1. Introduction to Lithium Ion Battery

1.1 State-Of-Charge (SOC)

Trạng thái tích điện có thể được định nghĩa là trạng thái của năng lượng điện có sẵn trong pin, thường được biểu thị bằng phần trăm. Bởi vì năng lượng điện có sẵn thay đổi theo hiện tượng tích điện và phóng điện, nhiệt độ và hiện tượng lão hóa, định nghĩa về trạng thái điện tích cũng được chia thành hai loại: Trạng thái tích điện tuyệt đối (ASOC) và Trạng thái điện tích tương đối (Trạng thái tương đối -Of-Charge; ASOC) State-Of-Charge; RSOC). Thông thường, trạng thái tương đối của phạm vi sạc là 0% -100%, trong khi pin là 100% khi sạc đầy và 0% khi xả đầy. Trạng thái tuyệt đối của điện tích là giá trị tham chiếu được tính theo giá trị dung lượng cố định được thiết kế khi pin được sản xuất. Trạng thái sạc tuyệt đối của pin mới được sạc đầy là 100%; và ngay cả khi pin cũ được sạc đầy, nó không thể đạt 100% trong các điều kiện sạc và xả khác nhau.

Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa điện áp và dung lượng pin ở các tốc độ phóng điện khác nhau. Tốc độ phóng điện càng cao thì dung lượng pin càng giảm. Khi nhiệt độ thấp, dung lượng pin cũng sẽ giảm.

Hình 1.

Mối quan hệ giữa điện áp và công suất ở các tốc độ phóng điện và nhiệt độ khác nhau

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 Đã sạc đầy

Khi sự khác biệt giữa điện áp pin và điện áp sạc cao nhất nhỏ hơn 100mV và dòng sạc giảm xuống C / 10, pin có thể được coi là đã sạc đầy. Các đặc tính của pin là khác nhau và điều kiện sạc đầy cũng khác nhau.

Hình dưới đây cho thấy một đường đặc tính sạc pin lithium điển hình. Khi điện áp của pin bằng điện áp sạc cao nhất và dòng sạc giảm xuống C / 10 thì pin được coi là đã sạc đầy.

Hình 2. Đường đặc tính sạc pin Lithium

1.4 Điện áp xả nhỏ

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 Xả hoàn toàn

Khi điện áp của pin nhỏ hơn hoặc bằng điện áp phóng điện tối thiểu, nó có thể được gọi là phóng điện hoàn toàn.

1.6 Tốc độ sạc và xả (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 Vòng đời

Số chu kỳ là số lần pin đã trải qua quá trình sạc và xả hoàn toàn, có thể được ước tính từ dung lượng xả thực tế và công suất thiết kế. Khi công suất phóng điện tích lũy bằng công suất thiết kế thì số chu kỳ là một lần. Thông thường sau 500 chu kỳ sạc-xả, dung lượng của pin đã sạc đầy sẽ giảm 10% ~ 20%.

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

1.8 Tự xả

Sự tự phóng điện của tất cả các pin tăng khi nhiệt độ tăng. Tự phóng điện về cơ bản không phải là một lỗi sản xuất, mà là các đặc điểm của chính pin. Tuy nhiên, việc xử lý không đúng cách trong quá trình sản xuất cũng có thể gây ra hiện tượng tự phóng điện tăng lên. Nói chung, tốc độ tự xả tăng gấp đôi sau mỗi lần tăng nhiệt độ pin 10 ° C. Mức tự xả hàng tháng của pin lithium-ion là khoảng 1 ~ 2%, trong khi mức tự xả hàng tháng của các loại pin làm từ niken khác nhau là 10-15%.

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

2. Giới thiệu về Máy đo nhiên liệu ắc quy

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 Phương pháp điện áp mạch hở

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.

Trong điều kiện tải, nhiệt độ và tuổi thọ pin khác nhau, đường cong điện áp của pin sẽ khác nhau. Vì vậy, một vôn kế mạch hở cố định không thể biểu thị đầy đủ trạng thái của điện tích; trạng thái phí không thể được ước tính bằng cách tra cứu bảng một mình. Nói cách khác, nếu ước lượng trạng thái cước chỉ bằng cách tra bảng thì sai số sẽ rất lớn.

Hình dưới đây cho thấy rằng cùng một điện áp pin đang được sạc và phóng điện, và trạng thái của điện tích được tìm thấy theo phương pháp điện áp mạch hở là rất khác nhau.

Hình 5. Điện áp ắc quy khi sạc và xả

Hình dưới đây cho thấy trạng thái của điện tích thay đổi rất nhiều dưới các tải khác nhau trong quá trình phóng điện. Vì vậy, về cơ bản, phương pháp điện áp mạch hở chỉ phù hợp với các hệ thống có yêu cầu thấp về độ chính xác của trạng thái tích điện, chẳng hạn như sử dụng ắc quy axit-chì hoặc nguồn điện liên tục trong ô tô.

Hình 6. Điện áp của acquy dưới các tải khác nhau trong quá trình phóng điện

2.3 Phương pháp đo Coulomb

Nguyên tắc hoạt động của phương pháp đo coulomb là kết nối một điện trở phát hiện trên đường sạc / xả của pin. ADC đo điện áp trên điện trở phát hiện và chuyển nó thành giá trị hiện tại của pin đang được sạc hoặc xả. Bộ đếm thời gian thực (RTC) cung cấp sự tích hợp của giá trị hiện tại với thời gian, để biết có bao nhiêu coulombs chảy qua.

