Soc можно определить как состояние доступной электрической энергии в батарее, обычно выражаемое в процентах. Поскольку доступная электрическая энергия зависит от тока зарядки и разрядки, температуры и явления старения, определение состояния заряда также делится на два типа: абсолютное состояние заряда; ASOC) и Relative State-Of-Charge (относительное состояние заряда; RSOC). Обычно диапазон относительных состояний заряда составляет от 0% до 100%, в отличие от 100%, когда батарея полностью заряжена, и 0%, когда она полностью разряжена. Абсолютное состояние заряда является эталонным значением, рассчитанным на основе расчетного фиксированного значения емкости при изготовлении батареи. Абсолютный уровень заряда новой, полностью перезаряжаемой батареи составляет 100%; Старый аккумулятор, даже если он полностью заряжен, не достигнет 100% при различных условиях зарядки и разрядки. На рисунке ниже показана зависимость между напряжением и емкостью батареи при различных скоростях разряда. Чем выше скорость разряда, тем ниже емкость аккумулятора. При низкой температуре емкость батареи также уменьшается.

Фигура. 1 . Соотношение между напряжением и емкостью при различных скоростях разряда и температурах

1.2 Максимальное напряжение зарядки
Максимальное напряжение зарядки зависит от химического состава и характеристик батареи. Напряжение зарядки тройной литий-ионной батареи (NMC) обычно составляет 4,2 В и 4,35 В, но значение напряжения будет варьироваться в зависимости от испытаний катода и анода.

1 .3 Полностью заряжен

Аккумулятор можно считать полностью заряженным, когда разница между напряжением аккумулятора и максимальным напряжением заряда составляет менее 100 мВ, а ток заряда снижается до C/10. Условия полной зарядки зависят от характеристик аккумулятора.
На рисунке ниже показаны зарядные характеристики типичного литий-ионного аккумулятора. Когда напряжение батареи равно максимальному напряжению заряда, а ток заряда снижается до С/10, батарея считается полностью заряженной.

Рисунок 2. Зарядная характеристика литиевой батареи

1.4 Минимальное напряжение разряда (мини-разрядное напряжение)

Наименьшее напряжение разряда можно определить как предельное напряжение разряда, обычно это напряжение при 0% заряда. Это значение напряжения не является фиксированным значением, а зависит от нагрузки, температуры, старения и других факторов.

1.5 Полная разрядка
Когда напряжение батареи меньше или равно минимальному напряжению разрядки, можно сказать, что она полностью разряжена.

1.6 Скорость заряда и разряда (C-Rate)
Скорость заряда/разряда представляет собой отношение тока заряда/разряда к емкости аккумулятора. Например, если вы разряжаете аккумулятор на 1С в течение часа, в идеале аккумулятор разрядится полностью. Различные скорости заряда и разряда приведут к разным доступным емкостям. Как правило, чем выше скорость заряда и разряда, тем меньше доступная емкость.

1.7 Срок службы
Количество циклов — это количество раз, когда батарея полностью заряжалась и разряжалась, что можно оценить, исходя из фактической разрядной емкости и расчетной емкости. Каждый раз, когда кумулятивная разрядная мощность равна расчетной, количество циклов равно одному. Обычно после 500 циклов зарядки и разрядки емкость полностью заряженной батареи падает на 10-20%.

Рисунок 3. Зависимость между количеством циклов с и емкостью аккумулятора

1.8 Саморазряд
Саморазряд всех батарей увеличивается с повышением температуры. Саморазряд - это не производственный брак, а характеристика самой батареи. Однако неправильное обращение во время изготовления также может привести к увеличению саморазряда. Как правило, скорость саморазряда удваивается при повышении температуры батареи на каждые 10°C. Скорость саморазряда литий-ионных аккумуляторов составляет около 1–2% в месяц, а у никелевых аккумуляторов — 10–15% в месяц.

