Soc can be defined as the state of available electrical energy in the battery, usually expressed as a percentage. Because the available electric energy varies with charging and discharging current, temperature, and aging phenomenon, the definition Of the State of Charge is also divided into two types: Absolute state-of-charge; ASOC) and Relative State-Of-Charge (relative state-o f-charge; RSOC). Usually, the range of relative charge states is 0% - 100%, as opposed to 100% when the battery is fully charged and 0% when it is fully discharged. The absolute state of charge is a reference value calculated from the designed fixed capacity value when the battery is manufactured. The absolute state of charge of a new, fully rechargeable battery is 100%; An aged battery, even if fully charged, will not reach 100% under different charging and discharging conditions. The figure below shows the relationship between voltage and battery capacity at different discharge rates. The higher the discharge rate, the lower the battery capacity. When the temperature is low, the battery capacity also decreases.

Figure. 1 . Relationship between voltage and capacity at different discharge rates and temperatures

1 .2 Max Charging Voltage
The maximum charging voltage is related to the battery's chemical composition and characteristics. The charging voltage of a ternary lithium-ion battery (NMC) is usually 4.2V and 4.35V, but the voltage value will vary depending on the cathode and anode mat trials.

1 .3 Fully Charged

A battery may be considered fully charged when the difference between the battery voltage and the maximum charge voltage is less than 100mV and the charge current is reduced to C/10. The conditions for full charging vary depending on battery characteristics.
The figure below shows the charging characteristics of a typical lithium-ion battery. When the battery voltage is equal to the maximum charge voltage and the charge current is reduced to C/10, the battery is considered fully charged.

Figure 2. Charging characteristic curve of lithium battery

1 .4 Minimum Discharge Voltage (Mini Discharging Voltage)

The lowest discharge voltage can be defined as the cut-off discharge voltage, usually the voltage for 0% charge. This voltage value is not a fixed value but varies with load, temperature, aging, or other.

1 .5 Fully Discharge
When the battery voltage is less than or equal to the minimum discharge voltage, it can be said to be fully discharged.

1 .6 Charge and Discharge R ate (C-Rate)
The charge/discharge rate is a representation of the charge/discharge current relative to the battery capacity. For example, if you discharge a battery at 1C for an hour, ideally the battery will discharge completely. Different charge and discharge rates will result in different available capacities. Generally, the higher the charge and discharge rate, the smaller the available capacity.

1 .7 Cycle Life
The number of cycles is the number of times a battery has been fully charged and discharged, which can be estimated from the actual discharge capacity and design capacity. Each time the cumulative discharge capacity is equal to the design capacity, the number of cycles is one. Usually after 500 charge and discharge cycles, the capacity of a fully charged battery will drop by 10% to 20%.

Figure 3. The relationship between the number of c cycles and the battery capacity

1 .8 Autodescarga
La autodescarga de todas las baterías aumenta con la temperatura. La autodescarga no es un defecto de fabricación, sino una característica de la propia batería. Sin embargo, una manipulación inadecuada durante la fabricación también puede provocar un aumento de la autodescarga. En general, la tasa de autodescarga se duplica por cada 10 °C de aumento en la temperatura de la batería. La tasa de autodescarga de las baterías de iones de litio es de aproximadamente 1 a 2 % por mes, mientras que la de las baterías de níquel es de 10 a 15 % por mes.

HIGO. 4 Rendimiento de la tasa de autodescarga de la batería de litio a diferentes temperaturas

2 . Introducción de coulómetro de batería.

2 .1 Introducción funcional del coulómetro

La gestión de la batería se puede considerar como parte de la gestión de energía. En la gestión de baterías, el coulómetro es el encargado de estimar la capacidad de la batería. Sus capacidades básicas pueden monitorear el voltaje, la corriente de carga/descarga y la temperatura de la batería, y estimar el estado de carga (SOC) de la batería y la capacidad de carga total (FCC) de la batería. Existen dos métodos típicos para estimar el SOC de una batería: el método de voltaje de circuito abierto (OCV) y el método de Coulomb. El otro método es el algoritmo de voltaje dinámico diseñado por RICHTEK.

