Soc può essere definito come lo stato di energia elettrica disponibile nella batteria, solitamente espresso in percentuale. Poiché l'energia elettrica disponibile varia con la corrente di carica e scarica, la temperatura e il fenomeno dell'invecchiamento, anche la definizione dello stato di carica è suddivisa in due tipi: stato di carica assoluto; ASOC) e Stato di carica relativo (stato di carica relativo; RSOC). Di solito, l'intervallo degli stati di carica relativa è compreso tra 0% e 100%, rispetto al 100% quando la batteria è completamente carica e allo 0% quando è completamente scarica. Lo stato di carica assoluto è un valore di riferimento calcolato dal valore di capacità fissa progettato al momento della produzione della batteria. Lo stato di carica assoluto di una batteria nuova, completamente ricaricabile, è del 100%; Una batteria invecchiata, anche se completamente carica, non raggiungerà il 100% in diverse condizioni di carica e scarica. La figura seguente mostra la relazione tra tensione e capacità della batteria a diverse velocità di scarica. Maggiore è la velocità di scarica, minore è la capacità della batteria. Quando la temperatura è bassa, anche la capacità della batteria diminuisce.

Figura. 1 . Relazione tra tensione e capacità a diverse velocità di scarica e temperature

1 .2 Tensione massima di carica
La tensione massima di carica è correlata alla composizione chimica e alle caratteristiche della batteria. La tensione di carica di una batteria ternaria agli ioni di litio (NMC) è generalmente di 4,2 V e 4,35 V, ma il valore della tensione varia a seconda delle prove del catodo e del tappetino anodico.

1 .3 Completamente carica

Una batteria può essere considerata completamente carica quando la differenza tra la tensione della batteria e la tensione massima di carica è inferiore a 100 mV e la corrente di carica è ridotta a C/10. Le condizioni per la ricarica completa variano a seconda delle caratteristiche della batteria.
La figura seguente mostra le caratteristiche di carica di una tipica batteria agli ioni di litio. Quando la tensione della batteria è uguale alla massima tensione di carica e la corrente di carica si riduce a C/10, la batteria è considerata completamente carica.

Figura 2. Curva caratteristica di carica della batteria al litio

1.4 Tensione minima di scarica (mini tensione di scarica)

La tensione di scarica più bassa può essere definita come la tensione di scarica di interruzione, solitamente la tensione per una carica dello 0%. Questo valore di tensione non è un valore fisso ma varia con il carico, la temperatura, l'invecchiamento o altro.

1.5 Scarica completa
Quando la tensione della batteria è inferiore o uguale alla tensione di scarica minima, si può dire che è completamente scarica.

1 .6 Velocità di carica e scarica (C-Rate)
La velocità di carica/scarica è una rappresentazione della corrente di carica/scarica relativa alla capacità della batteria. Ad esempio, se scarichi una batteria a 1C per un'ora, idealmente la batteria si scaricherà completamente. Differenti velocità di carica e scarica si tradurranno in diverse capacità disponibili. In generale, maggiore è la velocità di carica e scarica, minore è la capacità disponibile.

1 .7 Ciclo di vita
Il numero di cicli è il numero di volte in cui una batteria è stata completamente caricata e scaricata, che può essere stimata dalla capacità di scarica effettiva e dalla capacità di progetto. Ogni volta che la capacità di scarica cumulativa è uguale alla capacità di progetto, il numero di cicli è uno. Di solito dopo 500 cicli di carica e scarica, la capacità di una batteria completamente carica diminuisce dal 10% al 20%.

Figura 3. La relazione tra il numero di cicli c e la capacità della batteria

1 .8 Autoscarica
L'autoscarica di tutte le batterie aumenta con la temperatura. L'autoscarica non è un difetto di fabbricazione, ma una caratteristica della batteria stessa. Tuttavia, una manipolazione impropria durante la produzione può anche portare a un aumento dell'autoscarica. In generale, la velocità di autoscarica raddoppia ogni 10°C di aumento della temperatura della batteria. Il tasso di autoscarica delle batterie agli ioni di litio è di circa l'1~2% al mese, mentre quello delle batterie al nichel è del 10~15% al ​​mese.

