Soc można zdefiniować jako stan dostępnej energii elektrycznej w akumulatorze, zwykle wyrażony w procentach. Ponieważ dostępna energia elektryczna zmienia się wraz z prądem ładowania i rozładowania, temperaturą i zjawiskiem starzenia, definicja stanu naładowania jest również podzielona na dwa typy: Absolutny stan naładowania; ASOC) i względny stan naładowania (względny stan naładowania; RSOC). Zwykle zakres względnych stanów naładowania wynosi 0% - 100%, w przeciwieństwie do 100%, gdy akumulator jest w pełni naładowany i 0%, gdy jest całkowicie rozładowany. Bezwzględny stan naładowania jest wartością referencyjną obliczoną na podstawie projektowanej stałej wartości pojemności podczas produkcji akumulatora. Bezwzględny stan naładowania nowej, w pełni ładowalnej baterii wynosi 100%; Starzejąca się bateria, nawet w pełni naładowana, nie osiągnie 100% w różnych warunkach ładowania i rozładowania. Poniższy rysunek przedstawia zależność między napięciem a pojemnością akumulatora przy różnych szybkościach rozładowania. Im wyższy stopień rozładowania, tym mniejsza pojemność akumulatora. Gdy temperatura jest niska, zmniejsza się również pojemność baterii.

Postać. 1. Zależność między napięciem a pojemnością przy różnych szybkościach rozładowania i temperaturach

1.2 Maksymalne napięcie ładowania
Maksymalne napięcie ładowania jest związane ze składem chemicznym i charakterystyką akumulatora. Napięcie ładowania trójskładnikowego akumulatora litowo-jonowego (NMC) wynosi zwykle 4,2 V i 4,35 V, ale wartość napięcia będzie się różnić w zależności od prób z matą katodową i anodową.

1.3 W pełni naładowany

Akumulator można uznać za w pełni naładowany, gdy różnica między napięciem akumulatora a maksymalnym napięciem ładowania jest mniejsza niż 100mV, a prąd ładowania jest zredukowany do C/10. Warunki pełnego naładowania różnią się w zależności od charakterystyki akumulatora.
Poniższy rysunek przedstawia charakterystykę ładowania typowego akumulatora litowo-jonowego. Gdy napięcie akumulatora jest równe maksymalnemu napięciu ładowania, a prąd ładowania spada do C/10, akumulator uważa się za w pełni naładowany.

Rysunek 2. Charakterystyka ładowania baterii litowej

1.4 Minimalne napięcie rozładowania (mini napięcie rozładowania)

Najniższe napięcie rozładowania można określić jako odcięte napięcie rozładowania, zwykle napięcie dla naładowania 0%. Ta wartość napięcia nie jest wartością stałą, ale zmienia się w zależności od obciążenia, temperatury, starzenia się lub innych czynników.

1.5 Całkowite rozładowanie
Gdy napięcie akumulatora jest mniejsze lub równe minimalnemu napięciu rozładowania, można powiedzieć, że akumulator jest całkowicie rozładowany.

1.6 Szybkość ładowania i rozładowania (współczynnik C)
Szybkość ładowania/rozładowania jest reprezentacją prądu ładowania/rozładowania w stosunku do pojemności akumulatora. Na przykład, jeśli rozładowujesz baterię w temperaturze 1C przez godzinę, w idealnym przypadku bateria rozładuje się całkowicie. Różne szybkości ładowania i rozładowania spowodują różne dostępne pojemności. Ogólnie rzecz biorąc, im wyższa szybkość ładowania i rozładowania, tym mniejsza dostępna pojemność.

1.7 Cykl życia
Liczba cykli to liczba pełnych naładowań i rozładowań akumulatora, którą można oszacować na podstawie rzeczywistej pojemności rozładowania i pojemności projektowej. Za każdym razem, gdy skumulowana pojemność rozładowania jest równa pojemności projektowej, liczba cykli wynosi jeden. Zwykle po 500 cyklach ładowania i rozładowania pojemność w pełni naładowanej baterii spada o 10% do 20%.

Rysunek 3. Zależność między liczbą c cykli a pojemnością baterii

1.8 Samorozładowanie
Samorozładowanie wszystkich akumulatorów wzrasta wraz z temperaturą. Samorozładowanie nie jest wadą produkcyjną, ale cechą charakterystyczną samego akumulatora. Jednak niewłaściwa obsługa podczas produkcji może również prowadzić do wzrostu samorozładowania. Ogólnie rzecz biorąc, tempo samorozładowania podwaja się przy każdym wzroście temperatury akumulatora o 10°C. Wskaźnik samorozładowania akumulatorów litowo-jonowych wynosi około 1 ~ 2% miesięcznie, podczas gdy akumulatorów niklowych wynosi 10 ~ 15% miesięcznie.

