Soc kann als der Zustand der verfügbaren elektrischen Energie in der Batterie definiert werden, normalerweise ausgedrückt als Prozentsatz. Da die verfügbare elektrische Energie je nach Lade- und Entladestrom, Temperatur und Alterungsphänomenen variiert, wird die Definition des Ladezustands ebenfalls in zwei Arten unterteilt: Absoluter Ladezustand; ASOC) und Relative State-Of-Charge (relativer Ladezustand; RSOC). Normalerweise liegt der Bereich der relativen Ladezustände zwischen 0 % und 100 %, im Gegensatz zu 100 %, wenn der Akku vollständig geladen ist, und 0 %, wenn er vollständig entladen ist. Der absolute Ladezustand ist ein Referenzwert, der aus dem bei der Herstellung der Batterie vorgesehenen festen Kapazitätswert berechnet wird. Der absolute Ladezustand einer neuen, voll wiederaufladbaren Batterie beträgt 100 %; Eine gealterte Batterie, auch wenn sie voll aufgeladen ist, unter verschiedenen Lade- und Entladebedingungen nicht 100 % erreichen. Die folgende Abbildung zeigt den Zusammenhang zwischen Spannung und Batteriekapazität bei unterschiedlichen Entladeraten. Je höher die Entladerate, desto geringer ist die Batteriekapazität. Bei niedrigen Temperaturen sinkt auch die Akkukapazität.

Figur. 1 . Zusammenhang zwischen Spannung und Kapazität bei unterschiedlichen Entladeraten und Temperaturen

1.2 Maximale Ladespannung
Die maximale Ladespannung hängt von der chemischen Zusammensetzung und den Eigenschaften der Batterie ab. Die Ladespannung einer ternären Lithium-Ionen-Batterie (NMC) beträgt normalerweise 4,2 V und 4,35 V, der Spannungswert variiert jedoch je nach Kathoden- und Anodenmattenversuchen.

1,3 Voll aufgeladen

Eine Batterie gilt als vollständig geladen, wenn die Differenz zwischen der Batteriespannung und der maximalen Ladespannung weniger als 100 mV beträgt und der Ladestrom auf C/10 reduziert ist. Die Bedingungen für eine vollständige Aufladung variieren je nach Batterieeigenschaften.
Die folgende Abbildung zeigt die Ladeeigenschaften eines typischen Lithium-Ionen-Akkus. Wenn die Batteriespannung der maximalen Ladespannung entspricht und der Ladestrom auf C/10 reduziert wird, gilt die Batterie als vollständig geladen.

Abbildung 2. Ladekennlinie einer Lithiumbatterie

1 .4 Mindestentladespannung (Mini-Entladespannung)

Die niedrigste Entladespannung kann als Entladeschlussspannung definiert werden, normalerweise die Spannung für 0 % Ladung. Dieser Spannungswert ist kein fester Wert, sondern variiert je nach Last, Temperatur, Alterung usw.

1.5 Vollständige Entladung
Wenn die Batteriespannung kleiner oder gleich der minimalen Entladespannung ist, kann von einer vollständigen Entladung gesprochen werden.

1.6 Lade- und Entladerate (C-Rate)
Die Lade-/Entladerate ist eine Darstellung des Lade-/Entladestroms im Verhältnis zur Batteriekapazität. Wenn Sie beispielsweise eine Batterie eine Stunde lang bei 1 °C entladen, entlädt sich die Batterie im Idealfall vollständig. Unterschiedliche Lade- und Entladeraten führen zu unterschiedlichen verfügbaren Kapazitäten. Generell gilt: Je höher die Lade- und Entladerate, desto geringer ist die verfügbare Kapazität.