2 .2 Método de voltaje de circuito abierto
Con el método de voltaje de circuito abierto del coulómetro, su método de implementación es fácil y se puede obtener mediante el voltaje de circuito abierto correspondiente al estado de carga consultando la tabla. La condición asumida del voltaje de circuito abierto es el voltaje del terminal de la batería cuando la batería descansa por más de 30 minutos.

La curva de voltaje de la batería variará según las diferentes cargas, temperaturas y condiciones de envejecimiento de la batería. Por lo tanto, un voltímetro de circuito abierto fijo no puede representar completamente el estado de carga; El estado de carga no se puede estimar simplemente mirando hacia arriba en el medidor. En otras palabras, si el estado de carga se estima solo consultando la tabla, el error será grande. La siguiente figura muestra que el mismo voltaje de batería se carga y descarga respectivamente, y el SOC obtenido por el método de voltaje de circuito abierto varía mucho.

Como puede verse en la siguiente figura, también hay una gran diferencia en el estado de carga bajo diferentes cargas durante la descarga. Básicamente, el método de voltaje de circuito abierto solo es adecuado para sistemas con bajos requisitos de precisión del estado de carga, como baterías de plomo-ácido o fuentes de alimentación ininterrumpida utilizadas en automóviles.

Para eliminar los errores acumulativos, hay tres puntos posibles en el tiempo durante el funcionamiento normal de la batería: fin de carga (EOC), fin de descarga (EOD) y descanso (relajación). La condición de fin de carga indica que la batería está completamente cargada y el SOC debe ser del 100 %. La condición de fin de carga indica que la batería se ha descargado por completo y el estado de carga (SOC) debe ser 0 %. Puede ser un valor de voltaje absoluto o varía con la carga. Cuando llega a un estado de reposo, la batería no se carga ni se descarga y permanece así durante mucho tiempo. Si el usuario desea utilizar el estado de reposo de la batería para la corrección de errores de medición de culombios, debe estar equipada con un voltímetro de circuito abierto en este momento. La siguiente figura muestra que el error de estado de carga se puede corregir en el estado anterior.


2 .3 M étodo de medición de Coulomb
El método de Coulomb funciona conectando una resistencia de detección a lo largo de la ruta de carga/descarga de la batería. El ADC mide el voltaje a través de la resistencia de detección, que se convierte en el valor actual al que se carga o descarga la batería. Un contador en tiempo real (RTC) proporciona una integral de este valor actual contra el tiempo para saber cuántos culombios han fluido.

Figura 7. El modo de trabajo básico de la metrología de Coulomb

El método de medición de coulomb puede calcular con precisión el estado de carga en tiempo real en el proceso de carga o descarga. Usando el contador de coulomb de carga y el contador de coulomb de descarga, se puede calcular la capacidad restante (RM) y la capacidad de carga completa (FCC). Al mismo tiempo, la capacidad residual (RM) y la capacidad completamente cargada (FCC) también se pueden usar para calcular el estado de carga, a saber (SOC = RM/FCC). Además, también puede estimar el tiempo restante, como agotamiento de energía (TTE) y carga completa (TTF).

Dos factores principales causan la desviación de precisión del método de medición de Coulomb. El primero es la acumulación de errores de compensación en mediciones eléctricas y ADC. Aunque el error de medición es relativamente pequeño con la tecnología actual, si no existe un buen método para eliminarlo, el error aumentará con el tiempo. La siguiente figura muestra que, en la práctica, si no hay corrección a lo largo del tiempo, no hay un límite superior para el error acumulativo.

