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 Self-Discharge
Self-discharge semua baterai meningkat dengan suhu. Self-discharge bukanlah cacat produksi, tetapi karakteristik dari baterai itu sendiri. Namun, penanganan yang tidak tepat selama pembuatan juga dapat menyebabkan peningkatan self-discharge. Secara umum, laju pengosongan sendiri berlipat ganda untuk setiap peningkatan suhu baterai sebesar 10°C. Tingkat self-discharge baterai lithium-ion adalah sekitar 1~2% per bulan, sedangkan baterai nikel adalah 10~15% per bulan.

ARA. 4 Kinerja tingkat self-discharge baterai lithium pada temperatur yang berbeda

2 . Pengenalan coulometer baterai

2 .1 Pengenalan fungsi coulometer

Manajemen baterai dapat dianggap sebagai bagian dari manajemen daya. Dalam manajemen baterai, coulometer bertanggung jawab untuk memperkirakan kapasitas baterai. Kemampuan dasarnya dapat memantau voltase, arus pengisian/pengosongan, dan suhu baterai, serta memperkirakan status pengisian daya (SOC) baterai dan kapasitas pengisian penuh (FCC) baterai. Ada dua metode tipikal untuk memperkirakan SOC baterai: metode tegangan sirkuit terbuka (OCV) dan metode Coulomb. Metode lainnya adalah algoritma tegangan dinamis yang dirancang oleh RICHTEK.

2 .2 Metode tegangan rangkaian terbuka
Dengan metode tegangan rangkaian terbuka dari coulometer, metode penerapannya mudah dan dapat diperoleh tegangan rangkaian terbuka yang sesuai dengan keadaan muatan dengan melihat tabel. Kondisi tegangan rangkaian terbuka yang diasumsikan adalah tegangan terminal baterai ketika baterai beristirahat selama lebih dari 30 menit.

Kurva voltase baterai akan bervariasi untuk berbagai beban, suhu, dan kondisi penuaan baterai. Oleh karena itu, voltmeter sirkuit terbuka tetap tidak dapat sepenuhnya mewakili keadaan muatan; Status muatan tidak dapat diperkirakan hanya dengan melihat meteran. Dengan kata lain, jika status muatan diperkirakan hanya dengan melihat tabel, kesalahannya akan besar. Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa tegangan baterai yang sama masing-masing diisi dan dikosongkan, dan SOC yang diperoleh dengan metode tegangan sirkuit terbuka sangat bervariasi.

Seperti yang dapat dilihat dari gambar berikut, ada juga perbedaan besar dalam status muatan di bawah beban yang berbeda selama pengosongan. Jadi pada dasarnya, metode voltase rangkaian terbuka hanya cocok untuk sistem dengan persyaratan rendah untuk keakuratan status pengisian daya, seperti baterai timbal-asam atau catu daya tak terputus yang digunakan di mobil.

Untuk menghilangkan kesalahan kumulatif, ada tiga titik waktu yang memungkinkan selama pengoperasian normal baterai: akhir pengisian daya (EOC), akhir pengosongan (EOD), dan Istirahat (Relax). Kondisi akhir pengisian menunjukkan bahwa baterai terisi penuh dan SOC harus 100%. Kondisi pengisian daya akhir menunjukkan bahwa baterai telah kosong sepenuhnya dan status pengisian daya (SOC) harus 0%. Ini bisa menjadi nilai tegangan absolut atau bervariasi dengan beban. Saat mencapai kondisi istirahat, baterai tidak diisi atau dikosongkan dan tetap seperti itu untuk waktu yang lama. Jika pengguna ingin menggunakan keadaan istirahat baterai untuk koreksi kesalahan pengukuran coulomb, itu harus dilengkapi dengan voltmeter sirkuit terbuka saat ini. Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa kesalahan pengisian daya dapat diperbaiki pada kondisi di atas.


2 .3 Metode pengukuran Coulomb
Metode Coulomb beroperasi dengan menghubungkan resistor pendeteksi di sepanjang jalur pengisian/pengosongan baterai. ADC mengukur voltase melintasi resistor pendeteksi, yang diubah menjadi nilai arus di mana baterai sedang diisi atau dikosongkan. Penghitung waktu nyata (RTC) menyediakan integral dari nilai arus ini terhadap waktu untuk mengetahui berapa banyak coulomb yang mengalir.

Gambar 7. Cara kerja dasar metrologi Coulomb

Metode pengukuran coulomb dapat secara akurat menghitung status pengisian waktu nyata dalam proses pengisian atau pengosongan. Menggunakan penghitung coulomb muatan dan penghitung coulomb pengosongan, sisa kapasitas (RM) dan kapasitas muatan penuh (FCC) dapat dihitung. Pada saat yang sama, kapasitas sisa (RM) dan kapasitas terisi penuh (FCC) juga dapat digunakan untuk menghitung status muatan, yaitu (SOC = RM/FCC). Selain itu, juga dapat memperkirakan sisa waktu, seperti power depletion (TTE) dan full charge (TTF).