1 .7 Lebenszyklus
Die Anzahl der Zyklen gibt an, wie oft eine Batterie vollständig geladen und entladen wurde, was anhand der tatsächlichen Entladekapazität und der Auslegungskapazität geschätzt werden kann. Jedes Mal, wenn die kumulative Entladekapazität der Auslegungskapazität entspricht, beträgt die Anzahl der Zyklen eins. Normalerweise sinkt die Kapazität eines vollständig geladenen Akkus nach 500 Lade- und Entladezyklen um 10 bis 20 %.

Abbildung 3. Die Beziehung zwischen der Anzahl der c-Zyklen und der Batteriekapazität

1.8 Selbstentladung
Die Selbstentladung aller Batterien nimmt mit der Temperatur zu. Selbstentladung ist kein Herstellungsfehler, sondern eine Eigenschaft der Batterie selbst. Allerdings kann auch eine unsachgemäße Handhabung bei der Herstellung zu einer erhöhten Selbstentladung führen. Im Allgemeinen verdoppelt sich die Selbstentladungsrate bei jedem Anstieg der Batterietemperatur um 10 °C. Die Selbstentladungsrate von Lithium-Ionen-Batterien beträgt etwa 1–2 % pro Monat, während die von Nickel-Batterien 10–15 % pro Monat beträgt.

FEIGE. 4 Leistung der Selbstentladungsrate der Lithiumbatterie bei verschiedenen Temperaturen

2 . Einführung des Batterie-Coulometers

2 .1 Funktionseinführung des Coulometers

Das Batteriemanagement kann als Teil des Energiemanagements betrachtet werden. Im Batteriemanagement ist das Coulometer für die Abschätzung der Kapazität der Batterie verantwortlich. Seine Grundfunktionen können die Spannung, den Lade-/Entladestrom und die Batterietemperatur überwachen und den Ladezustand (SOC) der Batterie sowie die volle Ladekapazität (FCC) der Batterie schätzen. Es gibt zwei typische Methoden zur Schätzung des Ladezustands einer Batterie: die Leerlaufspannungsmethode (OCV) und die Coulomb-Methode. Die andere Methode ist der von RICHTEK entwickelte dynamische Spannungsalgorithmus.

2.2 Leerlaufspannungsmethode
Mit der Leerlaufspannungsmethode des Coulometers ist die Implementierung einfach und kann durch Nachschlagen der Tabelle anhand der dem Ladezustand entsprechenden Leerlaufspannung ermittelt werden. Der angenommene Zustand der Leerlaufspannung ist die Batterieklemmenspannung, wenn die Batterie etwa länger als 30 Minuten ruht.

Die Batteriespannungskurve variiert je nach Last, Temperatur und Batteriealterungsbedingungen. Daher kann ein fest installiertes Leerlaufvoltmeter den Ladezustand nicht vollständig darstellen; Der Ladezustand kann nicht einfach durch einen Blick auf den Zähler abgeschätzt werden. Mit anderen Worten: Wenn der Ladezustand nur durch Nachschlagen in der Tabelle geschätzt wird, ist der Fehler groß. Die folgende Abbildung zeigt, dass die gleiche Batteriespannung geladen bzw. entladen wird und der durch die Leerlaufspannungsmethode erhaltene SOC stark variiert.

Wie aus der folgenden Abbildung ersichtlich ist, gibt es auch bei unterschiedlicher Belastung beim Entladen einen großen Unterschied im Ladezustand. Grundsätzlich eignet sich das Leerlaufspannungsverfahren also nur für Systeme mit geringen Anforderungen an die Genauigkeit des Ladezustands, wie beispielsweise Blei-Säure-Batterien oder unterbrechungsfreie Stromversorgungen im Automobil.

