利用阻抗跟蹤TM電量計(jì)改善電池備用系統(tǒng)的LiFePO4電池平衡

TI 的阻抗跟蹤電池電量計(jì)技術(shù)是一種專有算法，它可獲取隨時(shí)間變化的電量和阻抗信息，從而精確地計(jì)算出充電狀態(tài)（SOC）和剩余電量。

電池備用電源應(yīng)用中，每隔幾天電池便會(huì)出現(xiàn)短暫的充電以對(duì)自放電進(jìn)行再補(bǔ)充，很少會(huì)出現(xiàn)完全放電的情況。在處理這種應(yīng)用時(shí)，我們需要知道一些特殊條件。使用磷酸鐵鋰（lithium-iron-phosphate，即LiFePO4）電池時(shí)，必須關(guān)閉電量計(jì)的平衡功能，或者必須使用一種增強(qiáng)型固件。本文將介紹一款TI專門為bq20z45-R1電量監(jiān)測(cè)計(jì)而開發(fā)的固件，它對(duì)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)正常電池循環(huán)和最佳的平衡結(jié)果。我們還將介紹當(dāng)正常工作狀態(tài)下閉關(guān)平衡功能時(shí)實(shí)現(xiàn)離線電池平衡的一些原則。

圖1顯示了TI經(jīng)過約10年的分析所得出的所有鋰離子電池的單電池、開路電壓（OCV）電壓密度曲線圖與放電深度（DOD）的對(duì)比情況。（DOD剛好為1/SOC。）您可以看到，SOC曲線的很大一部分，LiFePO₄電池的電壓均非常扁平。這種電壓扁平，導(dǎo)致很難通過阻抗跟蹤算法精確地估算電池平衡所需的SOC。在充電結(jié)束時(shí)（約0% DOD），電壓上升明顯，其導(dǎo)致明顯的電池到電池電壓發(fā)散，從而進(jìn)一步使SOC估算和電池平衡變得更加復(fù)雜。

圖1鋰電池的電壓密度曲線

消除工作期間的Q_max更新

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，允許無Q_max更新。盡管不要求，但是一種高度可靠電池備用電源應(yīng)用的理想情況是，通過制造工藝期間的完全放電來確定封裝的Q_max。知道Q_max以后，無需再更新Q_max。

確定初始Q_max的事件

表1顯示了bq20z45-R1的典型增強(qiáng)型數(shù)據(jù)閃存參數(shù)，其固件為7.02版，必須通過TI的bq評(píng)估軟件工具進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)一次Q_max更新。這些特殊參數(shù)均受到保護(hù)（類別為“隱藏”），但可通過TI的應(yīng)用技術(shù)人員解鎖。表1的電池參數(shù)來自TI數(shù)據(jù)庫(kù)，用于404化學(xué)ID的2串聯(lián)、2并聯(lián)（2s2p）2500mAh LiFePO₄電池組。該表還列舉了必須根據(jù)這些特性對(duì)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行的一些修改?！癈配置運(yùn)行”寄存器修改，實(shí)現(xiàn)了7.02固件提供的一些新功能?！癘CV等待時(shí)間”和“最大三角V”修改，可在充電完成后立即進(jìn)行OCV測(cè)量?！白畲箅娏空`差”和“Q_max濾波器”修改，給更小電量電池的Q_max更新留出更多的時(shí)間（原因是使用18650尺寸的LiFePO₄電池一般僅有1100mAh電池）

一旦默認(rèn)值被改變，便可利用這種方法實(shí)現(xiàn)一次理想的Q_max更新。

表1 TI應(yīng)用人員可以根據(jù)系統(tǒng)特性解鎖的受保護(hù)的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)

1、Q_max更新周期開始

在一次完全充電以后電池閑置時(shí)應(yīng)開始Q_max更新周期。理想情況下，電池應(yīng)盡可能地“休息”。但是，如果由于板上電路，電池組有較高的自放電電流，則這種等待時(shí)間可短至2小時(shí)。

2、完全充電與有效OCV信息獲取

當(dāng)充電終止時(shí)，在電池電壓穩(wěn)定以前，必須發(fā)送IT激活命令（0X0021）來阻止獲取OCV信息。之后，應(yīng)盡可能地允許電池休息。壓降期間，LiFePO₄電池組的一節(jié)電池往往會(huì)在充電末尾逃離。通過充電至更低電壓（每節(jié)電池3.5V），或者在一節(jié)電池的電壓超過或者低于其它電池20mV時(shí)關(guān)閉充電器，可以防止這種電壓偏移現(xiàn)象出現(xiàn)。

