1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 Стан заряджання (SOC)

Стан заряду можна визначити як стан доступної електричної енергії в акумуляторі, зазвичай виражається у відсотках. Оскільки доступна електрична енергія змінюється залежно від струму заряду та розряду, температури та явищ старіння, визначення стану заряду також поділяється на два типи: абсолютний стан заряду (ASOC) і відносний стан заряду (відносний стан). ASOC) стан заряду; РНКЦ). Зазвичай відносний діапазон заряду становить 0%-100%, тоді як батарея становить 100% при повному зарядженні і 0% при повному розрядженні. Абсолютний стан заряду є опорним значенням, розрахованим відповідно до проектного значення фіксованої ємності при виготовленні батареї. Абсолютний стан зарядженості нової повністю зарядженої батареї становить 100%; і навіть якщо застарілий акумулятор повністю заряджений, він не може досягти 100% за різних умов заряджання та розрядження.

На малюнку нижче показано співвідношення між напругою та ємністю акумулятора при різних швидкостях розряду. Чим вище швидкість розряду, тим менше ємність акумулятора. При низькій температурі ємність акумулятора також зменшується.

Малюнок 1.

Взаємозв’язок між напругою і ємністю при різних швидкостях розряду і температурах

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 Повністю заряджений

Коли різниця між напругою батареї та найвищою напругою зарядки становить менше 100 мВ, а зарядний струм падає до C/10, акумулятор можна вважати повністю зарядженим. Характеристики акумулятора відрізняються, і умови повної зарядки також різні.

На малюнку нижче показано типову характеристику зарядки літієвої батареї. Коли напруга акумулятора дорівнює найвищій зарядній напрузі, а зарядний струм падає до C/10, акумулятор вважається повністю зарядженим.

Рисунок 2. Характеристика зарядки літієвої батареї

1.4 Міні розрядна напруга

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 Повна розрядка

Коли напруга акумулятора менше або дорівнює мінімальній напрузі розряду, це можна назвати повним розрядом.

1.6 Швидкість заряду та розряду (C-Rate)

Швидкість заряду-розряду є виразом струму заряду-розряду відносно ємності акумулятора. Наприклад, якщо 1С використовувати для розрядки протягом однієї години, в ідеалі акумулятор буде повністю розряджений. Різні швидкості заряду та розряду призведуть до різної корисної потужності. Як правило, чим більше швидкість заряду-розряду, тим менша ємність.

1.7 Тривалість циклу

Кількість циклів – це кількість повних зарядок і розрядів акумулятора, яке можна оцінити з фактичної розрядної та проектної ємності. Коли накопичена ємність розряду дорівнює проектній, кількість циклів дорівнює одноразовому. Зазвичай після 500 циклів зарядки-розрядки ємність повністю зарядженого акумулятора падає на 10-20%.

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

1.8 Саморозряд

При підвищенні температури саморозряд всіх акумуляторів збільшується. Саморозряд – це в основному не виробничий дефект, а характеристики самої батареї. Однак неправильне поводження в процесі виробництва також може викликати збільшення саморозряду. Як правило, швидкість саморозряду подвоюється на кожні 10°C підвищення температури батареї. Місячний саморозряд літій-іонних акумуляторів становить близько 1~2%, тоді як місячний саморозряд різних акумуляторів на основі нікелю становить 10-15%.

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

2. Знайомство з датчиком рівня палива в акумуляторі

2.1 Вступ до функції датчика палива

Керування батареєю можна розглядати як частину управління живленням. При управлінні батареєю датчик палива відповідає за оцінку ємності акумулятора. Його основна функція полягає в контролі напруги, струму заряду/розряду та температури акумулятора, а також оцінка стану заряду акумулятора (SOC) і повної зарядної ємності акумулятора (FCC). Існує два типових методи оцінки стану заряду батареї: метод напруги холостого ходу (OCV) і кулометричний метод. Іншим методом є алгоритм динамічної напруги, розроблений RICHTEK.

2.2 Метод напруги холостого ходу

Лічильник електроенергії за методом напруги розімкнутого ланцюга легше реалізувати, і його можна отримати, переглянувши таблицю, що відповідає стану заряду напруги розімкненого ланцюга. Гіпотетична умова напруги розімкнутого ланцюга – це напруга на клемах акумулятора, коли батарея відпочиває приблизно 30 хвилин.

При різному навантаженні, температурі та старінні акумулятора крива напруги акумулятора буде різною. Тому вольтметр із фіксованим розімкненим ланцюгом не може повністю відобразити стан заряду; стан заряду неможливо оцінити, переглядаючи лише таблицю. Іншими словами, якщо оцінити стан заряду лише шляхом перегляду таблиці, похибка буде дуже великою.

На наступному малюнку показано, що одна і та ж напруга батареї знаходиться під зарядом і розрядженням, а стан заряду, знайдений методом напруги розімкнутого ланцюга, дуже відрізняється.

Рисунок 5. Напруга акумулятора під час зарядки та розрядки

На малюнку нижче показано, що стан заряду сильно змінюється при різних навантаженнях під час розряду. Таким чином, в основному метод напруги розімкнутого ланцюга підходить лише для систем з низькими вимогами до точності стану заряду, таких як використання свинцево-кислотних акумуляторів або джерел безперебійного живлення в автомобілях.

