1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 สถานะของค่าใช้จ่าย (SOC)

สถานะของประจุสามารถกำหนดเป็นสถานะของพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่ในแบตเตอรี่ ซึ่งมักจะแสดงเป็นเปอร์เซ็นต์ เนื่องจากพลังงานไฟฟ้าที่มีอยู่จะแปรผันตามกระแสประจุและการคายประจุ อุณหภูมิ และปรากฏการณ์อายุ คำจำกัดความของสถานะของประจุจึงแบ่งออกเป็นสองประเภท: สถานะการชาร์จแบบสัมบูรณ์ (ASOC) และสถานะการชาร์จแบบสัมพัทธ์ (สถานะสัมพัทธ์) -Of-Charge; ASOC) สถานะของค่าธรรมเนียม; รพ.สต.) โดยปกติสถานะสัมพัทธ์ของช่วงการชาร์จคือ 0% -100% ในขณะที่แบตเตอรี่จะอยู่ที่ 100% เมื่อชาร์จเต็มและ 0% เมื่อคายประจุจนเต็ม สถานะการชาร์จแบบสัมบูรณ์เป็นค่าอ้างอิงที่คำนวณตามค่าความจุคงที่ที่ออกแบบไว้เมื่อผลิตแบตเตอรี่ สถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ที่ชาร์จเต็มใหม่เอี่ยมคือ 100%; และแม้ว่าแบตเตอรี่ที่เก่าจะชาร์จจนเต็มแล้ว ก็จะไม่สามารถชาร์จได้ถึง 100% ภายใต้สภาวะการชาร์จและการคายประจุที่แตกต่างกัน

รูปด้านล่างแสดงความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟและความจุของแบตเตอรี่ที่อัตราการคายประจุที่ต่างกัน ยิ่งอัตราการคายประจุสูง ความจุของแบตเตอรี่ก็จะยิ่งต่ำลง เมื่ออุณหภูมิต่ำ ความจุของแบตเตอรี่ก็จะลดลงด้วย

รูป 1

ความสัมพันธ์ระหว่างแรงดันไฟและความจุที่อัตราการคายประจุและอุณหภูมิต่างกัน

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 ชาร์จเต็มแล้ว

เมื่อความแตกต่างระหว่างแรงดันแบตเตอรี่และแรงดันไฟชาร์จสูงสุดน้อยกว่า 100mV และกระแสไฟชาร์จลดลงเป็น C/10 ถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว ลักษณะของแบตเตอรี่จะแตกต่างกัน และสภาวะการชาร์จเต็มก็ต่างกันด้วย

รูปด้านล่างแสดงเส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียมทั่วไป เมื่อแรงดันแบตเตอรี่เท่ากับแรงดันชาร์จสูงสุดและกระแสไฟชาร์จลดลงเป็น C/10 ถือว่าแบตเตอรี่ชาร์จเต็มแล้ว

รูปที่ 2 เส้นโค้งลักษณะการชาร์จแบตเตอรี่ลิเธียม

1.4 แรงดันการคายประจุขนาดเล็ก

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 ปล่อยเต็มที่

เมื่อแรงดันไฟแบตเตอรี่น้อยกว่าหรือเท่ากับแรงดันไฟจ่ายไฟขั้นต่ำ เรียกว่าคายประจุจนหมด

1.6 อัตราการจ่ายและคายประจุ (C-Rate)

อัตราการคายประจุเป็นนิพจน์ของกระแสการคายประจุที่สัมพันธ์กับความจุของแบตเตอรี่ ตัวอย่างเช่น หากใช้ 1C เพื่อคายประจุเป็นเวลาหนึ่งชั่วโมง ตามหลักการแล้ว แบตเตอรี่จะคายประจุจนหมด อัตราการชาร์จและคายประจุที่แตกต่างกันจะส่งผลให้ความจุในการใช้งานต่างกัน โดยทั่วไป ยิ่งอัตราการคายประจุมากเท่าใด ความจุที่มีก็จะยิ่งน้อยลงเท่านั้น

1.7 วงจรชีวิต

จำนวนรอบคือจำนวนครั้งที่แบตเตอรี่ได้รับการชาร์จและการคายประจุจนหมด ซึ่งสามารถประมาณได้จากความสามารถในการคายประจุจริงและความจุของการออกแบบ เมื่อใดก็ตามที่ความสามารถในการคายประจุสะสมเท่ากับความสามารถในการออกแบบ จำนวนรอบจะเป็นหนึ่งครั้ง โดยปกติหลังจากการชาร์จและการคายประจุ 500 รอบ ความจุของแบตเตอรี่ที่ชาร์จจนเต็มจะลดลง 10% ~ 20%

