يمكن تعريف Soc على أنه حالة الطاقة الكهربائية المتاحة في البطارية ، وعادة ما يتم التعبير عنها كنسبة مئوية. نظرًا لأن الطاقة الكهربائية المتاحة تختلف باختلاف تيار الشحن والتفريغ ودرجة الحرارة وظاهرة الشيخوخة ، فإن تعريف حالة الشحن ينقسم أيضًا إلى نوعين: حالة الشحن المطلقة ؛ ASOC) وحالة الشحن النسبية (الحالة النسبية للشحن ؛ RSOC). عادةً ما يكون نطاق حالات الشحن النسبية من 0٪ إلى 100٪ ، مقابل 100٪ عندما تكون البطارية مشحونة بالكامل و 0٪ عند تفريغها بالكامل. حالة الشحن المطلقة هي قيمة مرجعية محسوبة من قيمة السعة الثابتة المصممة عند تصنيع البطارية. حالة الشحن المطلقة للبطارية الجديدة القابلة لإعادة الشحن بالكامل هي 100٪ ؛ بطارية قديمة ، حتى لو كانت مشحونة بالكامل ، لن تصل إلى 100٪ في ظل ظروف الشحن والتفريغ المختلفة. يوضح الشكل أدناه العلاقة بين الجهد وسعة البطارية بمعدلات تفريغ مختلفة. كلما زاد معدل التفريغ ، انخفضت سعة البطارية. عندما تكون درجة الحرارة منخفضة ، تقل سعة البطارية أيضًا.

شكل. 1. العلاقة بين الجهد والسعة بمعدلات تفريغ ودرجات حرارة مختلفة

1 .2 الحد الأقصى لجهد الشحن
يرتبط الحد الأقصى لجهد الشحن بالتركيب الكيميائي للبطارية وخصائصها. عادةً ما يكون جهد الشحن لبطارية ليثيوم أيون ثلاثية (NMC) 4.2 فولت و 4.35 فولت ، لكن قيمة الجهد ستختلف اعتمادًا على تجارب حصيرة الكاثود والأنود.

1 .3 مشحونة بالكامل

يمكن اعتبار البطارية مشحونة بالكامل عندما يكون الفرق بين جهد البطارية والجهد الأقصى للشحن أقل من 100 مللي فولت ويتم تقليل تيار الشحن إلى C / 10. تختلف شروط الشحن الكامل حسب خصائص البطارية.
يوضح الشكل أدناه خصائص الشحن لبطارية ليثيوم أيون نموذجية. عندما يكون جهد البطارية مساويًا لجهد الشحن الأقصى ويتم تقليل تيار الشحن إلى C / 10 ، تعتبر البطارية مشحونة بالكامل.

الشكل 2. شحن منحنى مميز لبطارية الليثيوم

1 .4 الحد الأدنى لجهد التفريغ (جهد تفريغ صغير)

يمكن تعريف أدنى جهد تفريغ على أنه جهد تفريغ القطع ، وعادة ما يكون الجهد لشحنة 0٪. قيمة الجهد هذه ليست قيمة ثابتة ولكنها تختلف باختلاف الحمل أو درجة الحرارة أو التقادم أو غير ذلك.

1-5 التفريغ الكامل
عندما يكون جهد البطارية أقل من أو يساوي الحد الأدنى لجهد التفريغ ، يمكن القول أنه تم تفريغه بالكامل.

1. 6 الشحن والتفريغ R أكل (C-Rate)
معدل الشحن / التفريغ هو تمثيل لتيار الشحن / التفريغ بالنسبة إلى سعة البطارية. على سبيل المثال ، إذا قمت بتفريغ البطارية عند درجة حرارة 1 درجة مئوية لمدة ساعة ، فمن الأفضل أن يتم تفريغ البطارية تمامًا. ستؤدي معدلات الشحن والتفريغ المختلفة إلى سعات مختلفة متاحة. بشكل عام ، كلما ارتفع معدل الشحن والتفريغ ، قلت السعة المتاحة.