Dua faktor utama yang menyebabkan penyimpangan akurasi metode pengukuran Coulomb. Yang pertama adalah akumulasi kesalahan offset dalam pengukuran listrik dan ADC. Meskipun kesalahan pengukuran relatif kecil dengan teknologi saat ini, jika tidak ada metode yang baik untuk menghilangkannya, kesalahan tersebut akan meningkat seiring waktu. Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa dalam praktiknya jika tidak ada koreksi dari waktu ke waktu, tidak ada batas atas kesalahan kumulatif.

Untuk menghilangkan kesalahan kumulatif, ada tiga titik waktu yang memungkinkan selama pengoperasian normal baterai: akhir pengisian daya (EOC), akhir pengosongan (EOD), dan Istirahat (Relax). Kondisi akhir pengisian menunjukkan bahwa baterai terisi penuh dan SOC harus 100%. Kondisi pengisian daya akhir menunjukkan bahwa baterai telah kosong sepenuhnya dan status pengisian daya (SOC) harus 0%. Ini bisa menjadi nilai tegangan absolut atau bervariasi dengan beban. Saat mencapai kondisi istirahat, baterai tidak diisi atau dikosongkan dan tetap seperti itu untuk waktu yang lama. Jika pengguna ingin menggunakan keadaan istirahat baterai untuk koreksi kesalahan pengukuran coulomb, itu harus dilengkapi dengan voltmeter sirkuit terbuka saat ini. Gambar di bawah ini menunjukkan bahwa kesalahan pengisian daya dapat diperbaiki pada kondisi di atas.

Faktor utama kedua yang berkontribusi terhadap penyimpangan akurasi pengukuran Coulomb adalah kesalahan kapasitas muatan penuh (FCC), yang merupakan perbedaan antara nilai kapasitas desain baterai dan kapasitas muatan penuh sebenarnya dari baterai. Kapasitas muatan penuh (FCC) dapat dipengaruhi oleh suhu, penuaan, beban, dan faktor lainnya. Oleh karena itu, metode pembelajaran ulang dan kompensasi kapasitas pengisian penuh sangat penting untuk pengukuran Coulomb. Gambar berikut menunjukkan kecenderungan kesalahan status muatan ketika kapasitas muatan penuh dilebih-lebihkan dan diremehkan.

2.4 Koulometer algoritme tegangan dinamis
Koulometer algoritme tegangan dinamis dapat menghitung status pengisian baterai lithium hanya berdasarkan tegangan baterai. Metode ini didasarkan pada perbedaan antara tegangan baterai dan tegangan rangkaian terbuka baterai untuk memperkirakan peningkatan atau penurunan jumlah keadaan muatan. Informasi tegangan dinamis dapat secara efektif mensimulasikan perilaku baterai litium untuk menentukan SOC(%), tetapi metode ini tidak dapat memperkirakan kapasitas baterai (mAh).

Ini dihitung dengan menggunakan algoritma iteratif untuk menghitung setiap kenaikan atau penurunan SOC berdasarkan perbedaan dinamis antara tegangan baterai dan tegangan sirkuit terbuka untuk memperkirakan SOC. Berbeda dengan solusi Coulomb, coulometer algoritma tegangan dinamis tidak menumpuk kesalahan terhadap waktu dan arus. Koulometer Coulomb seringkali tidak akurat dalam memperkirakan status pengisian karena kesalahan pengukuran dan pengosongan sendiri baterai. Sekalipun kesalahan pengukuran sangat kecil, penghitung Coulomb terus menumpuk kesalahan yang hanya dapat dihilangkan dengan pengisian atau pengosongan penuh.

Koulometer algoritma tegangan dinamis memperkirakan keadaan pengisian baterai hanya dengan informasi tegangan. Karena tidak diperkirakan oleh informasi baterai saat ini, kesalahan tidak menumpuk. Untuk meningkatkan keakuratan status pengisian, algoritma tegangan dinamis perlu menggunakan perangkat nyata, yang menurutnya kurva tegangan baterai aktual pada kondisi pengisian penuh dan pengosongan penuh untuk menyesuaikan parameter algoritma yang dioptimalkan.

Berikut ini adalah kinerja dari algoritma tegangan dinamis pada tingkat debit yang berbeda. Seperti yang dapat dilihat dari gambar, status muatannya akurat. Terlepas dari kondisi pelepasan C/2, C/4, C/7, dan C/10, kesalahan keadaan keseluruhan dari metode ini kurang dari 3%.

Gambar berikut menunjukkan kinerja status pengisian daya dalam kondisi pengisian singkat dan pengosongan singkat baterai. Kesalahan status pengisian masih kecil, dan kesalahan maksimum hanya 3%.

ARA. 14. Kinerja algoritme tegangan dinamis dalam kasus pengisian singkat dan pengosongan singkat baterai

Dibandingkan dengan coulometer Coulomb, yang biasanya menghasilkan kondisi pengisian daya yang tidak akurat karena kesalahan pengukuran dan pengosongan sendiri baterai, algoritme tegangan dinamis tidak mengakumulasi kesalahan dari waktu ke waktu dan arus, yang merupakan keuntungan besar. Karena tidak ada informasi arus pengisian/pengosongan, algoritma tegangan dinamis dalam akurasi jangka pendek buruk, dan waktu respons lambat. Selain itu, tidak dapat memperkirakan kapasitas muatan penuh. Namun, kinerjanya baik dengan akurasi jangka panjang, karena voltase baterai pada akhirnya secara langsung mencerminkan status pengisiannya.