Soc peut être défini comme l'état de l'énergie électrique disponible dans la batterie, généralement exprimé en pourcentage. Étant donné que l'énergie électrique disponible varie en fonction du courant de charge et de décharge, de la température et du phénomène de vieillissement, la définition de l'état de charge est également divisée en deux types : état de charge absolu ; ASOC) et Relative State-Of-Charge (état de charge relatif ; RSOC). Habituellement, la plage des états de charge relatifs est de 0 % à 100 %, par opposition à 100 % lorsque la batterie est complètement chargée et 0 % lorsqu'elle est complètement déchargée. L'état de charge absolu est une valeur de référence calculée à partir de la valeur de capacité fixe conçue lors de la fabrication de la batterie. L'état de charge absolu d'une nouvelle batterie entièrement rechargeable est de 100 % ; Une batterie vieillissante, même complètement chargée, n'atteindra pas 100 % dans différentes conditions de charge et de décharge. La figure ci-dessous montre la relation entre la tension et la capacité de la batterie à différents taux de décharge. Plus le taux de décharge est élevé, plus la capacité de la batterie est faible. Lorsque la température est basse, la capacité de la batterie diminue également.

Chiffre. 1 . Relation entre la tension et la capacité à différents taux de décharge et températures

1 .2 Tension de charge maximale
La tension de charge maximale est liée à la composition chimique et aux caractéristiques de la batterie. La tension de charge d'une batterie lithium-ion ternaire (NMC) est généralement de 4,2 V et 4,35 V, mais la valeur de la tension varie en fonction des essais de tapis de cathode et d'anode.

1 .3 Entièrement chargé

Une batterie peut être considérée comme complètement chargée lorsque la différence entre la tension de la batterie et la tension de charge maximale est inférieure à 100 mV et que le courant de charge est réduit à C/10. Les conditions de charge complète varient en fonction des caractéristiques de la batterie.
La figure ci-dessous montre les caractéristiques de charge d'une batterie lithium-ion typique. Lorsque la tension de la batterie est égale à la tension de charge maximale et que le courant de charge est réduit à C/10, la batterie est considérée comme complètement chargée.

Figure 2. Courbe caractéristique de charge de la batterie au lithium

1 .4 Tension de décharge minimale (mini tension de décharge)

La tension de décharge la plus basse peut être définie comme la tension de décharge de coupure, généralement la tension pour une charge de 0 %. Cette valeur de tension n'est pas une valeur fixe mais varie avec la charge, la température, le vieillissement, ou autre.

1 .5 Décharge complète
Lorsque la tension de la batterie est inférieure ou égale à la tension de décharge minimale, on peut dire qu'elle est complètement déchargée.

1 .6 Taux de charge et de décharge (C-Rate)
Le taux de charge/décharge est une représentation du courant de charge/décharge par rapport à la capacité de la batterie. Par exemple, si vous déchargez une batterie à 1C pendant une heure, idéalement la batterie se déchargera complètement. Différents taux de charge et de décharge se traduiront par différentes capacités disponibles. Généralement, plus le taux de charge et de décharge est élevé, plus la capacité disponible est petite.

1 .7 Cycle de vie
Le nombre de cycles est le nombre de fois qu'une batterie a été complètement chargée et déchargée, qui peut être estimé à partir de la capacité de décharge réelle et de la capacité de conception. Chaque fois que la capacité de décharge cumulée est égale à la capacité de conception, le nombre de cycles est égal à un. Habituellement, après 500 cycles de charge et de décharge, la capacité d'une batterie complètement chargée chute de 10 à 20 %.

Figure 3. Relation entre le nombre de cycles c et la capacité de la batterie

1 .8 Autodécharge
L'autodécharge de toutes les batteries augmente avec la température. L'autodécharge n'est pas un défaut de fabrication, mais une caractéristique de la batterie elle-même. Cependant, une mauvaise manipulation lors de la fabrication peut également entraîner une augmentation de l'autodécharge. En général, le taux d'autodécharge double pour chaque augmentation de 10°C de la température de la batterie. Le taux d'autodécharge des batteries lithium-ion est d'environ 1 à 2 % par mois, tandis que celui des batteries au nickel est de 10 à 15 % par mois.