1 .7 دورة الحياة
عدد الدورات هو عدد المرات التي تم فيها شحن البطارية وتفريغها بالكامل ، والذي يمكن تقديره من سعة التفريغ الفعلية وسعة التصميم. في كل مرة تكون سعة التفريغ التراكمية مساوية لسعة التصميم ، يكون عدد الدورات واحدًا. عادةً بعد 500 دورة شحن وتفريغ ، تنخفض سعة البطارية المشحونة بالكامل بنسبة 10٪ إلى 20٪.

الشكل 3. العلاقة بين عدد الدورات وسعة البطارية

1 .8 التفريغ الذاتي يزداد
التفريغ الذاتي لجميع البطاريات مع زيادة درجة الحرارة. التفريغ الذاتي ليس عيبًا في التصنيع ، ولكنه سمة من سمات البطارية نفسها. ومع ذلك ، فإن التعامل غير السليم أثناء التصنيع يمكن أن يؤدي أيضًا إلى زيادة التفريغ الذاتي. بشكل عام ، يتضاعف معدل التفريغ الذاتي لكل زيادة بمقدار 10 درجات مئوية في درجة حرارة البطارية. يبلغ معدل التفريغ الذاتي لبطاريات الليثيوم أيون حوالي 1 ~ 2٪ شهريًا ، بينما يبلغ معدل التفريغ الذاتي لبطاريات النيكل 10 ~ 15٪ شهريًا.

تين. 4 أداء معدل التفريغ الذاتي لبطارية الليثيوم في درجات حرارة مختلفة

2. إدخال مقياس الكولومتر للبطارية

2 .1 إدخال وظيفة من مقياس الكولومتر

يمكن اعتبار إدارة البطارية كجزء من إدارة الطاقة. في إدارة البطارية ، يكون مقياس الكولومتر مسؤولاً عن تقدير سعة البطارية. يمكن لإمكانياتها الأساسية مراقبة الجهد ، تيار الشحن / التفريغ ، ودرجة حرارة البطارية ، وتقدير حالة الشحن (SOC) للبطارية وسعة الشحن الكاملة (FCC) للبطارية. هناك طريقتان نموذجيتان لتقدير SOC للبطارية: طريقة جهد الدائرة المفتوحة (OCV) وطريقة كولوم. الطريقة الأخرى هي خوارزمية الجهد الديناميكي التي صممها RICHTEK.

2 .2 طريقة جهد الدائرة المفتوحة
باستخدام طريقة جهد الدائرة المفتوحة لمقياس الكولوميتر ، تكون طريقة تنفيذها سهلة ويمكن الحصول عليها من خلال جهد الدائرة المفتوحة المقابل لحالة الشحن من خلال البحث عن الجدول. الحالة المفترضة لجهد الدائرة المفتوحة هي الجهد الطرفي للبطارية عندما تستقر البطارية لأكثر من 30 دقيقة تقريبًا.

يختلف منحنى جهد البطارية باختلاف الأحمال ودرجات الحرارة وظروف تقادم البطارية. لذلك ، لا يمكن لمقياس الفولتميتر ذو الدائرة المفتوحة الثابتة أن يمثل حالة الشحن بالكامل ؛ لا يمكن تقدير حالة الشحن بمجرد البحث عن العداد. بمعنى آخر ، إذا تم تقدير حالة الشحن فقط من خلال البحث في الجدول ، فسيكون الخطأ كبيرًا. يوضح الشكل أدناه أن نفس جهد البطارية يتم شحنه وتفريغه على التوالي ، وأن SOC الذي تم الحصول عليه بواسطة طريقة جهد الدائرة المفتوحة يختلف اختلافًا كبيرًا.

كما يتضح من الشكل التالي ، هناك أيضًا اختلاف كبير في حالة الشحن تحت الأحمال المختلفة أثناء التفريغ. لذلك ، فإن طريقة جهد الدائرة المفتوحة مناسبة فقط للأنظمة ذات المتطلبات المنخفضة لدقة حالة الشحن ، مثل بطاريات الرصاص الحمضية أو إمدادات الطاقة غير المنقطعة المستخدمة في السيارات.