Um kumulative Fehler zu vermeiden, gibt es während des normalen Batteriebetriebs drei mögliche Zeitpunkte: Ende des Ladevorgangs (EOC), Ende der Entladung (EOD) und Ruhezustand (Relax). Der Zustand „Ende des Ladevorgangs“ zeigt an, dass die Batterie vollständig geladen ist und der Ladezustand 100 % betragen sollte. Der Zustand „Ende des Ladevorgangs“ zeigt an, dass die Batterie vollständig entladen ist und der Ladezustand (SOC) 0 % betragen sollte. Es kann ein absoluter Spannungswert sein oder mit der Last variieren. Im Ruhezustand wird der Akku weder geladen noch entladen und bleibt dies auch für längere Zeit. Wenn der Benutzer den Ruhezustand der Batterie zur Korrektur des Coulomb-Messfehlers verwenden möchte, muss diese zu diesem Zeitpunkt mit einem Leerlaufvoltmeter ausgestattet sein. Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustandsfehler im obigen Zustand korrigiert werden kann.


2.3 Coulomb-M essmethode
Bei der Coulomb-Methode wird ein Erkennungswiderstand entlang des Lade-/Entladepfads der Batterie angeschlossen. Der ADC misst die Spannung am Erkennungswiderstand, die in den Stromwert umgewandelt wird, mit dem die Batterie geladen oder entladen wird. Ein Echtzeitzähler (RTC) liefert ein Integral dieses aktuellen Werts über die Zeit, um zu wissen, wie viele Coulomb durchgeflossen sind.

Abbildung 7. Die grundlegende Arbeitsweise der Coulomb-Metrologie

Mit der Coulomb-Messmethode kann der Ladezustand während des Lade- oder Entladevorgangs in Echtzeit genau berechnet werden. Mithilfe des Ladungs-Coulomb-Zählers und des Entladungs-Coulomb-Zählers können die verbleibende Kapazität (RM) und die volle Ladungskapazität (FCC) berechnet werden. Gleichzeitig können die Restkapazität (RM) und die Vollladekapazität (FCC) auch zur Berechnung des Ladezustands herangezogen werden, nämlich (SOC = RM/FCC). Darüber hinaus kann es auch die verbleibende Zeit abschätzen, z. B. den Stromverbrauch (TTE) und die Vollladung (TTF).

Zwei Hauptfaktoren verursachen die Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messmethode. Der erste Grund ist die Anhäufung von Offsetfehlern bei elektrischen und ADC-Messungen. Obwohl der Messfehler mit der aktuellen Technologie relativ gering ist, wird der Fehler mit der Zeit zunehmen, wenn es keine gute Methode gibt, ihn zu beseitigen. Die folgende Abbildung zeigt, dass es in der Praxis keine Obergrenze für den kumulativen Fehler gibt, wenn im Laufe der Zeit keine Korrektur erfolgt.

Um kumulative Fehler zu vermeiden, gibt es während des normalen Batteriebetriebs drei mögliche Zeitpunkte: Ende des Ladevorgangs (EOC), Ende der Entladung (EOD) und Ruhezustand (Relax). Der Zustand „Ende des Ladevorgangs“ zeigt an, dass die Batterie vollständig geladen ist und der Ladezustand 100 % betragen sollte. Der Zustand „Ende des Ladevorgangs“ zeigt an, dass die Batterie vollständig entladen ist und der Ladezustand (SOC) 0 % betragen sollte. Es kann ein absoluter Spannungswert sein oder mit der Last variieren. Im Ruhezustand wird der Akku weder geladen noch entladen und bleibt dies auch für längere Zeit. Wenn der Benutzer den Ruhezustand der Batterie zur Korrektur des Coulomb-Messfehlers verwenden möchte, muss diese zu diesem Zeitpunkt mit einem Leerlaufvoltmeter ausgestattet sein. Die folgende Abbildung zeigt, dass der Ladezustandsfehler im obigen Zustand korrigiert werden kann.

