Soc có thể được định nghĩa là trạng thái năng lượng điện có sẵn trong pin, thường được biểu thị bằng phần trăm. Do năng lượng điện có sẵn thay đổi theo dòng điện sạc và xả, nhiệt độ và hiện tượng lão hóa, nên định nghĩa về Trạng thái sạc cũng được chia thành hai loại: Trạng thái sạc tuyệt đối; ASOC) và Trạng thái sạc tương đối (relative state-o f-charge; RSOC). Thông thường, phạm vi trạng thái sạc tương đối là 0% - 100%, trái ngược với 100% khi pin được sạc đầy và 0% khi pin được xả hết. Trạng thái sạc tuyệt đối là giá trị tham chiếu được tính toán từ giá trị dung lượng cố định được thiết kế khi pin được sản xuất. Trạng thái sạc tuyệt đối của pin mới, có thể sạc đầy là 100%; Pin cũ, ngay cả khi được sạc đầy, sẽ không đạt 100% trong các điều kiện sạc và xả khác nhau. Hình dưới đây cho thấy mối quan hệ giữa điện áp và dung lượng pin ở các tốc độ xả khác nhau. Tốc độ xả càng cao, dung lượng pin càng thấp. Khi nhiệt độ thấp, dung lượng pin cũng giảm theo.

Nhân vật. 1 . Mối quan hệ giữa điện áp và công suất ở các tốc độ và nhiệt độ phóng điện khác nhau

1 .2 Điện áp sạc tối đa
Điện áp sạc tối đa liên quan đến đặc tính và thành phần hóa học của pin. Điện áp sạc của pin lithium-ion bậc ba (NMC) thường là 4,2V và 4,35V, nhưng giá trị điện áp sẽ khác nhau tùy thuộc vào các thử nghiệm thảm cực âm và cực dương.

1 .3 Đã sạc đầy

Pin có thể được coi là đã sạc đầy khi chênh lệch giữa điện áp pin và điện áp sạc tối đa nhỏ hơn 100mV và dòng sạc giảm xuống còn C/10. Các điều kiện để sạc đầy khác nhau tùy thuộc vào đặc tính của pin.
Hình dưới đây cho thấy các đặc tính sạc của pin lithium-ion điển hình. Khi điện áp của ắc quy bằng với điện áp sạc tối đa và dòng sạc giảm xuống C/10 thì ắc quy được coi là đã được sạc đầy.

Hình 2. Đường đặc tính sạc của pin lithium

1 .4 Điện áp xả tối thiểu (Mini Discharge Voltage)

Điện áp phóng điện thấp nhất có thể được định nghĩa là điện áp phóng điện giới hạn, thường là điện áp cho 0% điện tích. Giá trị điện áp này không phải là một giá trị cố định mà thay đổi theo tải, nhiệt độ, lão hóa hoặc các yếu tố khác.

1 .5 Xả hoàn toàn
Khi điện áp ắc quy nhỏ hơn hoặc bằng điện áp xả tối thiểu, có thể nói là xả hoàn toàn.

1 .6 Sạc và Xả R ate (C-Rate)
Tốc độ sạc/xả là đại diện của dòng sạc/xả so với dung lượng pin. Ví dụ: nếu bạn xả pin ở 1C trong một giờ, lý tưởng nhất là pin sẽ xả hoàn toàn. Tỷ lệ sạc và xả khác nhau sẽ dẫn đến dung lượng khả dụng khác nhau. Nói chung, tốc độ sạc và xả càng cao thì dung lượng khả dụng càng nhỏ.

1 .7 Vòng đời
Số chu kỳ là số lần pin được sạc đầy và xả, có thể ước tính từ dung lượng xả thực tế và dung lượng thiết kế. Mỗi lần công suất xả tích lũy bằng công suất thiết kế, số chu kỳ là một. Thông thường sau 500 chu kỳ sạc và xả, dung lượng của pin được sạc đầy sẽ giảm từ 10% đến 20%.

Hình 3. Mối quan hệ giữa số chu kỳ c và dung lượng pin

1 .8 Tự phóng điện
Khả năng tự phóng điện của tất cả các loại pin tăng theo nhiệt độ. Tự phóng điện không phải là lỗi sản xuất mà là đặc điểm của chính pin. Tuy nhiên, việc xử lý không đúng cách trong quá trình sản xuất cũng có thể dẫn đến sự gia tăng hiện tượng tự phóng điện. Nói chung, tốc độ tự phóng điện tăng gấp đôi khi nhiệt độ pin tăng 10°C. Tốc độ tự xả của pin lithium-ion là khoảng 1~2% mỗi tháng, trong khi của pin niken là 10~15% mỗi tháng.