ИНЖИР. 4 Характеристики скорости саморазряда литиевой батареи при различных температурах

2 . Внедрение аккумуляторного кулонометра

2 .1 Описание функций кулонометра

Управление батареями можно рассматривать как часть управления питанием. В управлении батареями кулонометр отвечает за оценку емкости батареи. Его основные возможности позволяют отслеживать напряжение, ток заряда/разряда и температуру батареи, а также оценивать состояние заряда (SOC) батареи и полную емкость заряда (FCC) батареи. Существует два типичных метода оценки SOC батареи: метод напряжения холостого хода (OCV) и метод Кулона. Другой метод — алгоритм динамического напряжения, разработанный RICHTEK.

2.2 Метод напряжения холостого хода
При использовании метода измерения напряжения холостого хода кулонометра его метод реализации прост и может быть получен по напряжению холостого хода, соответствующему состоянию заряда, путем поиска в таблице. Предполагаемое состояние напряжения разомкнутой цепи — это напряжение на клеммах аккумулятора, когда аккумулятор находится в состоянии покоя более 30 минут.

Кривая напряжения батареи будет варьироваться в зависимости от нагрузки, температуры и условий старения батареи. Следовательно, фиксированный вольтметр холостого хода не может полностью отображать состояние заряда; Состояние заряда нельзя оценить, просто взглянув на счетчик. Другими словами, если состояние заряда оценивается только по таблице, ошибка будет большой. На рисунке ниже видно, что одинаковое напряжение батареи заряжается и разряжается соответственно, а SOC, полученное методом напряжения холостого хода, сильно различается.

Как видно из следующего рисунка, также имеется большая разница в состоянии заряда при разных нагрузках во время разряда. Таким образом, в основном метод напряжения холостого хода подходит только для систем с низкими требованиями к точности состояния заряда, таких как свинцово-кислотные аккумуляторы или источники бесперебойного питания, используемые в автомобилях.

Для устранения кумулятивных ошибок существует три возможных момента времени при нормальной работе батареи: окончание заряда (EOC), окончание разрядки (EOD) и отдых (Relax). Состояние завершения зарядки указывает на то, что аккумулятор полностью заряжен, а SOC должен составлять 100 %. Состояние завершения зарядки указывает на то, что батарея полностью разряжена, а уровень заряда (SOC) должен быть равен 0 %. Это может быть абсолютное значение напряжения или зависит от нагрузки. Когда он достигает состояния покоя, аккумулятор не заряжается и не разряжается и остается в таком состоянии в течение длительного времени. Если пользователь хочет использовать неактивное состояние батареи для коррекции погрешности измерения кулона, он должен быть оснащен вольтметром разомкнутой цепи в это время. На рисунке ниже показано, что ошибка состояния заряда может быть исправлена ​​в указанном выше состоянии.


2.3 Кулоновский метод измерения
Кулоновский метод заключается в подключении детекторного резистора вдоль пути заряда/разряда батареи. АЦП измеряет напряжение на резисторе обнаружения, которое преобразуется в текущее значение, при котором батарея заряжается или разряжается. Счетчик реального времени (RTC) обеспечивает интеграл этого текущего значения по времени, чтобы узнать, сколько кулонов прошло.

Рисунок 7. Основной рабочий режим кулоновской метрологии

Кулоновский метод измерения позволяет точно рассчитать состояние заряда в режиме реального времени в процессе зарядки или разрядки. Используя счетчик кулонов заряда и счетчик кулонов разряда, можно рассчитать оставшуюся емкость (RM) и полную емкость заряда (FCC). В то же время остаточная емкость (RM) и полностью заряженная емкость (FCC) также могут использоваться для расчета состояния заряда, а именно (SOC = RM/FCC). Кроме того, он также может оценить оставшееся время, такое как истощение мощности (TTE) и полная зарядка (TTF).

Два основных фактора вызывают отклонение точности кулоновского метода измерения. Во-первых, это накопление ошибок смещения в электрических измерениях и измерениях АЦП. Хотя погрешность измерения при использовании современной технологии относительно невелика, если нет хорошего метода ее устранения, погрешность со временем будет увеличиваться. На приведенном ниже рисунке показано, что на практике при отсутствии коррекции с течением времени верхний предел кумулятивной ошибки отсутствует.