للتخلص من الأخطاء التراكمية ، هناك ثلاث نقاط زمنية محتملة أثناء التشغيل العادي للبطارية: نهاية الشحن (EOC) ، ونهاية التفريغ (EOD) ، والراحة (الاسترخاء). تشير حالة انتهاء الشحن إلى أن البطارية مشحونة بالكامل وأن SOC يجب أن يكون 100٪. تشير حالة الشحن النهائي إلى أن البطارية فارغة تمامًا وأن حالة الشحن (SOC) يجب أن تكون 0٪. يمكن أن تكون قيمة جهد مطلقة أو تختلف مع الحمل. عندما تصل إلى حالة السكون ، لا يتم شحن البطارية أو تفريغها وتظل على هذا النحو لفترة طويلة. إذا أراد المستخدم استخدام حالة البطارية المتبقية لتصحيح خطأ قياس الكولوم ، فيجب أن يكون مزودًا بمقياس الفولتميتر الدائرة المفتوحة في هذا الوقت. يوضح الشكل أدناه أنه يمكن تصحيح حالة خطأ الشحن في الحالة أعلاه.


2 .3 طريقة التخفيف C oulomb m
تعمل طريقة Coulomb عن طريق توصيل المقاوم للكشف على طول مسار شحن / تفريغ البطارية. يقيس ADC الجهد عبر المقاوم للكشف ، والذي يتم تحويله إلى القيمة الحالية التي يتم بها شحن البطارية أو تفريغها. يوفر عداد الوقت الفعلي (RTC) جزءًا لا يتجزأ من هذه القيمة الحالية مقابل الوقت لمعرفة عدد الكولوم التي تتدفق عبرها.

الشكل 7. طريقة العمل الأساسية لمترولوجيا كولوم

يمكن لطريقة قياس الكولوم أن تحسب بدقة حالة الشحن في الوقت الفعلي في عملية الشحن أو التفريغ. باستخدام عداد كولوم الشحن وعداد كولوم التفريغ ، يمكن حساب السعة المتبقية (RM) وسعة الشحن الكاملة (FCC). في الوقت نفسه ، يمكن أيضًا استخدام السعة المتبقية (RM) والسعة المشحونة بالكامل (FCC) لحساب حالة الشحن ، أي (SOC = RM / FCC). بالإضافة إلى ذلك ، يمكنه أيضًا تقدير الوقت المتبقي ، مثل نفاد الطاقة (TTE) والشحن الكامل (TTF).

هناك عاملان رئيسيان يتسببان في انحراف الدقة في طريقة قياس كولوم. الأول هو تراكم أخطاء الإزاحة في القياسات الكهربائية وقياسات ADC. على الرغم من أن خطأ القياس صغير نسبيًا وفقًا للتكنولوجيا الحالية ، إذا لم تكن هناك طريقة جيدة لإزالته ، فسوف يزداد الخطأ بمرور الوقت. يوضح الشكل أدناه أنه من الناحية العملية إذا لم يكن هناك تصحيح بمرور الوقت ، فلا يوجد حد أعلى للخطأ التراكمي.

للتخلص من الأخطاء التراكمية ، هناك ثلاث نقاط زمنية محتملة أثناء التشغيل العادي للبطارية: نهاية الشحن (EOC) ، ونهاية التفريغ (EOD) ، والراحة (الاسترخاء). تشير حالة انتهاء الشحن إلى أن البطارية مشحونة بالكامل وأن SOC يجب أن يكون 100٪. تشير حالة الشحن النهائي إلى أن البطارية فارغة تمامًا وأن حالة الشحن (SOC) يجب أن تكون 0٪. يمكن أن تكون قيمة جهد مطلقة أو تختلف مع الحمل. عندما تصل إلى حالة السكون ، لا يتم شحن البطارية أو تفريغها وتظل على هذا النحو لفترة طويلة. إذا أراد المستخدم استخدام حالة البطارية المتبقية لتصحيح خطأ قياس الكولوم ، فيجب أن يكون مزودًا بمقياس الفولتميتر الدائرة المفتوحة في هذا الوقت. يوضح الشكل أدناه أنه يمكن تصحيح حالة خطأ الشحن في الحالة أعلاه.

