1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Ang estado ng singil ay maaaring tukuyin bilang ang estado ng magagamit na elektrikal na enerhiya sa baterya, kadalasang ipinahayag bilang isang porsyento. Dahil ang magagamit na elektrikal na enerhiya ay nag-iiba sa charge at discharge current, temperature, at aging phenomena, ang kahulugan ng state of charge ay nahahati din sa dalawang uri: Absolute State-Of-Charge (ASOC) at Relative State-of-Charge (Relative State -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Karaniwan ang relatibong estado ng hanay ng pagsingil ay 0%-100%, habang ang baterya ay 100% kapag ganap na na-charge at 0% kapag ganap na na-discharge. Ang ganap na estado ng pagsingil ay isang reference na halaga na kinakalkula ayon sa idinisenyong nakapirming halaga ng kapasidad kapag ang baterya ay ginawa. Ang ganap na estado ng pagsingil ng isang bagong-bagong bateryang ganap na na-charge ay 100%; at kahit na naka-charge na nang buo ang isang lumang baterya, hindi ito makakaabot ng 100% sa ilalim ng iba’t ibang kondisyon sa pag-charge at pagdiskarga.

Ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng kaugnayan sa pagitan ng boltahe at kapasidad ng baterya sa iba’t ibang mga rate ng paglabas. Kung mas mataas ang rate ng paglabas, mas mababa ang kapasidad ng baterya. Kapag mababa ang temperatura, bababa din ang kapasidad ng baterya.

Sa Figure 1.

Ang kaugnayan sa pagitan ng boltahe at kapasidad sa iba’t ibang mga rate ng paglabas at temperatura

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 Ganap na Naka-charge

Kapag ang pagkakaiba sa pagitan ng boltahe ng baterya at ng pinakamataas na boltahe sa pag-charge ay mas mababa sa 100mV, at ang kasalukuyang pag-charge ay bumaba sa C/10, ang baterya ay maaaring ituring na ganap na naka-charge. Iba-iba ang mga katangian ng baterya, at iba rin ang mga kondisyon ng full charge.

Ang figure sa ibaba ay nagpapakita ng tipikal na lithium battery charging characteristic curve. Kapag ang boltahe ng baterya ay katumbas ng pinakamataas na boltahe sa pag-charge at ang kasalukuyang pag-charge ay bumaba sa C/10, ang baterya ay itinuturing na ganap na naka-charge.

Figure 2. Lithium battery charging characteristic curve

1.4 Mini Discharging Voltage

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 Ganap na Paglabas

Kapag ang boltahe ng baterya ay mas mababa sa o katumbas ng pinakamababang boltahe ng discharge, maaari itong tawaging kumpletong discharge.

1.6 Charge and discharge rate (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 Ikot ng buhay

Ang bilang ng mga cycle ay ang dami ng beses na sumailalim ang isang baterya sa kumpletong pag-charge at pagdiskarga, na maaaring tantiyahin mula sa aktwal na kapasidad ng paglabas at kapasidad ng disenyo. Sa tuwing ang naipon na kapasidad sa paglabas ay katumbas ng kapasidad ng disenyo, ang bilang ng mga cycle ay isang beses. Karaniwan pagkatapos ng 500 cycle ng pag-charge-discharge, bumababa ng 10% ~ 20% ang kapasidad ng isang fully charged na baterya.

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

1.8 Self-Discharge

Ang self-discharge ng lahat ng baterya ay tumataas habang tumataas ang temperatura. Ang self-discharge ay karaniwang hindi isang depekto sa pagmamanupaktura, ngunit ang mga katangian ng baterya mismo. Gayunpaman, ang hindi wastong paghawak sa proseso ng pagmamanupaktura ay maaari ding maging sanhi ng pagtaas ng self-discharge. Sa pangkalahatan, dumodoble ang self-discharge rate para sa bawat 10°C na pagtaas ng temperatura ng baterya. Ang buwanang self-discharge ng mga lithium-ion na baterya ay humigit-kumulang 1~2%, habang ang buwanang self-discharge ng iba’t ibang nickel-based na baterya ay 10-15%.