FIGA. 4 Wydajność samorozładowania baterii litowej w różnych temperaturach

2 . Wprowadzenie kulometru akumulatorowego

2.1 Wprowadzenie do funkcji kulometru

Zarządzanie baterią można uznać za część zarządzania energią. W zarządzaniu baterią kulometr odpowiada za oszacowanie pojemności baterii. Jego podstawowe funkcje obejmują monitorowanie napięcia, prądu ładowania/rozładowania i temperatury akumulatora oraz szacowanie stanu naładowania (SOC) akumulatora i pełnej pojemności ładowania (FCC) akumulatora. Istnieją dwie typowe metody szacowania SOC baterii: metoda napięcia w obwodzie otwartym (OCV) i metoda Coulomba. Drugą metodą jest dynamiczny algorytm napięciowy opracowany przez firmę RICHTEK.

2.2 Metoda napięcia obwodu otwartego
Dzięki metodzie kulometru z napięciem obwodu otwartego jego metoda implementacji jest łatwa i można ją uzyskać za pomocą napięcia obwodu otwartego odpowiadającego stanowi naładowania, patrząc w górę tabeli. Przyjętym stanem napięcia obwodu otwartego jest napięcie na zaciskach akumulatora, gdy akumulator pozostaje w spoczynku przez około 30 minut.

Krzywa napięcia akumulatora będzie różna dla różnych obciążeń, temperatur i warunków starzenia się akumulatora. Dlatego stały woltomierz obwodu otwartego nie może w pełni reprezentować stanu naładowania; Stanu naładowania nie można oszacować po prostu patrząc na miernik. Innymi słowy, jeśli stan naładowania zostanie oszacowany tylko na podstawie tabeli, błąd będzie duży. Poniższy rysunek pokazuje, że to samo napięcie akumulatora jest odpowiednio ładowane i rozładowywane, a SOC uzyskany metodą napięcia w obwodzie otwartym znacznie się różni.

Jak widać na poniższym rysunku, istnieje również duża różnica w stanie naładowania przy różnych obciążeniach podczas rozładowywania. Zasadniczo metoda napięcia w obwodzie otwartym jest odpowiednia tylko dla systemów o niskich wymaganiach co do dokładności stanu naładowania, takich jak akumulatory kwasowo-ołowiowe lub zasilacze awaryjne stosowane w samochodach.

Aby wyeliminować skumulowane błędy, istnieją trzy możliwe punkty w czasie podczas normalnej pracy akumulatora: koniec ładowania (EOC), koniec rozładowania (EOD) i odpoczynek (Relax). Stan końca ładowania wskazuje, że akumulator jest w pełni naładowany, a SOC powinien wynosić 100%. Stan końca ładowania wskazuje, że akumulator został całkowicie rozładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 0%. Może to być bezwzględna wartość napięcia lub zmieniać się wraz z obciążeniem. Po osiągnięciu stanu spoczynku akumulator nie jest ani ładowany, ani rozładowywany i pozostaje w tym stanie przez długi czas. Jeśli użytkownik chce wykorzystać stan spoczynku akumulatora do korekcji błędów pomiaru kulombowskiego, musi on być w tym czasie wyposażony w woltomierz obwodu otwartego. Poniższy rysunek pokazuje, że błąd stanu naładowania można skorygować w powyższym stanie.


2.3 Metoda pomiaru kulombowskiego
Metoda kulombowska polega na podłączeniu rezystora detekcyjnego wzdłuż ścieżki ładowania/rozładowania akumulatora. ADC mierzy napięcie na rezystorze wykrywającym, które jest konwertowane na wartość prądu, przy którym bateria jest ładowana lub rozładowywana. Licznik czasu rzeczywistego (RTC) zapewnia całkę tej bieżącej wartości w czasie, aby wiedzieć, ile kulombów przepłynęło.

Rysunek 7. Podstawowy tryb pracy metrologii kulombowskiej

Metoda pomiaru kulombowskiego może dokładnie obliczyć stan naładowania w czasie rzeczywistym w procesie ładowania lub rozładowywania. Korzystając z licznika kulombów ładunku i licznika kulombów rozładowania, można obliczyć pozostałą pojemność (RM) i pełną pojemność ładunku (FCC). Jednocześnie pojemność resztkową (RM) i pojemność w pełni naładowaną (FCC) można również wykorzystać do obliczenia stanu naładowania, a mianowicie (SOC = RM/FCC). Ponadto może również oszacować pozostały czas, taki jak wyczerpanie mocy (TTE) i pełne naładowanie (TTF).

Dwa główne czynniki powodują odchylenie dokładności metody pomiaru Coulomba. Pierwszym z nich jest nagromadzenie błędów przesunięcia w pomiarach elektrycznych i ADC. Chociaż błąd pomiaru jest stosunkowo mały przy obecnej technologii, jeśli nie ma dobrej metody jego wyeliminowania, błąd będzie się zwiększał z czasem. Poniższy rysunek pokazuje, że w praktyce, jeśli nie ma korekty w czasie, nie ma górnej granicy skumulowanego błędu.