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

1.8 ปลดปล่อยตัวเอง

การปลดปล่อยตัวเองของแบตเตอรี่ทั้งหมดจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิสูงขึ้น การคายประจุเองโดยพื้นฐานแล้วไม่ใช่ข้อบกพร่องจากการผลิต แต่เป็นลักษณะของแบตเตอรี่เอง อย่างไรก็ตาม การจัดการที่ไม่เหมาะสมในกระบวนการผลิตอาจทำให้การคายประจุออกเองเพิ่มขึ้น โดยทั่วไป อัตราการคายประจุเองจะเพิ่มเป็นสองเท่าสำหรับทุก ๆ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิแบตเตอรี่ 10°C แบตเตอรี่ลิเธียมไอออนที่คายประจุเองได้ในแต่ละเดือนจะอยู่ที่ประมาณ 1~2% ในขณะที่แบตเตอรี่นิกเกิลชนิดต่างๆ จะคายประจุออกเองทุกเดือน 10-15%

รูปที่ 4 ประสิทธิภาพของอัตราการคายประจุของแบตเตอรี่ลิเธียมที่อุณหภูมิต่างกัน

2. ข้อมูลเบื้องต้นเกี่ยวกับเกจวัดน้ำมันเชื้อเพลิงแบตเตอรี่

2.1 รู้เบื้องต้นเกี่ยวกับฟังก์ชันมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิง

การจัดการแบตเตอรี่ถือได้ว่าเป็นส่วนหนึ่งของการจัดการพลังงาน ในการจัดการแบตเตอรี่ มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงมีหน้าที่ในการประมาณความจุของแบตเตอรี่ ฟังก์ชันพื้นฐานของมันคือการตรวจสอบแรงดันไฟฟ้า กระแสประจุ/การคายประจุและอุณหภูมิของแบตเตอรี่ และประเมินสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ (SOC) และความจุของการชาร์จเต็มของแบตเตอรี่ (FCC) มีสองวิธีทั่วไปในการประมาณสถานะประจุของแบตเตอรี่: วิธีแรงดันไฟแบบวงจรเปิด (OCV) และวิธีคูลอมเมตริก อีกวิธีหนึ่งคืออัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกที่ออกแบบโดย RICHTEK

2.2 วิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด

มิเตอร์ไฟฟ้าที่ใช้วิธีแรงดันไฟฟ้าแบบวงจรเปิดนั้นง่ายต่อการใช้งาน และสามารถรับได้โดยการค้นหาตารางที่สอดคล้องกับสถานะประจุของแรงดันไฟวงจรเปิด เงื่อนไขสมมุติของแรงดันไฟวงจรเปิดคือแรงดันขั้วแบตเตอรี่เมื่อแบตเตอรี่พักประมาณ 30 นาที

ภายใต้โหลด อุณหภูมิ และอายุของแบตเตอรี่ที่แตกต่างกัน กราฟแรงดันไฟฟ้าของแบตเตอรี่จะแตกต่างกัน ดังนั้นโวลต์มิเตอร์แบบวงจรเปิดแบบตายตัวจึงไม่สามารถแสดงสถานะการชาร์จได้เต็มที่ ไม่สามารถประมาณสถานะของประจุได้โดยการค้นหาตารางเพียงอย่างเดียว กล่าวอีกนัยหนึ่ง หากประเมินสถานะของการชาร์จโดยการค้นหาตารางเท่านั้น ข้อผิดพลาดจะมีขนาดใหญ่มาก

รูปต่อไปนี้แสดงให้เห็นว่าแรงดันแบตเตอรี่เดียวกันอยู่ภายใต้การชาร์จและการคายประจุ และสถานะของประจุที่พบโดยวิธีแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิดนั้นแตกต่างกันมาก

รูปที่ 5. แรงดันแบตเตอรี่ภายใต้การชาร์จและการคายประจุ

รูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าสถานะของประจุจะแตกต่างกันอย่างมากภายใต้โหลดที่แตกต่างกันระหว่างการคายประจุ โดยพื้นฐานแล้ว วิธีแรงดันไฟฟ้าแบบวงจรเปิดจึงเหมาะสำหรับระบบที่มีความต้องการความแม่นยำของสถานะการชาร์จต่ำเท่านั้น เช่น การใช้แบตเตอรี่ตะกั่ว-กรดหรือเครื่องสำรองไฟฟ้าในรถยนต์