FICO. 4 Prestazioni della velocità di autoscarica della batteria al litio a diverse temperature

2 . Introduzione del coulometro a batteria

2 .1 Introduzione alla funzione del coulometro

La gestione della batteria può essere considerata parte della gestione dell'alimentazione. Nella gestione della batteria, il coulometro è responsabile della stima della capacità della batteria. Le sue funzionalità di base possono monitorare la tensione, la corrente di carica/scarica e la temperatura della batteria e stimare lo stato di carica (SOC) della batteria e la capacità di carica completa (FCC) della batteria. Esistono due metodi tipici per stimare il SOC di una batteria: il metodo della tensione a circuito aperto (OCV) e il metodo di Coulomb. L'altro metodo è l'algoritmo di tensione dinamica progettato da RICHTEK.

2 .2 Metodo della tensione a circuito aperto
Con il metodo della tensione a circuito aperto del coulometro, il suo metodo di implementazione è semplice e può essere ottenuto dalla tensione a circuito aperto corrispondente allo stato di carica guardando la tabella. La condizione presunta della tensione a circuito aperto è la tensione del terminale della batteria quando la batteria rimane a riposo per circa più di 30 minuti.

La curva della tensione della batteria varia a seconda dei carichi, delle temperature e delle condizioni di invecchiamento della batteria. Pertanto, un voltmetro a circuito aperto fisso non può rappresentare completamente lo stato di carica; Lo stato di carica non può essere stimato semplicemente guardando il contatore. In altre parole, se lo stato di carica viene stimato solo guardando la tabella, l'errore sarà grande. La figura seguente mostra che la stessa tensione della batteria viene rispettivamente caricata e scaricata e il SOC ottenuto con il metodo della tensione a circuito aperto varia notevolmente.

Come si può vedere dalla figura seguente, c'è anche una grande differenza nello stato di carica sotto diversi carichi durante la scarica. Quindi, in sostanza, il metodo della tensione a circuito aperto è adatto solo per sistemi con bassi requisiti per l'accuratezza dello stato di carica, come batterie al piombo o gruppi di continuità utilizzati nelle automobili.

Per eliminare gli errori cumulativi, ci sono tre possibili momenti durante il normale funzionamento della batteria: fine carica (EOC), fine scarica (EOD) e Riposo (Relax). La condizione di fine carica indica che la batteria è completamente carica e il SOC dovrebbe essere al 100%. La condizione di fine carica indica che la batteria è stata completamente scaricata e lo stato di carica (SOC) dovrebbe essere 0%. Può essere un valore di tensione assoluto o varia con il carico. Quando raggiunge uno stato di riposo, la batteria non è né carica né scarica e rimane tale per lungo tempo. Se l'utente desidera utilizzare lo stato di riposo della batteria per la correzione dell'errore di misurazione di Coulomb, deve essere dotato di un voltmetro a circuito aperto in questo momento. La figura seguente mostra che l'errore di stato di carica può essere corretto nello stato precedente.


2 .3 Metodo di misura Coulomb
Il metodo Coulomb funziona collegando un resistore di rilevamento lungo il percorso di carica/scarica della batteria. L'ADC misura la tensione ai capi del resistore di rilevamento, che viene convertita nel valore di corrente al quale la batteria viene caricata o scaricata. Un contatore in tempo reale (RTC) fornisce un integrale di questo valore corrente rispetto al tempo per sapere quanti coulomb sono passati.

Figura 7. La modalità operativa di base della metrologia di Coulomb

Il metodo di misurazione di Coulomb può calcolare con precisione lo stato di carica in tempo reale nel processo di carica o scarica. Utilizzando il contatore di coulomb di carica e il contatore di coulomb di scarica, è possibile calcolare la capacità residua (RM) e la capacità di carica completa (FCC). Allo stesso tempo, la capacità residua (RM) e la capacità a pieno carico (FCC) possono essere utilizzate anche per calcolare lo stato di carica, ovvero (SOC = RM/FCC). Inoltre, può anche stimare il tempo rimanente, come l'esaurimento dell'energia (TTE) e la carica completa (TTF).

Due fattori principali causano la deviazione della precisione del metodo di misurazione di Coulomb. Il primo è l'accumulo di errori di offset nelle misurazioni elettriche e ADC. Sebbene l'errore di misurazione sia relativamente piccolo rispetto alla tecnologia attuale, se non esiste un buon metodo per eliminarlo, l'errore aumenterà con il tempo. La figura seguente mostra che in pratica se non vi è alcuna correzione nel tempo, non vi è alcun limite superiore all'errore cumulativo.