العامل الرئيسي الثاني الذي يساهم في انحراف دقة قياس Coulomb هو خطأ سعة الشحن الكامل (FCC) ، وهو الفرق بين قيمة سعة تصميم البطارية وسعة الشحن الكاملة الحقيقية للبطارية. يمكن أن تتأثر سعة الشحن الكاملة (FCC) بدرجة الحرارة والشيخوخة والحمل وعوامل أخرى. لذلك ، تعد طرق إعادة التعلم والتعويض لسعة الشحن الكاملة مهمة جدًا لقياس كولوم. يوضح الشكل التالي اتجاه خطأ حالة الشحن عند المبالغة في تقدير سعة الشحن الكاملة والتقليل من شأنها.

2.4.2 خوارزمية الجهد الديناميكي مقياس الكولومتر
يمكن لخوارزمية الفولتية الديناميكية أن تحسب حالة شحن بطارية الليثيوم بناءً على جهد البطارية فقط. تعتمد هذه الطريقة على الفرق بين جهد البطارية وفولطية الدائرة المفتوحة للبطارية لتقدير مقدار الزيادة أو النقصان لحالة الشحن. يمكن لمعلومات الجهد الديناميكي محاكاة سلوك بطاريات الليثيوم بشكل فعال لتحديد SOC (٪) ، لكن هذه الطريقة غير قادرة على تقدير سعة البطارية (مللي أمبير).

يتم حسابه باستخدام خوارزمية تكرارية لحساب كل زيادة أو نقصان في SOC بناءً على الاختلاف الديناميكي بين جهد البطارية وفلطية الدائرة المفتوحة لتقدير SOC. على عكس حل Coulomb ، لا يتراكم مقياس الكولومتر الخوارزمي للجهد الديناميكي الأخطاء بمرور الوقت والتيار. غالبًا ما يكون مقياس الكولومب غير دقيق في تقدير حالة الشحن بسبب أخطاء القياس والتفريغ الذاتي للبطارية. حتى إذا كان خطأ القياس صغيرًا جدًا ، يستمر عداد كولوم في تراكم الأخطاء التي لا يمكن التخلص منها إلا عن طريق الشحن الكامل أو التفريغ.

يقدّر مقياس الكولومتر الديناميكي للجهد حالة شحن البطارية فقط من خلال معلومات الجهد. نظرًا لعدم تقديرها بالمعلومات الحالية للبطارية ، فإنها لا تتراكم الأخطاء. لتحسين دقة حالة الشحن ، تحتاج خوارزمية الجهد الديناميكي إلى استخدام جهاز حقيقي ، وفقًا لمنحنى جهد البطارية الفعلي عند الشحن الكامل وظروف التفريغ الكامل لضبط معلمات خوارزمية محسّنة.

فيما يلي أداء خوارزمية الجهد الديناميكي بمعدلات تفريغ مختلفة. كما يتضح من الشكل ، فإن حالة شحنه دقيقة. بغض النظر عن ظروف التفريغ لـ C / 2 و C / 4 و C / 7 و C / 10 ، يكون الخطأ الإجمالي للحالة لهذه الطريقة أقل من 3٪.

يوضح الشكل التالي أداء حالة الشحن في حالة الشحن القصير والتفريغ القصير للبطارية. لا يزال خطأ حالة الشحن صغيرًا ، وأقصى خطأ هو 3٪ فقط.

تين. 14. أداء خوارزمية الجهد الديناميكي في حالة الشحن القصير والتفريغ القصير للبطارية

مقارنةً بمقياس كولوم ، الذي ينتج عنه عادةً حالة شحن غير دقيقة بسبب أخطاء القياس والتفريغ الذاتي للبطاريات ، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي لا تتراكم الأخطاء بمرور الوقت والتيار ، وهي ميزة كبيرة. نظرًا لعدم وجود معلومات تيار الشحن / التفريغ ، فإن خوارزمية الجهد الديناميكي في الدقة قصيرة المدى ضعيفة ، ووقت الاستجابة بطيء. بالإضافة إلى ذلك ، فإنه غير قادر على تقدير سعة الشحن الكاملة. ومع ذلك ، فإنه يعمل بشكل جيد مع دقة طويلة المدى ، حيث أن جهد البطارية يعكس في النهاية حالة الشحن بشكل مباشر.