Der zweite Hauptfaktor, der zur Genauigkeitsabweichung der Coulomb-Messung beiträgt, ist der Fehler der vollständigen Ladekapazität (FCC), der die Differenz zwischen dem Wert der Entwurfskapazität der Batterie und der tatsächlichen Vollladekapazität der Batterie darstellt. Die volle Ladekapazität (FCC) kann durch Temperatur, Alterung, Last und andere Faktoren beeinflusst werden. Daher sind die Umlern- und Kompensationsmethoden der vollen Ladekapazität für die Coulomb-Messung sehr wichtig. Die folgende Abbildung zeigt die Tendenz von Ladezustandsfehlern, wenn die volle Ladekapazität über- und unterschätzt wird.

2.4 Coulometer mit dynamischem Spannungsalgorithmus
Das Coulometer mit dynamischem Spannungsalgorithmus kann den Ladezustand einer Lithiumbatterie ausschließlich anhand der Batteriespannung berechnen. Diese Methode basiert auf der Differenz zwischen der Batteriespannung und der Leerlaufspannung der Batterie, um den zunehmenden oder abnehmenden Betrag des Ladezustands abzuschätzen. Die dynamischen Spannungsinformationen können das Verhalten von Lithiumbatterien effektiv simulieren, um den Ladezustand (%) zu bestimmen, diese Methode ist jedoch nicht in der Lage, die Batteriekapazität (mAh) abzuschätzen.

Die Berechnung erfolgt mithilfe eines iterativen Algorithmus, der jeden Anstieg oder Abfall des Ladezustands basierend auf der dynamischen Differenz zwischen der Batteriespannung und der Leerlaufspannung berechnet, um den Ladezustand abzuschätzen. Im Gegensatz zur Coulomb-Lösung akkumuliert das Coulometer mit dynamischem Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom. Das Coulomb-Coulometer ist aufgrund von Messfehlern und Selbstentladung der Batterie oft ungenau bei der Schätzung des Ladezustands. Auch wenn der Messfehler sehr gering ist, akkumuliert der Coulomb-Zähler weiterhin Fehler, die nur durch vollständiges Laden oder Entladen beseitigt werden können.

Das Coulometer mit dynamischem Spannungsalgorithmus schätzt den Ladezustand der Batterie nur anhand der Spannungsinformationen. Da es nicht anhand der aktuellen Batterieinformationen geschätzt wird, werden keine Fehler akkumuliert. Um die Genauigkeit des Ladezustands zu verbessern, muss der dynamische Spannungsalgorithmus ein reales Gerät verwenden, entsprechend der tatsächlichen Batteriespannungskurve bei Volllade- und Vollentladebedingungen, um die Parameter eines optimierten Algorithmus anzupassen.

Das Folgende ist die Leistung des dynamischen Spannungsalgorithmus bei verschiedenen Entladeraten. Wie aus der Abbildung hervorgeht, ist der Ladezustand korrekt. Unabhängig von den Entladungsbedingungen von C/2, C/4, C/7 und C/10 beträgt der Gesamtzustandsfehler dieser Methode weniger als 3 %.

Die folgende Abbildung zeigt die Leistung des Ladezustands unter der Bedingung einer kurzen Ladung und einer kurzen Entladung des Akkus. Der Fehler des Ladezustands ist immer noch gering und der maximale Fehler beträgt nur 3 %.

FEIGE. 14. Leistung des dynamischen Spannungsalgorithmus bei Kurzladung und Kurzentladung der Batterie

Im Vergleich zum Coulomb-Coulometer, das aufgrund von Messfehlern und Selbstentladung der Batterien normalerweise zu einem ungenauen Ladezustand führt, akkumuliert der dynamische Spannungsalgorithmus keine Fehler über Zeit und Strom, was ein großer Vorteil ist. Da keine Informationen zum Lade-/Entladestrom vorliegen, ist die Kurzzeitgenauigkeit des dynamischen Spannungsalgorithmus schlecht und die Reaktionszeit ist langsam. Darüber hinaus ist es nicht möglich, die volle Ladekapazität abzuschätzen. Die Leistung ist jedoch langfristig genau, da die Batteriespannung letztlich direkt den Ladezustand widerspiegelt.