1. Introdução às baterias de íons de lítio
1.1 Estado de Encargos; SOC
O estado de carga pode ser definido como o estado de energia disponível de uma bateria, geralmente expresso como uma porcentagem. Como a energia disponível pode variar devido à corrente de carga/descarga, temperatura e fenômenos de envelhecimento, a definição de estado de carga também é dividida em dois tipos: Estado Absoluto de Carga (ASOC) e Estado Relativo de Carga (RSOC). Normalmente, o intervalo de RSOC é de 0% a 100%, onde 100% representa uma bateria totalmente carregada e 0% representa uma bateria totalmente descarregada. O ASOC, por outro lado, é um valor de referência calculado com base no valor da capacidade fixa projetado quando a bateria é fabricada. O ASOC de uma bateria totalmente carregada nova é de 100%, mas uma bateria envelhecida, mesmo quando totalmente carregada, pode não atingir 100% em diferentes condições de carga/descarga.
O gráfico abaixo ilustra a relação entre voltage e capacidade da bateria em diferentes taxas de descarga. À medida que a taxa de descarga aumenta, a capacidade da bateria diminui. Além disso, a capacidade da bateria também diminui em temperaturas mais baixas.
1.2 Vol máximo de carregamentotage
A tensão máxima de carga de uma bateria é determinada por sua composição química e características. Para baterias de lítio, a tensão de carga normalmente varia entre 4,2 V e 4,35 V. No entanto, os valores de tensão podem variar dependendo dos materiais específicos do cátodo e do ânodo usados na bateria.
1.3 Totalmente carregado
Quando a diferença de tensão entre a tensão da bateria e a tensão máxima de carga é inferior a 100 mV e a corrente de carga é reduzida para C/10, a bateria pode ser considerada totalmente carregada. As condições específicas para que uma bateria seja considerada totalmente carregada podem variar dependendo de suas características.
O gráfico abaixo representa uma curva característica de carga típica de uma bateria de lítio. Quando a tensão da bateria atinge a tensão máxima de carga e a corrente de carga é reduzida para C/10, a bateria é considerada totalmente carregada.
1.4 Mini tensão de descarga
A tensão de descarga mínima pode ser definida como a tensão de descarga de corte, que normalmente é a tensão quando o estado de carga é 0%. Este valor de tensão não é fixo, mas muda com fatores como carga, temperatura, grau de envelhecimento ou outros.
1.5 Descarga total
Quando a tensão da bateria é menor ou igual à tensão mínima de descarga, ela pode ser chamada de descarga completa.
1.6 Taxa C
A taxa de carga/descarga é uma representação da corrente de carga ou descarga em relação à capacidade da bateria. Por exemplo, se uma bateria for descarregada a 1C, idealmente, ela será completamente descarregada após uma hora. Diferentes taxas de carga/descarga resultam em diferentes capacidades disponíveis. Geralmente, taxas de carga/descarga mais altas levam a capacidades disponíveis menores.
1.7A contagem de ciclos refere-se ao número de ciclos completos de carga e descarga que uma bateria sofre e pode ser estimada com base na capacidade real descarregada e na capacidade projetada. Cada vez que a capacidade descarregada acumulada atinge a capacidade projetada, ela conta como um ciclo. Normalmente, após cerca de 500 ciclos de carga e descarga, a capacidade da bateria totalmente carregada pode diminuir em aproximadamente 10% a 20%.
1.8 Auto-descarga
A autodescarga de todas as baterias aumenta com a temperatura. A autodescarga não é essencialmente um defeito de fabricação, mas sim uma característica inerente das baterias. No entanto, o manuseio inadequado durante o processo de fabricação também pode contribuir para o aumento da autodescarga. Normalmente, para cada aumento de 10°C na temperatura, a taxa de autodescarga dobra. As baterias de íons de lítio têm uma taxa de autodescarga de aproximadamente 1-2% ao mês, enquanto várias baterias à base de níquel têm uma taxa de autodescarga de aproximadamente 10-15% ao mês.
