Soc pode ser definido como o estado de energia elétrica disponível na bateria, geralmente expresso em porcentagem. Como a energia elétrica disponível varia com a corrente de carga e descarga, temperatura e fenômeno de envelhecimento, a definição do estado de carga também é dividida em dois tipos: estado de carga absoluto; ASOC) e estado de carga relativo (estado de carga relativo; RSOC). Normalmente, a faixa de estados de carga relativa é de 0% a 100%, em oposição a 100% quando a bateria está totalmente carregada e 0% quando está totalmente descarregada. O estado absoluto de carga é um valor de referência calculado a partir do valor de capacidade fixa projetado quando a bateria é fabricada. O estado absoluto de carga de uma bateria nova totalmente recarregável é de 100%; Uma bateria velha, mesmo que totalmente carregada, não atingirá 100% sob diferentes condições de carga e descarga. A figura abaixo mostra a relação entre tensão e capacidade da bateria em diferentes taxas de descarga. Quanto maior a taxa de descarga, menor a capacidade da bateria. Quando a temperatura é baixa, a capacidade da bateria também diminui.

Figura. 1 . Relação entre tensão e capacidade em diferentes taxas de descarga e temperaturas

1 .2 Tensão máxima de carga
A tensão máxima de carga está relacionada à composição química e às características da bateria. A tensão de carga de uma bateria ternária de íon-lítio (NMC) é geralmente de 4,2 V e 4,35 V, mas o valor da tensão varia de acordo com os testes de mat do cátodo e do ânodo.

1 .3 Totalmente Carregado

Uma bateria pode ser considerada totalmente carregada quando a diferença entre a tensão da bateria e a tensão máxima de carga for inferior a 100mV e a corrente de carga for reduzida para C/10. As condições para carga completa variam dependendo das características da bateria.
A figura abaixo mostra as características de carga de uma bateria típica de íons de lítio. Quando a tensão da bateria é igual à tensão máxima de carga e a corrente de carga é reduzida para C/10, a bateria é considerada totalmente carregada.

Figura 2. Curva característica de carga da bateria de lítio

1 .4 Tensão de Descarga Mínima (Mini Tensão de Descarga)

A tensão de descarga mais baixa pode ser definida como a tensão de descarga de corte, geralmente a tensão para 0% de carga. Este valor de tensão não é um valor fixo, mas varia com a carga, temperatura, envelhecimento ou outros.

1.5 Descarga total
Quando a tensão da bateria for menor ou igual à tensão mínima de descarga, pode-se dizer que ela está totalmente descarregada.

1 .6 Taxa de Carga e Descarga (C-Rate)
A taxa de carga/descarga é uma representação da corrente de carga/descarga em relação à capacidade da bateria. Por exemplo, se você descarregar uma bateria a 1C por uma hora, o ideal é que a bateria descarregue completamente. Diferentes taxas de carga e descarga resultarão em diferentes capacidades disponíveis. Geralmente, quanto maior a taxa de carga e descarga, menor a capacidade disponível.

1 .7 Ciclo de vida
O número de ciclos é o número de vezes que uma bateria foi totalmente carregada e descarregada, o que pode ser estimado a partir da capacidade de descarga real e da capacidade projetada. Cada vez que a capacidade de descarga cumulativa é igual à capacidade de projeto, o número de ciclos é um. Normalmente, após 500 ciclos de carga e descarga, a capacidade de uma bateria totalmente carregada cairá de 10% a 20%.

Figura 3. A relação entre o número de c ciclos e a capacidade da bateria

1 .8 Auto-descarga
A auto-descarga de todas as baterias aumenta com a temperatura. A autodescarga não é um defeito de fabricação, mas uma característica da própria bateria. No entanto, o manuseio inadequado durante a fabricação também pode levar a um aumento da autodescarga. Em geral, a taxa de auto-descarga dobra para cada aumento de 10°C na temperatura da bateria. A taxa de auto-descarga das baterias de íons de lítio é de cerca de 1 a 2% ao mês, enquanto a das baterias de níquel é de 10 a 15% ao mês.