FIGUE. 4 Performances du taux d'autodécharge de la batterie au lithium à différentes températures

2 . Introduction du coulomètre à batterie

2 .1 Présentation des fonctions du coulomètre

La gestion de la batterie peut être considérée comme faisant partie de la gestion de l'alimentation. Dans la gestion de la batterie, le coulomètre est chargé d'estimer la capacité de la batterie. Ses capacités de base peuvent surveiller la tension, le courant de charge/décharge et la température de la batterie, et estimer l'état de charge (SOC) de la batterie et la capacité de charge complète (FCC) de la batterie. Il existe deux méthodes typiques pour estimer le SOC d'une batterie : la méthode de la tension en circuit ouvert (OCV) et la méthode de Coulomb. L'autre méthode est l'algorithme de tension dynamique conçu par RICHTEK.

2 .2 Méthode de la tension en circuit ouvert
Avec la méthode de la tension en circuit ouvert du coulomètre, sa méthode de mise en œuvre est aisée et peut être obtenue par la tension en circuit ouvert correspondant à l'état de charge en consultant le tableau. La condition supposée de la tension en circuit ouvert est la tension aux bornes de la batterie lorsque la batterie repose pendant environ plus de 30 minutes.

La courbe de tension de la batterie varie selon les différentes charges, températures et conditions de vieillissement de la batterie. Par conséquent, un voltmètre à circuit ouvert fixe ne peut pas représenter pleinement l'état de charge; L'état de charge ne peut pas être estimé simplement en regardant le compteur. En d'autres termes, si l'état de charge est estimé uniquement en consultant le tableau, l'erreur sera importante. La figure ci-dessous montre que la même tension de batterie est chargée et déchargée respectivement, et le SOC obtenu par la méthode de tension en circuit ouvert varie considérablement.

Comme on peut le voir sur la figure suivante, il existe également une grande différence dans l'état de charge sous différentes charges pendant la décharge. Donc, fondamentalement, la méthode de la tension en circuit ouvert ne convient qu'aux systèmes ayant de faibles exigences en matière de précision de l'état de charge, tels que les batteries au plomb ou les alimentations sans coupure utilisées dans les automobiles.

Pour éliminer les erreurs cumulatives, il existe trois moments possibles pendant le fonctionnement normal de la batterie : la fin de la charge (EOC), la fin de la décharge (EOD) et le repos (Relax). La condition de fin de charge indique que la batterie est complètement chargée et que le SOC doit être de 100 %. La condition de fin de charge indique que la batterie a été complètement déchargée et que l'état de charge (SOC) doit être de 0 %. Il peut s'agir d'une valeur de tension absolue ou variable avec la charge. Lorsqu'elle atteint un état de repos, la batterie n'est ni chargée ni déchargée et le reste pendant longtemps. Si l'utilisateur souhaite utiliser l'état de repos de la batterie pour la correction d'erreur de mesure de coulomb, il doit être équipé d'un voltmètre en circuit ouvert à ce moment. La figure ci-dessous montre que l'erreur d'état de charge peut être corrigée dans l'état ci-dessus.


2 .3 Méthode de mesure de Coulomb
La méthode de Coulomb fonctionne en connectant une résistance de détection le long du chemin de charge/décharge de la batterie. L'ADC mesure la tension aux bornes de la résistance de détection, qui est convertie en la valeur actuelle à laquelle la batterie est chargée ou déchargée. Un compteur en temps réel (RTC) fournit une intégrale de cette valeur de courant en fonction du temps pour savoir combien de coulombs ont traversé.

Figure 7. Le mode de fonctionnement de base de la métrologie coulombienne

La méthode de mesure coulombienne peut calculer avec précision l'état de charge en temps réel pendant le processus de charge ou de décharge. À l'aide du compteur de coulombs de charge et du compteur de coulombs de décharge, la capacité restante (RM) et la capacité de charge complète (FCC) peuvent être calculées. Dans le même temps, la capacité résiduelle (RM) et la capacité à pleine charge (FCC) peuvent également être utilisées pour calculer l'état de charge, à savoir (SOC = RM/FCC). De plus, il peut également estimer le temps restant, comme l'épuisement de la puissance (TTE) et la charge complète (TTF).

Deux facteurs principaux sont à l'origine de l'écart de précision de la méthode de mesure de Coulomb. Le premier est l'accumulation d'erreurs de décalage dans les mesures électriques et ADC. Bien que l'erreur de mesure soit relativement faible avec la technologie actuelle, s'il n'y a pas de bonne méthode pour l'éliminer, l'erreur augmentera avec le temps. La figure ci-dessous montre qu'en pratique s'il n'y a pas de correction dans le temps, il n'y a pas de limite supérieure à l'erreur cumulée.