就化學(xué)ID404而言，如果電池休息以后，電池組的電池最低電壓為3353mV或者更高，則可開始放電程序。如果休息期間，有電池電壓降至3353mV以下，則要求開始另一個(gè)充電周期，以充滿電池，必須再次開始該過程。不同電壓適用于不同的化學(xué)ID。更多詳情，請(qǐng)參見《參考文獻(xiàn)1》和本文結(jié)尾處的“相關(guān)網(wǎng)站”。

再次發(fā)送IT激活命令，以開始Q_max更新過程。在發(fā)送該命令以后，在放電開始以前需等待5分鐘，原因有兩個(gè)：（1）清除5分鐘積累的庫(kù)倫計(jì)數(shù)字濾波器；（2）讓電量計(jì)有時(shí)間在激活命令發(fā)送以后完成計(jì)算工作。

3、放電與休息

電池應(yīng)放電至空電量，也即電壓降至最小不合格電壓以下。電池休息時(shí)，其電壓上升。在“Q_max最大時(shí)間”設(shè)置規(guī)定的完整休息時(shí)間加上5分鐘緩沖時(shí)間期間，所有電池電壓都必須保持在最小不合格電壓以下。

4、Q_max更新完成

可從數(shù)據(jù)閃存“狀態(tài)”補(bǔ)償82/Q_max電池補(bǔ)償0-8讀取已更新的Q_max值。如果Q_max未知或者未更新，則重新開始更新周期，這樣電池便被再次充電至全電量，發(fā)布正確的命令，并且允許電池休息。

黃金周期

為了給所有電池組創(chuàng)建黃金鏡像數(shù)據(jù)，應(yīng)運(yùn)行幾個(gè)充電和放電周期，以獲得可靠的Q_max和電阻表（Ra表）值。使用LiFePO₄電池時(shí)，最好是在前述過程之后的放電周期，更新Q_max。

在黃金周期的充電和放電周期，利用bq評(píng)估軟件工具創(chuàng)建一個(gè)日志文件（.LOG），這一點(diǎn)很重要。這樣，便可以利用TI應(yīng)用人員提供的Mathcad?計(jì)算工具，驗(yàn)證Q_max和Ra表值的正確性。

在創(chuàng)建黃金電量監(jiān)測(cè)計(jì)（.GG）文件以后，應(yīng)將基于周期數(shù)據(jù)的保守?cái)?shù)值分配給Q_max值。每個(gè)電池的Ra表值分配集應(yīng)相同，而并聯(lián)電池的Q_max值也應(yīng)相同。使用連續(xù)周期的非對(duì)稱Q_max和Ra表開始值，可能會(huì)引起SOC誤差和平衡問題。表2列舉出了經(jīng)過調(diào)整的黃金.GG值的一個(gè)例子，它可以改善2s2p電池組配置的電池平衡性。

表2相比黃金.GG文件的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)例子

在黃金鏡像數(shù)據(jù)創(chuàng)建期間和正常工作期間，應(yīng)關(guān)閉電量監(jiān)測(cè)計(jì)的充電超時(shí)功能即FC-MTO（設(shè)置為0），這樣便可在不要求放電來清除該計(jì)時(shí)器的情況下連續(xù)充滿電池。FC-MTO隱藏在TI的bq20z4x/7x產(chǎn)品中，但幸運(yùn)的是，它已被默認(rèn)設(shè)置為0。TI的bq20z80將該功能稱作“FC-MTO”，而bq20z6x/9x則將其稱作“CMTO”。

電池平衡

就3節(jié)或者4節(jié)串聯(lián)電池而言，應(yīng)僅在電池備用電源應(yīng)用中使用內(nèi)部電池平衡。這是因?yàn)?，利用外部電池平衡時(shí)，相鄰的電池?zé)o法得到正確的平衡。但是，在2節(jié)串聯(lián)電池組中，允許使用外部電池平衡。由于備用電池大多數(shù)時(shí)候均處于休息狀態(tài)，充電時(shí)間較少，因此需要正確地平衡相鄰電池²。