Aby wyeliminować skumulowane błędy, istnieją trzy możliwe punkty w czasie podczas normalnej pracy akumulatora: koniec ładowania (EOC), koniec rozładowania (EOD) i odpoczynek (Relax). Stan końca ładowania wskazuje, że akumulator jest w pełni naładowany, a SOC powinien wynosić 100%. Stan końca ładowania wskazuje, że akumulator został całkowicie rozładowany, a stan naładowania (SOC) powinien wynosić 0%. Może to być bezwzględna wartość napięcia lub zmieniać się wraz z obciążeniem. Po osiągnięciu stanu spoczynku akumulator nie jest ani ładowany, ani rozładowywany i pozostaje w tym stanie przez długi czas. Jeśli użytkownik chce wykorzystać stan spoczynku akumulatora do korekcji błędów pomiaru kulombowskiego, musi on być w tym czasie wyposażony w woltomierz obwodu otwartego. Poniższy rysunek pokazuje, że błąd stanu naładowania można skorygować w powyższym stanie.

Drugim głównym czynnikiem wpływającym na odchylenie dokładności pomiaru kulombowskiego jest błąd pełnej pojemności ładowania (FCC), który jest różnicą między wartością projektowej pojemności akumulatora a rzeczywistą pojemnością pełnego naładowania akumulatora. Na pojemność pełnego naładowania (FCC) może mieć wpływ temperatura, starzenie się, obciążenie i inne czynniki. Dlatego metody ponownego uczenia się i kompensacji pełnej pojemności ładowania są bardzo ważne dla pomiaru Coulomba. Poniższy rysunek pokazuje tendencję błędu stanu naładowania, gdy pełna pojemność ładowania jest przeszacowana i niedoszacowana.

2.4 Kulometr z algorytmem dynamicznego napięcia
Kulometr z algorytmem dynamicznego napięcia może obliczać stan naładowania baterii litowej wyłącznie na podstawie napięcia baterii. Ta metoda opiera się na różnicy między napięciem akumulatora a napięciem obwodu otwartego akumulatora w celu oszacowania rosnącego lub malejącego stanu naładowania. Informacje o dynamicznym napięciu mogą skutecznie symulować zachowanie baterii litowych w celu określenia SOC (%), ale ta metoda nie jest w stanie oszacować pojemności baterii (mAh).

Jest obliczany za pomocą algorytmu iteracyjnego do obliczania każdego wzrostu lub spadku SOC na podstawie dynamicznej różnicy między napięciem akumulatora a napięciem obwodu otwartego w celu oszacowania SOC. W przeciwieństwie do rozwiązania kulombowskiego kulometr z algorytmem dynamicznego napięcia nie kumuluje błędów w czasie i prądzie. Kulometr Coulomba jest często niedokładny w ocenie stanu naładowania z powodu błędów pomiaru i samorozładowania akumulatora. Nawet jeśli błąd pomiaru jest bardzo mały, licznik Coulomba nadal gromadzi błędy, które można wyeliminować tylko przez pełne naładowanie lub rozładowanie.

Kulometr z algorytmem dynamicznego napięcia szacuje stan naładowania akumulatora wyłącznie na podstawie informacji o napięciu. Ponieważ nie jest szacowany na podstawie aktualnych informacji o akumulatorze, nie gromadzi błędów. Aby poprawić dokładność stanu naładowania, algorytm dynamicznego napięcia musi wykorzystywać rzeczywiste urządzenie, zgodnie z którym rzeczywista krzywa napięcia akumulatora w warunkach pełnego naładowania i pełnego rozładowania dostosowuje parametry zoptymalizowanego algorytmu.

Poniżej przedstawiono wydajność algorytmu dynamicznego napięcia przy różnych szybkościach rozładowania. Jak widać na rysunku, jego stan naładowania jest dokładny. Niezależnie od warunków rozładowania C/2, C/4, C/7 i C/10, całkowity błąd stanu tej metody jest mniejszy niż 3%.

Poniższy rysunek przedstawia zachowanie się stanu ładowania w warunkach krótkiego ładowania i krótkiego rozładowania akumulatora. Błąd stanu naładowania jest wciąż niewielki, a maksymalny błąd wynosi tylko 3%.

FIGA. 14. Wykonanie dynamicznego algorytmu napięciowego w przypadku krótkiego ładowania i krótkiego rozładowania akumulatora

W porównaniu z kulometrem kulombowskim, który zwykle skutkuje niedokładnym stanem naładowania z powodu błędów pomiaru i samorozładowania akumulatorów, algorytm dynamicznego napięcia nie kumuluje błędów w czasie i prądzie, co jest dużą zaletą. Ponieważ nie ma informacji o prądzie ładowania/rozładowania, algorytm dynamicznego napięcia w krótkoterminowej dokładności jest słaby, a czas odpowiedzi jest długi. Ponadto nie jest w stanie oszacować pełnej pojemności ładowania. Działa jednak dobrze z długoterminową dokładnością, ponieważ napięcie akumulatora ostatecznie bezpośrednio odzwierciedla jego stan naładowania.