Pour éliminer les erreurs cumulatives, il existe trois moments possibles pendant le fonctionnement normal de la batterie : la fin de la charge (EOC), la fin de la décharge (EOD) et le repos (Relax). La condition de fin de charge indique que la batterie est complètement chargée et que le SOC doit être de 100 %. La condition de fin de charge indique que la batterie a été complètement déchargée et que l'état de charge (SOC) doit être de 0 %. Il peut s'agir d'une valeur de tension absolue ou variable avec la charge. Lorsqu'elle atteint un état de repos, la batterie n'est ni chargée ni déchargée et le reste pendant longtemps. Si l'utilisateur souhaite utiliser l'état de repos de la batterie pour la correction d'erreur de mesure de coulomb, il doit être équipé d'un voltmètre en circuit ouvert à ce moment. La figure ci-dessous montre que l'erreur d'état de charge peut être corrigée dans l'état ci-dessus.

Le deuxième facteur majeur contribuant à l'écart de précision de la mesure de Coulomb est l'erreur de capacité de charge complète (FCC), qui est la différence entre la valeur de la capacité de conception de la batterie et la véritable capacité de charge complète de la batterie. La capacité de charge complète (FCC) peut être affectée par la température, le vieillissement, la charge et d'autres facteurs. Par conséquent, les méthodes de réapprentissage et de compensation de la pleine capacité de charge sont très importantes pour la mesure de Coulomb. La figure suivante montre la tendance de l'erreur d'état de charge lorsque la capacité de charge complète est surestimée et sous-estimée.

2 .4 Coulomètre à algorithme de tension dynamique
Le coulomètre à algorithme de tension dynamique permet de calculer l'état de charge d'une batterie au lithium en se basant uniquement sur la tension de la batterie. Cette méthode est basée sur la différence entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert de la batterie pour estimer la quantité croissante ou décroissante de l'état de charge. Les informations de tension dynamique peuvent simuler efficacement le comportement des batteries au lithium pour déterminer le SOC (%), mais cette méthode n'est pas en mesure d'estimer la capacité de la batterie (mAh).

Il est calculé en utilisant un algorithme itératif pour calculer chaque augmentation ou diminution du SOC en fonction de la différence dynamique entre la tension de la batterie et la tension en circuit ouvert pour estimer le SOC. Contrairement à la solution de Coulomb, le coulomètre à algorithme de tension dynamique n'accumule pas les erreurs dans le temps et le courant. Le coulomètre de Coulomb est souvent imprécis dans l'estimation de l'état de charge en raison des erreurs de mesure et de l'autodécharge de la batterie. Même si l'erreur de mesure est très faible, le compteur de Coulomb continue d'accumuler des erreurs qui ne peuvent être éliminées que par une charge ou une décharge complète.

L'algorithme de tension dynamique coulomètre estime l'état de charge de la batterie uniquement par des informations de tension. Parce qu'il n'est pas estimé par les informations actuelles de la batterie, il n'accumule pas d'erreurs. Pour améliorer la précision de l'état de charge, l'algorithme de tension dynamique doit utiliser un dispositif réel, selon lequel la courbe de tension réelle de la batterie à pleine charge et à pleine décharge permet d'ajuster les paramètres d'un algorithme optimisé.

Voici les performances de l'algorithme de tension dynamique à différents taux de décharge. Comme on peut le voir sur la figure, son état de charge est exact. Quelles que soient les conditions de décharge de C/2, C/4, C/7 et C/10, l'erreur d'état globale de cette méthode est inférieure à 3 %.

La figure suivante montre les performances de l'état de charge dans des conditions de charge courte et de décharge courte de la batterie. L'erreur de l'état de charge est encore faible et l'erreur maximale n'est que de 3 %.

FIGUE. 14. Performance de l'algorithme de tension dynamique en cas de charge courte et de décharge courte de la batterie

Comparé au coulomètre de Coulomb, qui entraîne généralement un état de charge inexact en raison d'erreurs de mesure et de l'autodécharge des batteries, l'algorithme de tension dynamique n'accumule pas les erreurs dans le temps et le courant, ce qui est un gros avantage. Comme il n'y a pas d'informations sur le courant de charge/décharge, l'algorithme de tension dynamique dans la précision à court terme est médiocre et le temps de réponse est lent. De plus, il est incapable d'estimer la pleine capacité de charge. Cependant, il fonctionne bien avec une précision à long terme, car la tension de la batterie reflète finalement directement son état de charge.