如前所述，必須對(duì)增強(qiáng)型bq20z45-R1固件的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行修改，以用于電池備用電源應(yīng)用，并適應(yīng)設(shè)計(jì)人員的特殊電池組特性（本文中為化學(xué)ID404）。增強(qiáng)型固件提供對(duì)整個(gè)休息期間OCV值的加權(quán)測(cè)量，并在充電完成后首次OCV測(cè)量以后立即鎖定電池平衡計(jì)算。另外，它在上電以后或者重置狀態(tài)下，讓不合格范圍內(nèi)的電池平衡失效。

建議定期放電來更新Ra-表值。放電期間SOC每變化約11%便對(duì)這些值進(jìn)行更新（例如：89%、78%、67%等）。

另外，利用電量監(jiān)測(cè)計(jì)的備用電量功能，可估算和補(bǔ)償隨時(shí)間而產(chǎn)生的電池電量損失。補(bǔ)償電量損失的另一種方法是讓主機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)算。如果系統(tǒng)將在沒有Q_max更新的情況下工作，則主控制器必須通過在充電完成以后發(fā)布IT激活命令（0x0021）來確保沒有出現(xiàn)Q_max更新。

無增強(qiáng)型固件時(shí)的離線電池平衡

TI的bq20z6x/7x/8x/9x器件沒有LiFePO₄電池增強(qiáng)型固件。如果這些器件用于待機(jī)應(yīng)用中，則在正常工作期間必須關(guān)閉平衡功能。通過設(shè)置最小電池偏差為0可以實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)。如果主機(jī)系統(tǒng)確定電池隨時(shí)間而出現(xiàn)錯(cuò)配，則應(yīng)采取如下步驟：

1. 設(shè)置最小電池偏差為1909（或者《參考2》中計(jì)算的任何正確值），開啟電池平衡。結(jié)合前面所述事件和條件，采取步驟2到6，以確保有效Q_max更新。
2. 電池完全放電，并允許電池休息5小時(shí)5分鐘（或者5分鐘以上，設(shè)置“Qmax最大時(shí)間”）。一旦在零電量時(shí)出現(xiàn)這種電池休息，則可通過測(cè)量每節(jié)電池的電壓來準(zhǔn)確估算SOC。
3. 將電池完全充電，以允許在整個(gè)充電周期進(jìn)行電池平衡。
4. 充電完成以后，主機(jī)系統(tǒng)應(yīng)發(fā)送一條IT激活命令，讀取電池電壓，然后決定是否需要另一個(gè)深度放電平衡周期和休息。
5. 如果需要另一個(gè)平衡周期，則馬上開始完全放電，并如前所述在零電量時(shí)要求再休息5小時(shí)5分鐘。
6. 在確定需要正確平衡的電池以后，應(yīng)再把最小電池偏差設(shè)置為0，以使電池平衡失效。

結(jié)論

TI的阻抗跟蹤電池電量計(jì)技術(shù)是一種自適應(yīng)計(jì)量算法，它可以在整個(gè)電池壽命周期對(duì)電池SOC進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量。但是，在電池備用電源應(yīng)用中，為了獲得最佳的運(yùn)行效果，我們需要考慮一些問題，并做出一些修改。本文介紹了如何利用TI的LiFePO₄電池增強(qiáng)型bq20z45-R1固件，實(shí)現(xiàn)正確的電池平衡，以及獲得可靠的Q_max更新，從而達(dá)到最佳的準(zhǔn)確性。

參考文獻(xiàn)

1、《在淺放電應(yīng)用中對(duì)TI的LiFePO4電池阻抗跟蹤電池電量計(jì)進(jìn)行微調(diào)》，作者 Keith James Keller，刊發(fā)于《模擬應(yīng)用雜志》（2011年第1季度），網(wǎng)址：www.ti.com/slyt402-aaj

2、《使用外部MOSFET實(shí)現(xiàn)快速電池平衡》，作者Simon Wen，刊發(fā)于《應(yīng)用報(bào)告》，網(wǎng)址：www.ti.com/ slua420-aaj

3、《bq20zxx產(chǎn)品系列阻抗跟蹤電池電量計(jì)算法理論與實(shí)現(xiàn)》，刊發(fā)于《應(yīng)用報(bào)告》，網(wǎng)址：www.ti.com/ slua364-aaj

4、《電池備用存儲(chǔ)系統(tǒng)的電量計(jì)考慮》，作者Keith James Keller，刊發(fā)于《模擬應(yīng)用雜志》（2010年第1季度），網(wǎng)址：www.ti.com/slyt364-aaj