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

2. Panimula sa Battery Fuel Gauge

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 Paraan ng boltahe ng bukas na circuit

The electricity meter using the open circuit voltage method is easier to implement, and it can be obtained by looking up the table corresponding to the state of charge of the open circuit voltage. The hypothetical condition of the open circuit voltage is the battery terminal voltage when the battery rests for about 30 minutes.

Under different load, temperature, and battery aging, the battery voltage curve will be different. Therefore, a fixed open-circuit voltmeter cannot fully represent the state of charge; the state of charge cannot be estimated by looking up the table alone. In other words, if the state of charge is estimated only by looking up the table, the error will be very large.

The following figure shows that the same battery voltage is under charge and discharge, and the state of charge found by the open circuit voltage method is very different.

Figure 5. Boltahe ng baterya sa ilalim ng pagcha-charge at pagdiskarga

Ang figure sa ibaba ay nagpapakita na ang estado ng singil ay lubhang nag-iiba sa ilalim ng iba’t ibang load sa panahon ng paglabas. Sa pangkalahatan, ang paraan ng boltahe ng bukas na circuit ay angkop lamang para sa mga system na may mababang mga kinakailangan para sa katumpakan ng estado ng singil, tulad ng paggamit ng mga lead-acid na baterya o hindi naaabala na mga supply ng kuryente sa mga sasakyan.

Figure 6. Boltahe ng baterya sa ilalim ng iba’t ibang mga pagkarga habang naglalabas

2.3 Paraan ng pagsukat ng Coulomb

Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng paraan ng pagsukat ng coulomb ay upang ikonekta ang isang detection resistor sa charging/discharging path ng baterya. Sinusukat ng ADC ang boltahe sa detection resistor at kino-convert ito sa kasalukuyang halaga ng baterya na sinisingil o dini-discharge. Ang real-time counter (RTC) ay nagbibigay ng pagsasama ng kasalukuyang halaga sa oras, upang malaman kung gaano karaming mga coulomb ang dumadaloy.

Figure 7. Pangunahing paraan ng pagtatrabaho ng paraan ng pagsukat ng Coulomb

Ang paraan ng pagsukat ng Coulomb ay maaaring tumpak na kalkulahin ang real-time na estado ng pagsingil habang nagcha-charge o nagdidischarge. Gamit ang charge coulomb counter at ang discharge coulomb counter, maaari nitong kalkulahin ang natitirang kapasidad (RM) at ang full charge capacity (FCC). Kasabay nito, ang natitirang kapasidad (RM) at ang buong kapasidad ng singil (FCC) ay maaari ding gamitin upang kalkulahin ang estado ng pagsingil, iyon ay (SOC = RM / FCC). Bilang karagdagan, maaari din nitong tantyahin ang natitirang oras, tulad ng power exhaustion (TTE) at full power (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Mayroong dalawang pangunahing salik na nagdudulot ng mga paglihis sa katumpakan ng paraan ng pagsukat ng Coulomb. Ang una ay ang akumulasyon ng mga error sa offset sa kasalukuyang sensing at pagsukat ng ADC. Kahit na ang error sa pagsukat sa kasalukuyang teknolohiya ay maliit pa rin, kung walang magandang paraan upang maalis ito, ang error ay tataas sa paglipas ng panahon. Ang figure sa ibaba ay nagpapakita na sa mga praktikal na aplikasyon, kung walang pagwawasto sa tagal ng oras, ang naipon na error ay walang limitasyon.

Figure 9. Cumulative error ng Coulomb measurement method

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.

Figure 10. Mga kondisyon para sa pag-aalis ng pinagsama-samang error ng paraan ng pagsukat ng Coulomb

Ang pangalawang pangunahing salik na nagiging sanhi ng paglihis ng katumpakan ng paraan ng pagsukat ng coulomb ay ang error sa full charge capacity (FCC), na siyang pagkakaiba sa pagitan ng halaga ng kapasidad ng disenyo ng baterya at ng tunay na kapasidad ng full charge ng baterya. Ang full charge capacity (FCC) ay maaapektuhan ng temperatura, pagtanda, pagkarga at iba pang salik. Samakatuwid, ang re-learning at compensation method ng full charge capacity ay napakahalaga para sa coulomb measurement method. Ang sumusunod na figure ay nagpapakita ng trend phenomenon ng state of charge error kapag ang buong kapasidad ng pagsingil ay na-overestimated at minamaliit.