รูปที่ 6 แรงดันแบตเตอรี่ภายใต้โหลดที่แตกต่างกันระหว่างการคายประจุ

2.3 วิธีการวัดคูลอมบ์

หลักการทำงานของวิธีการวัดคูลอมบ์คือการเชื่อมต่อตัวต้านทานการตรวจจับบนเส้นทางการชาร์จ/การคายประจุของแบตเตอรี่ ADC วัดแรงดันไฟฟ้าบนตัวต้านทานการตรวจจับและแปลงเป็นค่าปัจจุบันของแบตเตอรี่ที่กำลังชาร์จหรือคายประจุ ตัวนับเรียลไทม์ (RTC) ให้การรวมค่าปัจจุบันกับเวลา เพื่อทราบว่ามีคูลอมบ์ไหลผ่านกี่คูลอมบ์

รูปที่ 7 วิธีการทำงานพื้นฐานของวิธีการวัดคูลอมบ์

วิธีการวัดคูลอมบ์สามารถคำนวณสถานะการชาร์จแบบเรียลไทม์ได้อย่างแม่นยำระหว่างการชาร์จหรือการคายประจุ ด้วยตัวนับประจุคูลอมบ์และตัวนับคูลอมบ์การคายประจุ มันสามารถคำนวณความจุที่เหลือ (RM) และความจุของประจุเต็ม (FCC) ในเวลาเดียวกัน ความจุที่เหลือ (RM) และความจุของการชาร์จเต็ม (FCC) ยังสามารถใช้ในการคำนวณสถานะการชาร์จ ซึ่งก็คือ (SOC = RM / FCC) นอกจากนี้ ยังสามารถประมาณเวลาคงเหลือได้ เช่น พลังงานหมด (TTE) และเต็มกำลัง (TTF)

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

มีสองปัจจัยหลักที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนในความแม่นยำของวิธีการวัดคูลอมบ์ ประการแรกคือการสะสมข้อผิดพลาดออฟเซ็ตในการตรวจจับกระแสและการวัด ADC แม้ว่าข้อผิดพลาดในการวัดด้วยเทคโนโลยีปัจจุบันจะยังเล็กอยู่ แต่หากไม่มีวิธีที่ดีในการกำจัด ข้อผิดพลาดก็จะเพิ่มขึ้นตามเวลา รูปด้านล่างแสดงให้เห็นว่าในการใช้งานจริงหากไม่มีการแก้ไขในช่วงเวลา ข้อผิดพลาดที่สะสมจะไม่จำกัด

รูปที่ 9 ข้อผิดพลาดสะสมของวิธีการวัดคูลอมบ์

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.

รูปที่ 10. เงื่อนไขในการกำจัดความคลาดเคลื่อนสะสมของวิธีการวัดคูลอมบ์

ปัจจัยหลักประการที่สองที่ทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนของความถูกต้องของวิธีการวัดคูลอมบ์คือข้อผิดพลาดของความสามารถในการชาร์จเต็ม (FCC) ซึ่งเป็นความแตกต่างระหว่างค่าความจุของการออกแบบแบตเตอรี่และความจุการชาร์จเต็มที่แท้จริงของแบตเตอรี่ ความจุของการชาร์จเต็ม (FCC) จะได้รับผลกระทบจากอุณหภูมิ อายุ โหลด และปัจจัยอื่นๆ ดังนั้น วิธีการเรียนรู้ซ้ำและการชดเชยของความจุประจุเต็มจึงมีความสำคัญมากสำหรับวิธีการวัดคูลอมบ์ รูปต่อไปนี้แสดงปรากฏการณ์แนวโน้มของสถานะข้อผิดพลาดของการชาร์จ เมื่อความจุของการชาร์จเต็มถูกประเมินค่าสูงเกินไปและประเมินค่าต่ำไป

รูปที่ 11 แนวโน้มข้อผิดพลาดเมื่อมีการประเมินค่าความจุเต็มและประเมินค่าสูงเกินไป

2.4 เกจวัดเชื้อเพลิงแรงดันไดนามิก

มาตรวัดเชื้อเพลิงอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกสามารถคำนวณสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่ลิเธียมตามแรงดันแบตเตอรี่เท่านั้น วิธีนี้เป็นการประมาณการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของสถานะการชาร์จโดยพิจารณาจากความแตกต่างระหว่างแรงดันแบตเตอรี่กับแรงดันไฟวงจรเปิดของแบตเตอรี่ ข้อมูลแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกสามารถจำลองการทำงานของแบตเตอรี่ลิเธียมได้อย่างมีประสิทธิภาพเพื่อกำหนดสถานะการชาร์จ SOC (%) แต่วิธีนี้ไม่สามารถประมาณค่าความจุของแบตเตอรี่ (mAh) ได้