FIGO. 4 Desempenho da taxa de autodescarga da bateria de lítio em diferentes temperaturas

2 . Introdução do coulômetro da bateria

2 .1 Introdução da função do coulômetro

O gerenciamento de bateria pode ser considerado como parte do gerenciamento de energia. No gerenciamento de bateria, o coulômetro é responsável por estimar a capacidade da bateria. Seus recursos básicos podem monitorar tensão, corrente de carga/descarga e temperatura da bateria e estimar o estado de carga (SOC) da bateria e a capacidade de carga total (FCC) da bateria. Existem dois métodos típicos para estimar o SOC de uma bateria: o método de tensão de circuito aberto (OCV) e o método de Coulomb. O outro método é o algoritmo de tensão dinâmica projetado pela RICHTEK.

2 .2 Método de tensão de circuito aberto
Com o método de tensão de circuito aberto do coulômetro, seu método de implementação é fácil e pode ser obtido pela tensão de circuito aberto correspondente ao estado de carga consultando a tabela. A condição assumida da tensão de circuito aberto é a tensão do terminal da bateria quando a bateria descansa por mais de 30 minutos.

A curva de tensão da bateria varia para diferentes cargas, temperaturas e condições de envelhecimento da bateria. Portanto, um voltímetro fixo de circuito aberto não pode representar totalmente o estado de carga; O estado da carga não pode ser estimado simplesmente olhando o medidor. Em outras palavras, se o estado de carga for estimado apenas consultando a tabela, o erro será grande. A figura abaixo mostra que a mesma voltagem da bateria é carregada e descarregada respectivamente, e o SOC obtido pelo método da voltagem de circuito aberto varia muito.

Como pode ser visto na figura a seguir, também há uma grande diferença no estado de carga sob diferentes cargas durante a descarga. Então, basicamente, o método de tensão de circuito aberto é adequado apenas para sistemas com requisitos baixos para a precisão do estado de carga, como baterias de chumbo-ácido ou fontes de alimentação ininterruptas usadas em automóveis.

Para eliminar erros cumulativos, há três pontos possíveis no tempo durante a operação normal da bateria: fim da carga (EOC), fim da descarga (EOD) e repouso (relaxar). A condição de fim de carga indica que a bateria está totalmente carregada e o SOC deve ser 100%. A condição de fim de carga indica que a bateria foi totalmente descarregada e o estado de carga (SOC) deve ser 0%. Pode ser um valor de tensão absoluto ou varia com a carga. Quando atinge o estado de repouso, a bateria não é carregada nem descarregada e permanece assim por muito tempo. Se o usuário quiser usar o estado de repouso da bateria para correção de erros de medição de coulomb, ela deve estar equipada com um voltímetro de circuito aberto neste momento. A figura abaixo mostra que o erro de estado de carga pode ser corrigido no estado acima.


2.3 Método de medição de Coulomb
O método de Coulomb opera conectando um resistor de detecção ao longo do caminho de carga/descarga da bateria. O ADC mede a tensão através do resistor de detecção, que é convertida no valor atual no qual a bateria está sendo carregada ou descarregada. Um contador em tempo real (RTC) fornece uma integral desse valor atual em relação ao tempo para saber quantos coulombs passaram.

Figura 7. O modo de trabalho básico da metrologia Coulomb

O método de medição coulomb pode calcular com precisão o estado de carga em tempo real no processo de carga ou descarga. Usando o contador de coulomb de carga e o contador de coulomb de descarga, a capacidade restante (RM) e a capacidade de carga total (FCC) podem ser calculadas. Ao mesmo tempo, a capacidade residual (RM) e a capacidade totalmente carregada (FCC) também podem ser usadas para calcular o estado de carga, ou seja, (SOC = RM/FCC). Além disso, também pode estimar o tempo restante, como esgotamento de energia (TTE) e carga total (TTF).

Dois fatores principais causam o desvio de precisão do método de medição de Coulomb. A primeira é o acúmulo de erros de offset nas medições elétricas e ADC. Embora o erro de medição seja relativamente pequeno pela tecnologia atual, se não houver um bom método para eliminá-lo, o erro aumentará com o tempo. A figura abaixo mostra que na prática se não houver correção ao longo do tempo, não há limite superior para o erro cumulativo.