QUẢ SUNG. 4 Hiệu suất tốc độ tự xả của pin lithium ở các nhiệt độ khác nhau

2 . Giới thiệu coulometer pin

2 .1 Giới thiệu chức năng của đồng hồ đo điện trở

Quản lý pin có thể được coi là một phần của quản lý năng lượng. Trong quản lý pin, điện kế chịu trách nhiệm ước tính dung lượng của pin. Các khả năng cơ bản của nó có thể theo dõi điện áp, dòng sạc/xả và nhiệt độ của pin, đồng thời ước tính trạng thái sạc (SOC) của pin và công suất sạc đầy (FCC) của pin. Có hai phương pháp điển hình để ước tính SOC của pin: phương pháp điện áp mạch hở (OCV) và phương pháp Coulomb. Phương pháp khác là thuật toán điện áp động do RICHTEK thiết kế.

2 .2 Phương pháp điện áp hở mạch
Với phương pháp điện áp hở mạch của coulometer, cách thực hiện rất dễ dàng và có thể tra được điện áp hở mạch tương ứng với trạng thái điện tích bằng cách tra bảng. Điều kiện giả định của điện áp mạch hở là điện áp cực của pin khi pin nghỉ trong khoảng hơn 30 phút.

Đường cong điện áp của ắc quy sẽ thay đổi đối với các mức tải, nhiệt độ và điều kiện lão hóa của ắc quy khác nhau. Do đó, vôn kế mạch hở cố định không thể biểu thị đầy đủ trạng thái điện tích; Tình trạng điện tích không thể được ước tính đơn giản bằng cách tra cứu đồng hồ đo. Nói cách khác, nếu chỉ ước tính trạng thái điện tích bằng cách tra cứu bảng, sai số sẽ lớn. Hình bên dưới cho thấy cùng một điện áp pin được sạc và xả tương ứng, và SOC thu được bằng phương pháp điện áp mạch hở thay đổi rất nhiều.

Như có thể thấy từ hình dưới đây, cũng có sự khác biệt lớn về trạng thái nạp dưới các tải khác nhau trong quá trình xả. Vì vậy, về cơ bản, phương pháp điện áp mạch hở chỉ phù hợp với các hệ thống có yêu cầu thấp về độ chính xác của trạng thái sạc, chẳng hạn như ắc quy axit-chì hoặc nguồn điện liên tục được sử dụng trong ô tô.

Để loại bỏ lỗi tích lũy, có ba thời điểm có thể xảy ra trong quá trình hoạt động bình thường của pin: kết thúc sạc (EOC), kết thúc xả (EOD) và Nghỉ (Thư giãn). Điều kiện kết thúc sạc cho biết rằng pin đã được sạc đầy và SOC phải là 100%. Điều kiện kết thúc sạc cho biết pin đã được xả hết và trạng thái sạc (SOC) phải là 0%. Nó có thể là một giá trị điện áp tuyệt đối hoặc thay đổi theo tải. Khi đạt đến trạng thái nghỉ, pin sẽ không được sạc cũng như không được xả và duy trì trạng thái đó trong một thời gian dài. Nếu người dùng muốn sử dụng trạng thái nghỉ của pin để sửa lỗi đo coulomb, thì lúc này phải trang bị vôn kế mạch hở. Hình dưới đây cho thấy trạng thái sạc lỗi có thể được sửa ở trạng thái trên.


2 .3 Phương pháp đo Coulomb
Phương pháp Coulomb hoạt động bằng cách kết nối một điện trở phát hiện dọc theo đường sạc/xả của pin. ADC đo điện áp trên điện trở phát hiện, được chuyển đổi thành giá trị hiện tại mà pin đang được sạc hoặc xả. Bộ đếm thời gian thực (RTC) cung cấp tích phân của giá trị hiện tại này theo thời gian để biết có bao nhiêu coulomb đã chảy qua.

Hình 7. Chế độ làm việc cơ bản của phép đo Coulomb

Phương pháp đo coulomb có thể tính toán chính xác trạng thái sạc theo thời gian thực trong quá trình sạc hoặc xả. Sử dụng bộ đếm cuộn dây sạc và bộ đếm cuộn dây xả, có thể tính được dung lượng còn lại (RM) và dung lượng sạc đầy (FCC). Đồng thời, dung lượng còn lại (RM) và dung lượng đã sạc đầy (FCC) cũng có thể được sử dụng để tính toán trạng thái sạc, cụ thể là (SOC = RM/FCC). Ngoài ra, nó cũng có thể ước tính thời gian còn lại, chẳng hạn như cạn kiệt năng lượng (TTE) và sạc đầy (TTF).

Hai yếu tố chính gây ra sai lệch độ chính xác của phương pháp đo Coulomb. Đầu tiên là sự tích tụ của các lỗi bù trong các phép đo điện và ADC. Mặc dù sai số đo lường tương đối nhỏ với công nghệ hiện tại, nhưng nếu không có phương pháp tốt để loại bỏ nó, sai số sẽ tăng lên theo thời gian. Hình dưới đây cho thấy rằng trong thực tế nếu không có hiệu chỉnh theo thời gian, thì không có giới hạn trên đối với sai số tích lũy.