Per eliminare gli errori cumulativi, ci sono tre possibili momenti durante il normale funzionamento della batteria: fine carica (EOC), fine scarica (EOD) e Riposo (Relax). La condizione di fine carica indica che la batteria è completamente carica e il SOC dovrebbe essere al 100%. La condizione di fine carica indica che la batteria è stata completamente scaricata e lo stato di carica (SOC) dovrebbe essere 0%. Può essere un valore di tensione assoluto o varia con il carico. Quando raggiunge uno stato di riposo, la batteria non è né carica né scarica e rimane tale per lungo tempo. Se l'utente desidera utilizzare lo stato di riposo della batteria per la correzione dell'errore di misurazione di Coulomb, deve essere dotato di un voltmetro a circuito aperto in questo momento. La figura seguente mostra che l'errore di stato di carica può essere corretto nello stato precedente.

Il secondo fattore principale che contribuisce alla deviazione della precisione della misurazione di Coulomb è l'errore della capacità di carica completa (FCC), che è la differenza tra il valore della capacità di progetto della batteria e la capacità di carica completa effettiva della batteria. La capacità di carica completa (FCC) può essere influenzata da temperatura, invecchiamento, carico e altri fattori. Pertanto, i metodi di riapprendimento e compensazione della piena capacità di carica sono molto importanti per la misurazione di Coulomb. La figura seguente mostra la tendenza dell'errore dello stato di carica quando la capacità di carica completa è sovrastimata e sottostimata.

2 .4 Coulometro con algoritmo di tensione dinamica
Il coulometro con algoritmo di tensione dinamica può calcolare lo stato di carica di una batteria al litio basandosi esclusivamente sulla tensione della batteria. Questo metodo si basa sulla differenza tra la tensione della batteria e la tensione a circuito aperto della batteria per stimare la quantità crescente o decrescente dello stato di carica. Le informazioni sulla tensione dinamica possono simulare efficacemente il comportamento delle batterie al litio per determinare il SOC(%), ma questo metodo non è in grado di stimare la capacità della batteria (mAh).

Viene calcolato utilizzando un algoritmo iterativo per calcolare ogni aumento o diminuzione del SOC in base alla differenza dinamica tra la tensione della batteria e la tensione a circuito aperto per stimare il SOC. Contrariamente alla soluzione di Coulomb, il coulometro dell'algoritmo di tensione dinamica non accumula errori nel tempo e nella corrente. Il coulometro di Coulomb è spesso impreciso nella stima dello stato di carica a causa di errori di misurazione e autoscarica della batteria. Anche se l'errore di misurazione è molto piccolo, il contatore di Coulomb continua ad accumulare errori che possono essere eliminati solo caricando o scaricando completamente.

Il coulometro dell'algoritmo di tensione dinamica stima lo stato di carica della batteria solo in base alle informazioni sulla tensione. Poiché non è stimato dalle informazioni correnti della batteria, non accumula errori. Per migliorare la precisione dello stato di carica, l'algoritmo di tensione dinamica deve utilizzare un dispositivo reale, in base al quale l'effettiva curva di tensione della batteria a piena carica e condizioni di scarica completa per regolare i parametri di un algoritmo ottimizzato.

Di seguito sono riportate le prestazioni dell'algoritmo di tensione dinamica a diverse velocità di scarica. Come si può vedere dalla figura, il suo stato di carica è accurato. Indipendentemente dalle condizioni di scarica di C/2, C/4, C/7 e C/10, l'errore di stato complessivo di questo metodo è inferiore al 3%.

La figura seguente mostra le prestazioni dello stato di carica in condizioni di carica breve e scarica breve della batteria. L'errore dello stato di carica è ancora piccolo e l'errore massimo è solo del 3%.

FICO. 14. Prestazioni dell'algoritmo di tensione dinamica in caso di breve carica e breve scarica della batteria

Rispetto al coulometro di Coulomb, che di solito si traduce in uno stato di carica impreciso a causa di errori di misurazione e autoscarica delle batterie, l'algoritmo di tensione dinamica non accumula errori nel tempo e nella corrente, il che è un grande vantaggio. Poiché non ci sono informazioni sulla corrente di carica/scarica, l'algoritmo di tensione dinamica nella precisione a breve termine è scadente e il tempo di risposta è lento. Inoltre, non è in grado di stimare la capacità di carica completa. Tuttavia, funziona bene con precisione a lungo termine, poiché la tensione della batteria alla fine riflette direttamente il suo stato di carica.