Para eliminar erros cumulativos, há três pontos possíveis no tempo durante a operação normal da bateria: fim da carga (EOC), fim da descarga (EOD) e repouso (relaxar). A condição de fim de carga indica que a bateria está totalmente carregada e o SOC deve ser 100%. A condição de fim de carga indica que a bateria foi totalmente descarregada e o estado de carga (SOC) deve ser 0%. Pode ser um valor de tensão absoluto ou varia com a carga. Quando atinge o estado de repouso, a bateria não é carregada nem descarregada e permanece assim por muito tempo. Se o usuário quiser usar o estado de repouso da bateria para correção de erros de medição de coulomb, ela deve estar equipada com um voltímetro de circuito aberto neste momento. A figura abaixo mostra que o erro de estado de carga pode ser corrigido no estado acima.

O segundo fator principal que contribui para o desvio de precisão da medição de Coulomb é o erro de capacidade de carga total (FCC), que é a diferença entre o valor da capacidade projetada da bateria e a capacidade de carga total real da bateria. A capacidade de carga total (FCC) pode ser afetada pela temperatura, envelhecimento, carga e outros fatores. Portanto, os métodos de reaprendizagem e compensação da capacidade de carga total são muito importantes para a medição de Coulomb. A figura a seguir mostra a tendência de erro do estado de carga quando a capacidade de carga total é superestimada e subestimada.

2 .4 Coulômetro do algoritmo de tensão dinâmica
O coulômetro do algoritmo de tensão dinâmica pode calcular o estado de carga de uma bateria de lítio com base apenas na tensão da bateria. Este método é baseado na diferença entre a tensão da bateria e a tensão de circuito aberto da bateria para estimar a quantidade crescente ou decrescente do estado de carga. A informação de tensão dinâmica pode efetivamente simular o comportamento de baterias de lítio para determinar SOC (%), mas este método não é capaz de estimar a capacidade da bateria (mAh).

É calculado usando um algoritmo iterativo para calcular cada aumento ou diminuição no SOC com base na diferença dinâmica entre a tensão da bateria e a tensão do circuito aberto para estimar o SOC. Em contraste com a solução de Coulomb, o coulômetro do algoritmo de tensão dinâmica não acumula erros ao longo do tempo e da corrente. O coulômetro de Coulomb costuma ser impreciso ao estimar o estado de carga devido a erros de medição e autodescarga da bateria. Mesmo que o erro de medição seja muito pequeno, o contador de Coulomb continua acumulando erros que só podem ser eliminados com carga ou descarga completa.

O coulômetro do algoritmo de tensão dinâmica estima o estado da carga da bateria apenas pelas informações de tensão. Por não ser estimado pelas informações atuais da bateria, não acumula erros. Para melhorar a precisão do estado de carga, o algoritmo de tensão dinâmica precisa usar um dispositivo real, de acordo com o qual a curva de tensão real da bateria em carga total e condições de descarga total para ajustar os parâmetros de um algoritmo otimizado.

A seguir está o desempenho do algoritmo de tensão dinâmica em diferentes taxas de descarga. Como pode ser visto na figura, seu estado de carga é preciso. Independentemente das condições de descarga de C/2, C/4, C/7 e C/10, o erro de estado geral desse método é inferior a 3%.

A figura a seguir mostra o desempenho do estado de carregamento sob a condição de carga curta e descarga curta da bateria. O erro do estado da carga ainda é pequeno e o erro máximo é de apenas 3%.

FIGO. 14. Desempenho do algoritmo de tensão dinâmica no caso de carga curta e descarga curta da bateria

Comparado com o coulômetro de Coulomb, que geralmente resulta em um estado de carregamento impreciso devido a erros de medição e autodescarga das baterias, o algoritmo de tensão dinâmica não acumula erros ao longo do tempo e da corrente, o que é uma grande vantagem. Como não há informações de corrente de carga/descarga, o algoritmo de tensão dinâmica na precisão de curto prazo é ruim e o tempo de resposta é lento. Além disso, é incapaz de estimar a capacidade de carga total. No entanto, tem um bom desempenho com precisão a longo prazo, uma vez que a tensão da bateria reflete diretamente seu estado de carga.