Para eliminar los errores acumulativos, hay tres puntos posibles en el tiempo durante el funcionamiento normal de la batería: fin de carga (EOC), fin de descarga (EOD) y descanso (relajación). La condición de fin de carga indica que la batería está completamente cargada y el SOC debe ser del 100 %. La condición de fin de carga indica que la batería se ha descargado por completo y el estado de carga (SOC) debe ser 0 %. Puede ser un valor de voltaje absoluto o varía con la carga. Cuando llega a un estado de reposo, la batería no se carga ni se descarga y permanece así durante mucho tiempo. Si el usuario desea utilizar el estado de reposo de la batería para la corrección de errores de medición de culombios, debe estar equipada con un voltímetro de circuito abierto en este momento. La siguiente figura muestra que el error de estado de carga se puede corregir en el estado anterior.

El segundo factor importante que contribuye a la desviación de precisión de la medición de Coulomb es el error de capacidad de carga completa (FCC), que es la diferencia entre el valor de la capacidad de diseño de la batería y la capacidad de carga completa real de la batería. La capacidad de carga completa (FCC) puede verse afectada por la temperatura, el envejecimiento, la carga y otros factores. Por lo tanto, los métodos de reaprendizaje y compensación de la capacidad de carga total son muy importantes para la medición de Coulomb. La siguiente figura muestra la tendencia del error de estado de carga cuando se sobrestima o subestima la capacidad de carga completa.

2 .4 Coulómetro de algoritmo de voltaje dinámico
El coulómetro de algoritmo de voltaje dinámico puede calcular el estado de carga de una batería de litio basándose únicamente en el voltaje de la batería. Este método se basa en la diferencia entre el voltaje de la batería y el voltaje de circuito abierto de la batería para estimar la cantidad creciente o decreciente del estado de carga. La información de voltaje dinámico puede simular efectivamente el comportamiento de las baterías de litio para determinar el SOC (%), pero este método no puede estimar la capacidad de la batería (mAh).

Se calcula utilizando un algoritmo iterativo para calcular cada aumento o disminución en el SOC en función de la diferencia dinámica entre el voltaje de la batería y el voltaje del circuito abierto para estimar el SOC. A diferencia de la solución de Coulomb, el coulómetro del algoritmo de voltaje dinámico no acumula errores con el tiempo y la corriente. El coulómetro de Coulomb a menudo es inexacto al estimar el estado de carga debido a errores de medición y autodescarga de la batería. Incluso si el error de medición es muy pequeño, el contador de Coulomb continúa acumulando errores que solo pueden eliminarse con una carga o descarga completa.

El coulómetro de algoritmo de voltaje dinámico estima el estado de carga de la batería solo por información de voltaje. Debido a que no se estima por la información actual de la batería, no acumula errores. Para mejorar la precisión del estado de carga, el algoritmo de voltaje dinámico necesita usar un dispositivo real, según el cual la curva de voltaje real de la batería en condiciones de carga completa y descarga completa para ajustar los parámetros de un algoritmo optimizado.

El siguiente es el rendimiento del algoritmo de voltaje dinámico a diferentes tasas de descarga. Como puede verse en la figura, su estado de carga es exacto. Independientemente de las condiciones de descarga de C/2, C/4, C/7 y C/10, el error de estado general de este método es inferior al 3 %.

La siguiente figura muestra el rendimiento del estado de carga en condiciones de carga corta y descarga corta de la batería. El error del estado de carga sigue siendo pequeño y el error máximo es solo del 3%.

HIGO. 14. Rendimiento del algoritmo de voltaje dinámico en el caso de carga corta y descarga corta de la batería

En comparación con el coulómetro de Coulomb, que generalmente da como resultado un estado de carga impreciso debido a errores de medición y autodescarga de las baterías, el algoritmo de voltaje dinámico no acumula errores con el tiempo y la corriente, lo cual es una gran ventaja. Debido a que no hay información de corriente de carga/descarga, el algoritmo de voltaje dinámico en la precisión a corto plazo es pobre y el tiempo de respuesta es lento. Además, no puede estimar la capacidad de carga completa. Sin embargo, funciona bien con precisión a largo plazo, ya que el voltaje de la batería refleja en última instancia directamente su estado de carga.