- 2.1 Introdução ao medidor de capacidade da bateria
- 3.2.1 Introdução à funcionalidade do medidor de combustível da bateria
O gerenciamento da bateria pode ser visto como parte do gerenciamento de energia. No gerenciamento da bateria, o medidor de capacidade da bateria é responsável por estimar a capacidade da bateria. Sua função básica é monitorar a tensão, a corrente de carga/descarga e a temperatura da bateria e estimar o estado de carga (SOC) e a capacidade de carga total (FCC) da bateria. Existem dois métodos típicos para estimar o estado de carga (SOC) de uma bateria: método de tensão de circuito aberto (OCV) e método de contagem de coulomb. Outro método é o algoritmo de tensão dinâmica projetado pela RICHTEK.
2.2 Método de tensão de circuito aberto
Com um medidor de combustível baseado no método de tensão de circuito aberto (OCV), o processo de implementação é relativamente simples. Envolve a referência a uma tabela de pesquisa que correlaciona a tensão de circuito aberto com o estado de carga (SOC) correspondente. O método OCV pressupõe que a bateria esteja em repouso por aproximadamente 30 minutos e a tensão medida durante esse período de repouso representa a tensão terminal da bateria.
Diferentes cargas, temperaturas e condições de envelhecimento da bateria podem resultar em variações na curva de tensão da bateria. Portanto, uma tabela de pesquisa fixa para tensão de circuito aberto não pode representar totalmente o estado de carga (SOC). Não é confiável confiar apenas em tabelas de pesquisa para estimar o SOC. Em outras palavras, se o SOC for estimado apenas com base em tabelas de pesquisa, haverá uma margem de erro significativa.
Com base na figura fornecida, é evidente que há uma diferença significativa no estado de carga (SOC) sob diferentes cargas durante a descarga. Portanto, em geral, o método de tensão de circuito aberto (OCV) é adequado apenas para sistemas com requisitos de baixa precisão para estimativa de SOC, como aplicações automotivas que usam baterias de chumbo-ácido ou fontes de alimentação ininterrupta (UPS).
2.3 Método de contagem de Coulomb
O princípio de funcionamento do método de contagem de coulomb envolve a conexão de um resistor de detecção no caminho de carga/descarga da bateria. Um conversor analógico-digital (ADC) mede a tensão através do resistor de detecção, que é então convertido no valor da corrente que flui para dentro ou para fora da bateria durante o carregamento ou descarregamento. Um contador em tempo real (RTC) é usado para integrar esse valor de corrente ao longo do tempo, fornecendo informações sobre a quantidade de coulombs que fluíram pela bateria.
O método de contagem de coulomb permite o cálculo preciso do estado de carga (SOC) em tempo real durante os processos de carga ou descarga. Usando o contador de coulomb de carga e o contador de coulomb de descarga, ele pode calcular a capacidade restante (RM) e a capacidade de carga total (FCC). O SOC pode ser derivado da capacidade restante (RM) e da capacidade de carga total (FCC) usando a fórmula SOC = RM / FCC. Além disso, ele também pode estimar o tempo restante, como tempo para esvaziar (TTE) e tempo para encher (TTF).
Existem dois fatores principais que contribuem para o desvio na precisão do método de contagem de coulomb. O primeiro fator é o acúmulo de erros de deslocamento nas medições de detecção de corrente e ADC. Embora o erro de medição de corrente seja relativamente pequeno com a tecnologia atual, sem métodos de correção adequados, esse erro pode aumentar com o tempo. A figura a seguir demonstra que, em aplicações práticas, se nenhuma correção for aplicada ao longo do tempo, o erro acumulado é ilimitado.