วิธีการคำนวณจะขึ้นอยู่กับความแตกต่างแบบไดนามิกระหว่างแรงดันแบตเตอรี่และแรงดันไฟฟ้าวงจรเปิด โดยใช้อัลกอริธึมแบบวนซ้ำเพื่อคำนวณการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของสถานะการชาร์จแต่ละครั้งเพื่อประเมินสถานะของประจุ เมื่อเทียบกับการแก้ปัญหาของมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบคูลอมบ์ มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงแบบอัลกอริธึมแรงดันไฟแบบไดนามิกจะไม่สะสมข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไปและกระแสไฟ มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงของคูลอมบ์มักทำให้เกิดการประมาณค่าสถานะการชาร์จที่ไม่ถูกต้องอันเนื่องมาจากข้อผิดพลาดในการตรวจจับกระแสไฟและการคายประจุของแบตเตอรี่เอง แม้ว่าข้อผิดพลาดในการตรวจจับปัจจุบันจะน้อยมาก ตัวนับคูลอมบ์จะยังคงสะสมข้อผิดพลาด และข้อผิดพลาดที่สะสมไว้สามารถกำจัดได้เมื่อชาร์จเต็มหรือคายประจุจนเต็มแล้วเท่านั้น

มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงอัลกอริธึมแรงดันไดนามิกประเมินสถานะการชาร์จของแบตเตอรี่โดยข้อมูลแรงดันไฟฟ้าเท่านั้น เนื่องจากไม่ได้ประมาณการโดยข้อมูลปัจจุบันของแบตเตอรี่จึงไม่เกิดข้อผิดพลาด เพื่อปรับปรุงความแม่นยำของสถานะการชาร์จ อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจำเป็นต้องใช้อุปกรณ์จริง และปรับพารามิเตอร์ของอัลกอริธึมที่ปรับให้เหมาะสมตามเส้นกราฟแรงดันแบตเตอรี่จริงเมื่อชาร์จเต็มและคายประจุจนเต็ม

รูปที่ 12 ประสิทธิภาพของมาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกและการเพิ่มประสิทธิภาพ

ต่อไปนี้เป็นประสิทธิภาพของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกภายใต้สภาวะอัตราการคายประจุที่แตกต่างกัน จากรูปจะเห็นได้ว่าสถานะของประจุนั้นมีความแม่นยำดี โดยไม่คำนึงถึงสภาวะการคายประจุของ C/2, C/4, C/7 และ C/10 สถานะข้อผิดพลาดในการชาร์จโดยรวมของวิธีนี้จะน้อยกว่า 3%

รูปที่ 13 ประสิทธิภาพของสถานะประจุของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกภายใต้เงื่อนไขอัตราการปลดปล่อยที่แตกต่างกัน

รูปด้านล่างแสดงประสิทธิภาพของสถานะการชาร์จเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จสั้นและคายประจุสั้น สถานะของข้อผิดพลาดในการชาร์จยังน้อยมาก และข้อผิดพลาดสูงสุดคือ 3% เท่านั้น

รูปที่ 14. ประสิทธิภาพของสถานะการชาร์จของอัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกเมื่อแบตเตอรี่ชาร์จสั้นและคายประจุสั้น

เมื่อเทียบกับสถานการณ์ที่มาตรวัดน้ำมันเชื้อเพลิงของ Coulomb มักทำให้สถานะการชาร์จไม่ถูกต้องเนื่องจากข้อผิดพลาดในการตรวจจับกระแสไฟและการคายประจุของแบตเตอรี่เอง อัลกอริธึมแรงดันไฟฟ้าแบบไดนามิกจะไม่สะสมข้อผิดพลาดเมื่อเวลาผ่านไปและกระแสไฟฟ้า ซึ่งเป็นข้อได้เปรียบอย่างมาก เนื่องจากไม่มีข้อมูลเกี่ยวกับกระแสประจุ/การคายประจุ อัลกอริธึมแรงดันไฟแบบไดนามิกจึงมีความแม่นยำในระยะสั้นต่ำและเวลาตอบสนองช้า นอกจากนี้ยังไม่สามารถประมาณความจุของการชาร์จเต็มได้ อย่างไรก็ตาม มันทำงานได้ดีในแง่ของความแม่นยำในระยะยาว เนื่องจากแรงดันไฟของแบตเตอรี่จะสะท้อนถึงสถานะการชาร์จโดยตรงในที่สุด