряди SOC (%) ба таври муассир тақлид кунад, аммо ин усул арзиши иқтидори батареяро (mAh) ҳисоб карда наметавонад.

Усули ҳисобкунии он ба фарқияти динамикии шиддати батарея ва шиддати занҷири кушода бо истифода аз алгоритми такрорӣ барои ҳисоб кардани ҳар як афзоиш ё камшавии ҳолати заряд барои ҳисоб кардани ҳолати заряд асос ёфтааст. Дар муқоиса бо ҳалли ченаки сӯзишвории кулонӣ, алгоритми динамикии шиддат ченаки сӯзишворӣ бо мурури замон ва ҷараён хатогиҳоро ҷамъ намекунад. Нишондиҳандаҳои сӯзишвории кулонӣ одатан аз сабаби хатогиҳои ҳассосии ҷорӣ ва худидоракунии батарея баҳодиҳии нодурусти ҳолати барқро ба вуҷуд меоранд. Ҳатто агар хатогиҳои ҳозираи ҳассос хеле хурд бошад ҳам, ҳисобкунаки кулон ба ҷамъ кардани хато идома медиҳад ва хатогии ҷамъшударо танҳо ҳангоми пур кардани барқ ​​ё пурра холӣ кардани он бартараф кардан мумкин аст.

Алгоритми шиддати динамикӣ ченаки сӯзишворӣ ҳолати заряди батареяро танҳо аз рӯи маълумот оид ба шиддат ҳисоб мекунад; зеро он бо маълумоти ҷории батарея ҳисоб карда намешавад, он хатогиҳоро ҷамъ намекунад. Барои беҳтар кардани дақиқии ҳолати заряд, алгоритми шиддати динамикӣ бояд дастгоҳи воқеиро истифода барад ва параметрҳои алгоритми оптимизатсияшударо мувофиқи хатти воқеии шиддати батарея ҳангоми пур кардани барқ ​​ва холӣ кардани он танзим кунад.

Расми 12. Иҷрои алгоритми шиддати динамикии ченаки сӯзишворӣ ва оптимизатсияи фоида

Дар зер иҷрои алгоритми шиддати динамикӣ дар шароити гуногуни суръати разряд оварда шудааст. Аз расм дида мешавад, ки долати заряди он дакикии хуб дорад. Сарфи назар аз шароити разряди C/2, C/4, C/7 ва C/10, ҳолати умумии хатогии заряди ин усул камтар аз 3% аст.

Расми 13. Иҷрои ҳолати заряди алгоритми шиддати динамикӣ дар шароити гуногуни разряд

Дар расми зер иҷрои ҳолати барқ ​​ҳангоми кӯтоҳ будани барқ ​​ва холӣ кардани батарея нишон дода шудааст. Хатогии ҳолати заряд ҳанӯз хеле хурд аст ва хатои ҳадди аксар танҳо 3% аст.

Расми 14. Ичрои холати заряди алгоритми шиддати динамикй хангоми кутох пур кардани батарея ва разряди кутох.

Дар муқоиса бо вазъияте, ки ченаки сӯзишвории Кулон одатан аз сабаби хатогиҳои ҳискунандаи ҷорӣ ва худидоракунии батарея ҳолати нодурусти барқро ба вуҷуд меорад, алгоритми шиддати динамикӣ бо мурури замон ва ҷараён хатогиҳоро ҷамъ намекунад, ки ин бартарии калон аст. Азбаски дар бораи ҷараёни заряд/разряд маълумот мавҷуд нест, алгоритми шиддати динамикӣ дақиқии кӯтоҳмуддат ва вақти посухи суст дорад. Илова бар ин, он иқтидори пурраи барқро ҳисоб карда наметавонад. Бо вуҷуди ин, он аз нуқтаи назари дақиқии дарозмуддат хуб кор мекунад, зеро шиддати батарея дар ниҳоят ҳолати заряди онро мустақиман инъикос мекунад.