Para eliminar erros acumulados, existem três pontos de tempo potenciais que podem ser usados durante a operação normal da bateria: Fim da carga (EOC), Fim da descarga (EOD) e Relaxamento. A condição EOC indica que a bateria está totalmente carregada e o estado de carga (SOC) deve ser 100%. A condição EOD indica que a bateria está completamente descarregada e o SOC deve ser 0%. Pode ser definido por um volume absolutotage valor ou pode variar com a carga. O estado de relaxamento é atingido quando a bateria não está carregando nem descarregando e permanece nesse estado por um período significativo de tempo. Se o usuário pretende usar o estado de relaxamento para correção de erros no método de contagem de coulomb, ele deve ser combinado com uma tabela de tensão de circuito aberto. A figura a seguir demonstra que, nas condições acima mencionadas, o estado de erro de carga pode ser corrigido.
O segundo fator principal que causa desvios na precisão da contagem de Coulomb é o erro de capacidade de carga total (FCC), que surge da diferença entre a capacidade projetada da bateria e sua capacidade real de carga total. O FCC pode ser influenciado por fatores como temperatura, envelhecimento e condições de carga. Portanto, métodos para reaprender e compensar a capacidade de carga total são cruciais para a contagem de Coulomb.
O gráfico abaixo ilustra a tendência de erros de estado de carga quando a capacidade de carga total é superestimada ou subestimada.
2.4 Algoritmo de Tensão Dinâmica Medidor de Combustível
O Algoritmo de Tensão Dinâmica é um método para estimar o estado de carga (SOC) de uma bateria de lítio apenas com base em sua tensão. Ele calcula a mudança incremental ou decremental no SOC considerando a diferença entre a tensão da bateria e sua tensão de circuito aberto. As informações de tensão dinâmica simulam efetivamente o comportamento da bateria de lítio e determinam a porcentagem de SOC, mas não estimam o valor da capacidade da bateria em miliamperes-hora (mAh).
O Algoritmo de Tensão Dinâmica calcula a mudança incremental ou decremental no estado de carga (SOC) utilizando as diferenças dinâmicas entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto. Ele emprega um algoritmo iterativo para estimar o SOC com base nesses diferenciais de tensão. Comparado ao método de contagem de Coulomb, o Algoritmo de Tensão Dinâmica não acumula erros ao longo do tempo e da corrente.
O método de contagem de Coulomb para estimativa de SOC é propenso a erros devido a imprecisões de detecção de corrente e autodescarga da bateria, levando a uma estimativa imprecisa de SOC. Mesmo com erros de detecção de corrente muito pequenos, o contador de Coulomb continuará a acumular erros, que só podem ser eliminados quando a bateria estiver totalmente carregada ou descarregada.
Por outro lado, o Algoritmo de Tensão Dinâmica estima o SOC da bateria apenas com base nas informações de tensão, sem depender de informações de corrente, evitando assim o acúmulo de erros. Para melhorar a precisão da estimativa do SOC, o Algoritmo de Tensão Dinâmica requer a otimização dos parâmetros do algoritmo com base nas curvas reais de tensão da bateria obtidas de dispositivos reais sob condições totalmente carregadas e totalmente descarregadas.
A tabela a seguir mostra o desempenho do Algoritmo de Tensão Dinâmica em diferentes condições de taxa de descarga, indicando sua boa precisão na estimativa do estado de carga (SOC). De acordo com a tabela, independentemente das condições de descarga, como C/2, C/4, C/7 e C/10, o erro geral do SOC desse método é inferior a 3%.
A figura abaixo mostra o desempenho do estado de carga quando a bateria está com carga e descarga curtas. O estado de erro de carga ainda é muito pequeno e o erro máximo é de apenas 3%.
Comparado ao método de contagem de Coulomb, que é propenso a imprecisões devido a erros de detecção de corrente e autodescarga da bateria, o Algoritmo de Tensão Dinâmica tem uma vantagem significativa, pois não acumula erros ao longo do tempo e da corrente. Este é um grande benefício do algoritmo. No entanto, como não possui informações sobre as correntes de carga/descarga, o Algoritmo de Tensão Dinâmica exibe menor precisão de curto prazo e tempo de resposta mais lento. Além disso, não é possível estimar a capacidade total de carga. No entanto, ele tem um bom desempenho em precisão de longo prazo porque a tensão da bateria reflete diretamente seu estado de carga.