Для устранения кумулятивных ошибок существует три возможных момента времени при нормальной работе батареи: окончание заряда (EOC), окончание разрядки (EOD) и отдых (Relax). Состояние завершения зарядки указывает на то, что аккумулятор полностью заряжен, а SOC должен составлять 100 %. Состояние завершения зарядки указывает на то, что батарея полностью разряжена, а уровень заряда (SOC) должен составлять 0 %. Это может быть абсолютное значение напряжения или зависит от нагрузки. Когда он достигает состояния покоя, аккумулятор не заряжается и не разряжается и остается в таком состоянии в течение длительного времени. Если пользователь хочет использовать неактивное состояние батареи для коррекции погрешности измерения кулона, он должен быть оснащен вольтметром разомкнутой цепи в это время. На рисунке ниже показано, что ошибка состояния заряда может быть исправлена ​​в указанном выше состоянии.

Вторым важным фактором, влияющим на отклонение точности кулоновского измерения, является ошибка полной емкости заряда (FCC), которая представляет собой разницу между значением расчетной емкости батареи и реальной емкостью полной зарядки батареи. На полную емкость заряда (FCC) могут влиять температура, старение, нагрузка и другие факторы. Поэтому методы переобучения и компенсации полной зарядной емкости очень важны для кулоновских измерений. На следующем рисунке показана тенденция ошибки состояния заряда, когда полная емкость заряда завышена и занижена.

2.4 Кулонометр с алгоритмом динамического напряжения
Кулонометр с алгоритмом динамического напряжения может рассчитать состояние заряда литиевой батареи исключительно на основе напряжения батареи. Этот метод основан на разнице между напряжением батареи и напряжением холостого хода батареи для оценки увеличения или уменьшения уровня заряда. Информация о динамическом напряжении может эффективно имитировать поведение литиевых батарей для определения SOC(%), но этот метод не позволяет оценить емкость батареи (мАч).

Он рассчитывается с использованием итеративного алгоритма для расчета каждого увеличения или уменьшения SOC на основе динамической разницы между напряжением батареи и напряжением холостого хода для оценки SOC. В отличие от кулоновского решения, кулонометр алгоритма динамического напряжения не накапливает ошибки по времени и току. Кулоновский кулонометр часто неточен в оценке состояния заряда из-за погрешностей измерения и саморазряда аккумулятора. Даже если погрешность измерения очень мала, кулоновский счетчик продолжает накапливать погрешности, устранить которые можно только полным зарядом или разрядом.

Кулонометр с алгоритмом динамического напряжения оценивает состояние заряда батареи только по информации о напряжении. Поскольку он не оценивается текущей информацией о батарее, он не накапливает ошибки. Для повышения точности состояния заряда алгоритм динамического напряжения должен использовать реальное устройство, в соответствии с которым фактическая кривая напряжения батареи в условиях полной зарядки и полной разрядки корректируется параметрами оптимизированного алгоритма.

Ниже приведена производительность алгоритма динамического напряжения при различных скоростях разряда. Как видно из рисунка, его состояние заряда точное. Независимо от условий разряда C/2, C/4, C/7 и C/10, общая ошибка состояния этого метода составляет менее 3%.

На следующем рисунке показаны характеристики состояния зарядки в условиях короткой зарядки и короткой разрядки аккумулятора. Погрешность состояния заряда пока небольшая, а максимальная погрешность всего 3%.

ИНЖИР. 14. Выполнение алгоритма динамического напряжения в случае короткого заряда и короткого разряда аккумулятора

По сравнению с кулоновым кулонометром, который обычно приводит к неточному состоянию заряда из-за ошибок измерения и саморазряда батарей, алгоритм динамического напряжения не накапливает ошибки во времени и токе, что является большим преимуществом. Поскольку информация о токе заряда/разряда отсутствует, алгоритм динамического напряжения с краткосрочной точностью неудовлетворителен, а время отклика медленное. Кроме того, он не может оценить полную емкость заряда. Однако он хорошо работает с долговременной точностью, поскольку напряжение батареи в конечном итоге напрямую отражает состояние ее заряда.