Рисунок 6. Напруга акумулятора при різних навантаженнях під час розряду

2.3 Кулонівський метод вимірювання

Принцип дії кулоновського методу вимірювання полягає в підключенні детекторного резистора на шляху зарядки/розрядки батареї. АЦП вимірює напругу на резисторе виявлення і перетворює його в поточне значення акумулятора, що заряджається або розряджається. Лічильник реального часу (RTC) забезпечує інтеграцію поточного значення з часом, щоб знати, скільки кулонів протікає.

Рисунок 7. Основний робочий метод кулоновського методу вимірювання

Кулонівський метод вимірювання дозволяє точно розрахувати стан заряду в реальному часі під час зарядки або розрядки. За допомогою лічильника кулонів заряду та лічильника кулонів розряду він може обчислити ємність, що залишилася (RM) і повну ємність заряду (FCC). У той же час ємність, що залишилася (RM) і повна ємність заряду (FCC) також можна використовувати для обчислення стану заряду, тобто (SOC = RM / FCC). Крім того, він також може оцінити час, що залишився, наприклад, вичерпання потужності (TTE) і повна потужність (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Існують два основні фактори, які викликають відхилення в точності кулоновського методу вимірювання. Перший – це накопичення похибок зміщення при вимірюванні струму та вимірюванні АЦП. Хоча похибка вимірювання з нинішньою технологією все ще невелика, якщо немає хорошого способу її усунути, похибка з часом буде збільшуватися. На малюнку нижче показано, що в практичних застосуваннях, якщо немає корекції тривалості часу, накопичена помилка необмежена.

Рисунок 9. Кумулятивна похибка кулоновського методу вимірювання

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.

Рисунок 10. Умови усунення кумулятивної похибки кулоновського методу вимірювання

Другим основним фактором, що спричиняє відхилення точності кулонівського методу вимірювання, є похибка повної зарядної ємності (FCC), яка є різницею між значенням проектної ємності батареї та справжньою повною ємністю заряду батареї. Повна ємність заряду (FCC) буде залежати від температури, старіння, навантаження та інших факторів. Тому метод повторного навчання та компенсації повної зарядної ємності дуже важливий для кулонівського методу вимірювання. На наступному малюнку показано тенденційне явище помилки стану заряду, коли повна зарядна ємність завищена та занижена.

Рисунок 11. Тенденція помилки, коли повна зарядна ємність завищена та занижена

2.4 Алгоритм динамічної напруги датчик палива

Алгоритм динамічного вимірювання напруги може розрахувати стан заряду літієвої батареї тільки на основі напруги батареї. Цей метод полягає в оцінці збільшення або зменшення стану заряду на основі різниці між напругою акумулятора та напругою холостого ходу батареї. Інформація про динамічну напругу може ефективно моделювати поведінку літієвої батареї для визначення стану заряду SOC (%), але цей метод не може оцінити значення ємності акумулятора (мАг).

Його метод розрахунку заснований на динамічній різниці між напругою акумулятора та напругою розімкнутого ланцюга за допомогою ітераційного алгоритму для обчислення кожного збільшення або зменшення стану заряду для оцінки стану заряду. У порівнянні з рішенням кулонівського вимірювача палива, алгоритм динамічного вимірювання напруги паливного датчика не накопичуватиме похибок за часом і струмом. Кулонівські датчики палива зазвичай викликають неточну оцінку стану заряду через помилки визначення струму та саморозряду батареї. Навіть якщо помилка визначення струму дуже мала, лічильник кулонов продовжуватиме накопичувати помилку, і накопичену помилку можна усунути лише тоді, коли він повністю заряджений або повністю розряджений.

Алгоритм динамічної напруги вимірювач палива оцінює стан заряду акумулятора тільки за інформацією про напругу; оскільки він не оцінюється поточною інформацією батареї, він не накопичує помилок. Щоб підвищити точність стану заряду, алгоритм динамічної напруги повинен використовувати реальний пристрій і налаштувати параметри оптимізованого алгоритму відповідно до кривої фактичної напруги акумулятора, коли він повністю заряджений і повністю розряджений.

Рисунок 12. Оптимізація роботи алгоритму динамічної напруги датчика палива та підсилення

Нижче наведено роботу алгоритму динамічної напруги за різних умов швидкості розряду. З малюнка видно, що його стан заряду має хорошу точність. Незалежно від умов розряду C/2, C/4, C/7 і C/10, загальна похибка стану заряду цього методу становить менше 3%.

Рисунок 13. Продуктивність стану заряду алгоритму динамічної напруги за різних умов швидкості розряду

На малюнку нижче показано продуктивність стану заряду, коли акумулятор короткозаряджений і коротко розряджений. Похибка стану заряду все ще дуже мала, а максимальна похибка становить лише 3%.

Рисунок 14. Продуктивність стану заряду алгоритму динамічної напруги при короткозарядженій та короткорозрядній батареї

У порівнянні з ситуацією, коли кулоновський датчик палива зазвичай викликає неточний стан заряду через помилки визначення струму та саморозряду батареї, алгоритм динамічної напруги не накопичує помилок з часом і струмом, що є великою перевагою. Оскільки немає інформації про струм заряду/розряду, алгоритм динамічної напруги має низьку короткочасну точність і повільний час відгуку. Крім того, він не може оцінити повну ємність заряду. Однак він добре працює з точки зору довготривалої точності, оскільки напруга батареї в кінцевому підсумку безпосередньо відображатиме її стан заряду.