1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Şarj durumu, genellikle yüzde olarak ifade edilen, bataryadaki mevcut elektrik enerjisinin durumu olarak tanımlanabilir. Kullanılabilir elektrik enerjisi şarj ve deşarj akımı, sıcaklık ve yaşlanma fenomenine göre değiştiğinden, şarj durumu tanımı da iki türe ayrılır: Mutlak Şarj Durumu (ASOC) ve Nispi Şarj Durumu (Göreceli Durum) -Şarj Durumu; ASOC) Şarj Durumu; RSOC). Normalde şarj aralığının bağıl durumu %0-100 arasındadır, pil tam şarj olduğunda %100 ve tamamen boşaldığında %0’dır. Mutlak şarj durumu, pil üretilirken tasarlanan sabit kapasite değerine göre hesaplanan bir referans değerdir. Yepyeni tam şarjlı bir pilin mutlak şarj durumu %100’dür; ve eskiyen bir pil tamamen şarj olsa bile farklı şarj ve deşarj koşullarında %100’e ulaşamaz.

Aşağıdaki şekil, farklı deşarj hızlarında voltaj ve akü kapasitesi arasındaki ilişkiyi göstermektedir. Deşarj hızı ne kadar yüksek olursa, pil kapasitesi o kadar düşük olur. Sıcaklık düşük olduğunda, pil kapasitesi de azalacaktır.

Şekil 1.

Farklı deşarj hızlarında ve sıcaklıklarda voltaj ve kapasite arasındaki ilişki

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 Tam Dolu

Akü voltajı ile en yüksek şarj voltajı arasındaki fark 100mV’den az olduğunda ve şarj akımı C/10’a düştüğünde, akü tam şarjlı olarak kabul edilebilir. Pil özellikleri farklıdır ve tam şarj koşulları da farklıdır.

Aşağıdaki şekil tipik bir lityum pil şarj etme karakteristik eğrisini göstermektedir. Akü voltajı en yüksek şarj voltajına eşit olduğunda ve şarj akımı C/10’a düştüğünde akü tam şarjlı olarak kabul edilir.

Şekil 2. Lityum pil şarj karakteristik eğrisi

1.4 Mini Boşaltma Gerilimi

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 Tam Deşarj

Akü voltajı, minimum deşarj voltajına eşit veya daha az olduğunda, tam deşarj olarak adlandırılabilir.

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 Döngü ömrü

Döngü sayısı, gerçek deşarj kapasitesi ve tasarım kapasitesinden tahmin edilebilen, bir pilin tam şarj ve deşarj olma sayısıdır. Birikmiş deşarj kapasitesi tasarım kapasitesine eşit olduğunda, çevrim sayısı bir defadır. Genellikle 500 şarj-deşarj döngüsünden sonra tam şarjlı bir pilin kapasitesi %10 ~ %20 düşer.

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

1.8 Kendi Kendine Deşarj

Sıcaklık arttıkça tüm pillerin kendi kendine deşarjı artar. Kendi kendine deşarj temelde bir üretim hatası değil, pilin kendisinin özellikleridir. Bununla birlikte, üretim sürecinde yanlış kullanım da kendi kendine deşarjda artışa neden olabilir. Genel olarak, pil sıcaklığındaki her 10°C’lik artış için kendi kendine deşarj oranı iki katına çıkar. Lityum iyon pillerin aylık kendi kendine boşalması yaklaşık %1~2 iken, çeşitli nikel bazlı pillerin aylık kendi kendine boşalması %10-15’tir.

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

2. Pil Yakıt Göstergesine Giriş

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 Açık devre voltaj yöntemi

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.

Şekil 5. Şarj ve deşarj sırasında akü voltajı

Aşağıdaki şekil, deşarj sırasında farklı yükler altında şarj durumunun büyük ölçüde değiştiğini göstermektedir. Bu nedenle, temel olarak, açık devre voltajı yöntemi, yalnızca otomobillerde kurşun asitli pillerin veya kesintisiz güç kaynaklarının kullanılması gibi şarj durumunun doğruluğu için düşük gereksinimleri olan sistemler için uygundur.

Şekil 6. Deşarj sırasında farklı yükler altında akü voltajı

2.3 Coulomb ölçüm yöntemi

Coulomb ölçüm yönteminin çalışma prensibi, pilin şarj/deşarj yoluna bir algılama direnci bağlamaktır. ADC, algılama direnci üzerindeki voltajı ölçer ve onu şarj edilen veya deşarj edilen pilin mevcut değerine dönüştürür. Gerçek zamanlı sayaç (RTC), kaç coulomb’un geçtiğini bilmek için mevcut değerin zamanla entegrasyonunu sağlar.

Şekil 7. Coulomb ölçüm yönteminin temel çalışma yöntemi

Coulomb ölçüm yöntemi, şarj veya deşarj sırasında gerçek zamanlı şarj durumunu doğru bir şekilde hesaplayabilir. Şarj Coulomb sayacı ve deşarj Coulomb sayacı ile kalan kapasiteyi (RM) ve tam şarj kapasitesini (FCC) hesaplayabilir. Aynı zamanda kalan kapasite (RM) ve tam şarj kapasitesi (FCC) şarj durumunu yani (SOC = RM / FCC) hesaplamak için de kullanılabilir. Ayrıca, güç tükenmesi (TTE) ve tam güç (TTF) gibi kalan süreyi de tahmin edebilir.