Để loại bỏ lỗi tích lũy, có ba thời điểm có thể xảy ra trong quá trình hoạt động bình thường của pin: kết thúc sạc (EOC), kết thúc xả (EOD) và Nghỉ (Thư giãn). Điều kiện kết thúc sạc cho biết rằng pin đã được sạc đầy và SOC phải là 100%. Điều kiện kết thúc sạc cho biết pin đã được xả hết và trạng thái sạc (SOC) phải là 0%. Nó có thể là một giá trị điện áp tuyệt đối hoặc thay đổi theo tải. Khi đạt đến trạng thái nghỉ, pin sẽ không được sạc cũng như không được xả và duy trì trạng thái đó trong một thời gian dài. Nếu người dùng muốn sử dụng trạng thái nghỉ của pin để sửa lỗi đo coulomb thì phải trang bị vôn kế mạch hở vào thời điểm này. Hình bên dưới cho thấy trạng thái sạc lỗi có thể được sửa ở trạng thái trên.

Yếu tố chính thứ hai góp phần vào độ lệch chính xác của phép đo Coulomb là lỗi dung lượng sạc đầy (FCC), là sự khác biệt giữa giá trị dung lượng thiết kế của pin và dung lượng sạc đầy thực sự của pin. Dung lượng sạc đầy (FCC) có thể bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, tuổi thọ, tải trọng và các yếu tố khác. Do đó, các phương pháp học lại và bù dung lượng sạc đầy là rất quan trọng đối với phép đo Coulomb. Hình dưới đây cho thấy xu hướng lỗi trạng thái sạc khi dung lượng sạc đầy được đánh giá quá cao và đánh giá thấp.

2 .4 Đồng hồ đo thuật toán điện áp động
Đồng hồ đo thuật toán điện áp động có thể tính toán trạng thái sạc của pin lithium chỉ dựa trên điện áp của pin. Phương pháp này dựa trên sự chênh lệch giữa điện áp ắc quy và điện áp mạch hở của ắc quy để ước lượng mức tăng giảm của trạng thái sạc. Thông tin điện áp động có thể mô phỏng hiệu quả hoạt động của pin lithium để xác định SOC(%), nhưng phương pháp này không thể ước tính dung lượng pin (mAh).

Nó được tính toán bằng cách sử dụng một thuật toán lặp để tính mỗi lần tăng hoặc giảm SOC dựa trên chênh lệch động giữa điện áp pin và điện áp mạch hở để ước tính SOC. Ngược lại với giải pháp Coulomb, coulometer thuật toán điện áp động không tích lũy lỗi theo thời gian và dòng điện. Điện kế Coulomb thường không chính xác trong việc ước tính trạng thái sạc do lỗi đo lường và hiện tượng tự phóng điện của pin. Ngay cả khi lỗi đo lường là rất nhỏ, bộ đếm Coulomb vẫn tiếp tục tích lũy các lỗi chỉ có thể được loại bỏ bằng cách sạc hoặc xả đầy.

Coulometer thuật toán điện áp động ước tính trạng thái sạc pin chỉ bằng thông tin điện áp. Bởi vì nó không được ước tính bởi thông tin hiện tại của pin, nó không tích lũy lỗi. Để cải thiện độ chính xác của trạng thái sạc, thuật toán điện áp động cần sử dụng một thiết bị thực, theo đó đường cong điện áp pin thực tế ở điều kiện sạc đầy và xả hoàn toàn để điều chỉnh các tham số của thuật toán được tối ưu hóa.

Sau đây là hiệu suất của thuật toán điện áp động ở các tốc độ xả khác nhau. Như có thể thấy từ hình vẽ, trạng thái tích điện của nó là chính xác. Bất kể các điều kiện xả của C/2, C/4, C/7 và C/10, sai số trạng thái tổng thể của phương pháp này nhỏ hơn 3%.

Hình dưới đây cho thấy hiệu suất của trạng thái sạc trong điều kiện sạc ngắn và xả pin ngắn. Lỗi của trạng thái sạc vẫn còn nhỏ và lỗi tối đa chỉ là 3%.

QUẢ SUNG. 14. Hiệu suất của thuật toán điện áp động trong trường hợp sạc ngắn và xả pin ngắn

So với điện kế Coulomb, thường dẫn đến trạng thái sạc không chính xác do lỗi đo lường và pin tự phóng điện, thuật toán điện áp động không tích lũy lỗi theo thời gian và dòng điện, đây là một lợi thế lớn. Do không có thông tin về dòng điện nạp/xả nên thuật toán điện áp động trong thời gian ngắn có độ chính xác kém và thời gian phản hồi chậm. Ngoài ra, nó không thể ước tính dung lượng sạc đầy. Tuy nhiên, nó hoạt động tốt với độ chính xác lâu dài, vì điện áp pin cuối cùng phản ánh trực tiếp trạng thái sạc của nó.