Figure 11. Ang takbo ng error kapag ang buong kapasidad ng pagsingil ay na-overestimated at minamaliit

2.4 Dynamic na boltahe algorithm fuel gauge

Ang dynamic na boltahe algorithm fuel gauge ay maaaring kalkulahin ang estado ng singil ng baterya ng lithium batay lamang sa boltahe ng baterya. Ang pamamaraang ito ay upang tantiyahin ang pagtaas o pagbaba ng estado ng singil batay sa pagkakaiba sa pagitan ng boltahe ng baterya at ng boltahe ng bukas na circuit ng baterya. Ang impormasyon ng dynamic na boltahe ay maaaring epektibong gayahin ang pag-uugali ng baterya ng lithium upang matukoy ang estado ng pagsingil ng SOC (%), ngunit hindi matantya ng pamamaraang ito ang halaga ng kapasidad ng baterya (mAh).

Ang paraan ng pagkalkula nito ay batay sa dynamic na pagkakaiba sa pagitan ng boltahe ng baterya at boltahe ng bukas na circuit, sa pamamagitan ng paggamit ng isang umuulit na algorithm upang kalkulahin ang bawat pagtaas o pagbaba ng estado ng singil upang matantya ang estado ng pagsingil. Kung ikukumpara sa solusyon ng coulomb metering fuel gauge, ang dynamic na boltahe algorithm fuel gauge ay hindi mag-iipon ng mga error sa paglipas ng panahon at kasalukuyang. Ang pagsukat ng gasolina ng Coulomb ay kadalasang nagdudulot ng hindi tumpak na pagtatantya ng estado ng singil dahil sa kasalukuyang mga error sa pag-sensing at self-discharge ng baterya. Kahit na ang kasalukuyang sensing error ay napakaliit, ang coulomb counter ay patuloy na mag-iipon ng error, at ang naipon na error ay maaalis lamang kapag ito ay ganap na na-charge o ganap na na-discharge.

Tinatantya ng dynamic na boltahe algorithm fuel gauge ang estado ng singil ng baterya sa pamamagitan lamang ng impormasyon ng boltahe; dahil hindi ito tinatantya ng kasalukuyang impormasyon ng baterya, hindi ito nag-iipon ng mga error. Upang mapabuti ang katumpakan ng estado ng pagsingil, ang dynamic na boltahe algorithm ay kailangang gumamit ng isang aktwal na aparato, at ayusin ang mga parameter ng isang na-optimize na algorithm ayon sa aktwal na curve ng boltahe ng baterya kapag ito ay ganap na na-charge at ganap na na-discharge.

Figure 12. Pagganap ng dynamic na boltahe algorithm fuel gauge at gain optimization

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%.

Figure 13. Ang pagganap ng estado ng singil ng dynamic na boltahe algorithm sa ilalim ng iba’t ibang mga kondisyon ng discharge rate

Ipinapakita ng figure sa ibaba ang performance ng state of charge kapag short-charged at short-discharged ang baterya. Napakaliit pa rin ng state of charge error, at 3% lang ang maximum error.

Figure 14. Ang pagganap ng estado ng pagsingil ng dynamic na boltahe algorithm kapag ang baterya ay short-charged at short-discharged

Kung ikukumpara sa sitwasyon kung saan ang Coulomb metering fuel gauge ay kadalasang nagdudulot ng hindi tumpak na estado ng singil dahil sa kasalukuyang mga error sa sensing at self-discharge ng baterya, ang dynamic na boltahe algorithm ay hindi nag-iipon ng mga error sa paglipas ng panahon at kasalukuyang, na isang malaking kalamangan. Dahil walang impormasyon tungkol sa kasalukuyang charge/discharge, ang dynamic na boltahe algorithm ay may mahinang panandaliang katumpakan at mabagal na oras ng pagtugon. Bilang karagdagan, hindi nito matantya ang buong kapasidad ng pagsingil. Gayunpaman, mahusay itong gumaganap sa mga tuntunin ng pangmatagalang katumpakan, dahil ang boltahe ng baterya sa kalaunan ay direktang magpapakita ng estado ng pagsingil nito.