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Coulomb ölçüm yönteminin doğruluğunda sapmalara neden olan iki ana faktör vardır. Birincisi, akım algılama ve ADC ölçümünde ofset hatalarının birikmesidir. Mevcut teknoloji ile ölçüm hatası hala küçük olsa da, onu ortadan kaldırmanın iyi bir yolu yoksa, zamanla hata artacaktır. Aşağıdaki şekil, pratik uygulamalarda, zaman süresinde herhangi bir düzeltme yoksa, birikmiş hatanın sınırsız olduğunu göstermektedir.

Şekil 9. Coulomb ölçüm yönteminin kümülatif hatası

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.

Şekil 10. Coulomb ölçüm yönteminin kümülatif hatasını ortadan kaldırma koşulları

Coulomb ölçüm yönteminin doğruluğunun sapmasına neden olan ikinci ana faktör, pil tasarım kapasitesinin değeri ile pilin gerçek tam şarj kapasitesi arasındaki fark olan tam şarj kapasitesi (FCC) hatasıdır. Tam şarj kapasitesi (FCC) sıcaklık, yaşlanma, yük ve diğer faktörlerden etkilenecektir. Bu nedenle, tam şarj kapasitesinin yeniden öğrenilmesi ve telafisi yöntemi, Coulomb ölçüm yöntemi için çok önemlidir. Aşağıdaki şekil, tam şarj kapasitesi fazla tahmin edildiğinde ve eksik tahmin edildiğinde şarj durumu hatasının trend fenomenini göstermektedir.

Şekil 11. Tam şarj kapasitesi fazla tahmin edildiğinde ve eksik tahmin edildiğinde hata eğilimi

2.4 Dinamik voltaj algoritması yakıt göstergesi

Dinamik voltaj algoritması yakıt göstergesi, yalnızca pil voltajına dayalı olarak lityum pilin şarj durumunu hesaplayabilir. Bu yöntem, pil voltajı ile pilin açık devre voltajı arasındaki farka bağlı olarak şarj durumunun artmasını veya azalmasını tahmin etmektir. Dinamik voltaj bilgisi, şarj SOC (%) durumunu belirlemek için lityum pilin davranışını etkili bir şekilde simüle edebilir, ancak bu yöntem pil kapasite değerini (mAh) tahmin edemez.

Hesaplama yöntemi, şarj durumunu tahmin etmek için şarj durumundaki her artışı veya azalmayı hesaplamak için yinelemeli bir algoritma kullanarak akü voltajı ile açık devre voltajı arasındaki dinamik farka dayanır. Coulomb ölçüm yakıt göstergesinin çözümü ile karşılaştırıldığında, dinamik voltaj algoritması yakıt göstergesi, zaman ve akım üzerinden hata biriktirmeyecektir. Coulomb ölçüm yakıt göstergeleri, mevcut algılama hataları ve pilin kendi kendine boşalması nedeniyle genellikle şarj durumunun yanlış tahmin edilmesine neden olur. Akım algılama hatası çok küçük olsa bile, Coulomb sayacı hatayı biriktirmeye devam edecek ve biriken hata ancak tamamen şarj olduğunda veya tamamen boşaldığında ortadan kaldırılabilir.

Dinamik voltaj algoritması yakıt göstergesi, pilin şarj durumunu yalnızca voltaj bilgisi ile tahmin eder; akünün güncel bilgileri ile tahmin edilmediği için hata biriktirmez. Şarj durumunun doğruluğunu artırmak için, dinamik voltaj algoritmasının gerçek bir cihaz kullanması ve tam olarak şarj edildiğinde ve tamamen boşaldığında gerçek pil voltajı eğrisine göre optimize edilmiş bir algoritmanın parametrelerini ayarlaması gerekir.

Şekil 12. Dinamik voltaj algoritması yakıt göstergesi ve kazanç optimizasyonunun performansı

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%.

Şekil 13. Dinamik gerilim algoritmasının farklı deşarj hızı koşulları altında şarj durumunun performansı

Aşağıdaki şekil, pil kısa sürede şarj edildiğinde ve kısa sürede boşaldığında şarj durumunun performansını gösterir. Şarj durumu hatası hala çok küçük ve maksimum hata sadece %3.

Şekil 14. Pil kısa şarj ve kısa deşarj olduğunda dinamik voltaj algoritmasının şarj durumunun performansı

Coulomb ölçüm yakıt göstergesinin, akım algılama hataları ve pilin kendi kendine boşalması nedeniyle genellikle hatalı şarj durumuna neden olduğu durumla karşılaştırıldığında, dinamik voltaj algoritması zaman ve akım üzerinden hata biriktirmez, bu büyük bir avantajdır. Şarj/deşarj akımı hakkında hiçbir bilgi olmadığı için, dinamik voltaj algoritmasının kısa vadeli doğruluğu zayıf ve tepki süresi yavaştır. Ayrıca, tam şarj kapasitesini tahmin edemez. Bununla birlikte, pil voltajı sonunda doğrudan şarj durumunu yansıtacağından, uzun vadeli doğruluk açısından iyi bir performans sergiliyor.