Hình 7. Phương pháp làm việc cơ bản của phương pháp đo Coulomb

Phương pháp đo Coulomb có thể tính toán chính xác trạng thái thời gian thực của điện tích trong quá trình sạc hoặc xả. Với bộ đếm coulomb tích điện và bộ đếm coulomb phóng điện, nó có thể tính toán dung lượng còn lại (RM) và dung lượng sạc đầy (FCC). Đồng thời, dung lượng còn lại (RM) và dung lượng sạc đầy (FCC) cũng có thể được sử dụng để tính trạng thái sạc, nghĩa là (SOC = RM / FCC). Ngoài ra, nó cũng có thể ước tính thời gian còn lại, chẳng hạn như cạn kiệt nguồn (TTE) và đầy điện (TTF).

Figure 8. Calculation formula of Coulomb measurement method

Có hai yếu tố chính gây ra sai lệch về độ chính xác của phương pháp đo Coulomb. Đầu tiên là sự tích tụ của sai số bù trong đo lường cảm biến hiện tại và ADC. Mặc dù sai số đo với công nghệ hiện nay vẫn còn nhỏ nhưng nếu không có cách loại bỏ tốt thì sai số sẽ tăng dần theo thời gian. Hình dưới đây cho thấy rằng trong các ứng dụng thực tế, nếu không sửa chữa trong khoảng thời gian thì sai số tích lũy là không giới hạn.

Hình 9. Sai số cộng dồn của phương pháp đo Coulomb

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.

Hình 10. Các điều kiện để loại bỏ sai số tích lũy của phương pháp đo Coulomb

Yếu tố chính thứ hai gây ra sự sai lệch về độ chính xác của phương pháp đo coulomb là sai số dung lượng sạc đầy (FCC), là sự khác biệt giữa giá trị dung lượng thiết kế của pin và dung lượng sạc đầy thực của pin. Công suất sạc đầy (FCC) sẽ bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, lão hóa, tải và các yếu tố khác. Vì vậy, phương pháp học lại và bù dung lượng tích điện đầy đủ là rất quan trọng đối với phương pháp đo coulomb. Hình dưới đây cho thấy hiện tượng xu hướng của trạng thái báo lỗi khi dung lượng sạc đầy bị đánh giá quá cao và đánh giá thấp.

Hình 11. Xu hướng lỗi khi dung lượng sạc đầy được đánh giá quá thấp và bị đánh giá thấp

2.4 Máy đo nhiên liệu thuật toán điện áp động

Máy đo nhiên liệu theo thuật toán điện áp động có thể tính toán trạng thái sạc của pin lithium chỉ dựa trên điện áp của pin. Phương pháp này là để ước tính sự tăng hoặc giảm của trạng thái tích điện dựa trên sự chênh lệch giữa điện áp pin và điện áp mạch hở của pin. Thông tin điện áp động có thể mô phỏng hiệu quả hoạt động của pin lithium để xác định trạng thái sạc SOC (%), nhưng phương pháp này không thể ước tính giá trị dung lượng pin (mAh).

Phương pháp tính toán của nó dựa trên sự khác biệt động giữa điện áp pin và điện áp mạch hở, bằng cách sử dụng một thuật toán lặp để tính toán mỗi lần tăng hoặc giảm của trạng thái tích điện để ước tính trạng thái tích điện. So với giải pháp của đồng hồ đo nhiên liệu coulomb, đồng hồ đo nhiên liệu thuật toán điện áp động sẽ không tích lũy sai số theo thời gian và dòng điện. Đồng hồ đo nhiên liệu dạng Coulomb thường gây ra ước tính không chính xác về trạng thái sạc do lỗi cảm biến dòng điện và sự tự phóng điện của pin. Ngay cả khi lỗi cảm biến hiện tại là rất nhỏ, bộ đếm coulomb sẽ tiếp tục tích lũy lỗi và lỗi tích lũy chỉ có thể được loại bỏ khi nó được sạc đầy hoặc xả hết.

Máy đo nhiên liệu thuật toán điện áp động ước tính trạng thái sạc của pin chỉ bằng thông tin điện áp; bởi vì nó không được ước tính bởi thông tin hiện tại của pin, nó không tích lũy sai số. Để cải thiện độ chính xác của trạng thái sạc, thuật toán điện áp động cần sử dụng một thiết bị thực tế và điều chỉnh các thông số của thuật toán tối ưu hóa theo đường cong điện áp thực tế của pin khi nó được sạc đầy và xả hết.

Hình 12. Hiệu suất của máy đo nhiên liệu thuật toán điện áp động và tối ưu hóa độ lợi

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%.

Hình 13. Hiệu suất của trạng thái tích điện của thuật toán điện áp động trong các điều kiện tốc độ phóng điện khác nhau

Hình bên dưới cho thấy hiệu suất của trạng thái sạc khi pin được sạc ngắn và xả ngắn. Tình trạng lỗi sạc còn rất ít, sai số tối đa chỉ 3%.

Hình 14. Biểu diễn trạng thái tích điện của thuật toán điện áp động khi pin sạc ngắn và phóng điện ngắn

So với trường hợp đồng hồ đo nhiên liệu đo Coulomb thường gây ra trạng thái sạc không chính xác do lỗi cảm biến dòng điện và tự phóng điện của pin, thuật toán điện áp động không tích lũy sai số theo thời gian và dòng điện, đây là một ưu điểm lớn. Do không có thông tin về dòng sạc / xả, thuật toán điện áp động có độ chính xác ngắn hạn kém và thời gian phản hồi chậm. Ngoài ra, nó không thể ước tính dung lượng sạc đầy. Tuy nhiên, nó hoạt động tốt về độ chính xác lâu dài, vì điện áp pin cuối cùng sẽ phản ánh trực tiếp trạng thái sạc của nó.