如何對淺放電應(yīng)用中磷酸鐵鋰(LiFePO4)電池使用的TI阻抗跟蹤電池電量計(jì)進(jìn)行

TI 的阻抗跟蹤電池電量計(jì)技術(shù)是一種功能強(qiáng)大的自適應(yīng)算法，其會記住電池特性隨時(shí)間的變化情況。將這種算法與電池組具體的化學(xué)屬性結(jié)合可以非常準(zhǔn)確地知道電池的充電狀態(tài) (SOC)，從而延長電池組使用壽命。

然而，更新電池總化學(xué)容量 (Qmax) 相關(guān)信息要求具備某些條件。磷酸鐵鋰(LiFePO4) 電池的極端穩(wěn)定電壓狀態(tài)下要完成這項(xiàng)工作變得較為困難（請參見圖1），特別是如果無法對電池完全放電且讓其休息數(shù)小時(shí)那就更加困難了。圖 1顯示了典型開路電壓 (OCV) 特性與鈷酸鋰 (LiCoO2) 和磷酸鐵鋰 (LiFePO4)電池化學(xué)屬性放電深度 (DOD) 的關(guān)系。本文主要討論參考文獻(xiàn) 1 和參考文獻(xiàn)2 的阻抗跟蹤技術(shù)。

TI 建議所有磷酸鐵鋰電池都使用阻抗跟蹤 3 (IT3) 算法。IT3 對早期阻抗跟蹤算法的改進(jìn)包括：

IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq27541-V200 電量監(jiān)測計(jì)中（所列并非全部）。

阻抗跟蹤算法將 Qmax 定義為電池的總化學(xué)容量，其以毫安小時(shí) (mAh) 計(jì)算。一次正確的 Qmax 更新，必須滿足下列兩個條件：

1、 兩個 OCV 測量必須在不合格電壓范圍以外進(jìn)行，基于 TI 確定的電池化學(xué)身份 (ID) 編碼。只能對一塊閑置電池（沒有進(jìn)行數(shù)小時(shí)的充電或者放電）進(jìn)行 OCV 測量。

參考文獻(xiàn) 3 列出了一些不合格電壓范圍，其中一些顯示在表 1 中。我們可以看到，就化學(xué) ID 編碼 100 而言，如果任何電池電壓超出 3737mV或者低于 3800mV 則不允許進(jìn)行 OCV 測量。實(shí)際上，這就是 OCV 測量獲得最佳精確度的“禁用”范圍。雖然本文給出了 SOC 百分比，但電量計(jì)僅根據(jù)電壓來確定不合格范圍。

2、 最小通過電荷量必須由電量計(jì)進(jìn)行綜合。默認(rèn)情況下，其為總電池容量的37%。為了進(jìn)行淺放電 Qmax 更新，這一通過電荷百分比可以降低至 10%。這種降低的代價(jià)是 SOC 精確度的損失，但在其它他無法更新 Qmax 的系統(tǒng)中是容許的。

既然我們理解了淺放電 Qmax 更新的要求，那么讓我們來看一個數(shù)據(jù)閃存參數(shù)的例子，我們需要在一個更低容量電池組配置中對其進(jìn)行修改。默認(rèn)阻抗跟蹤算法基于典型筆記本電腦電池組，該電池組擁有 2 個并聯(lián)組，每組 3 節(jié)串聯(lián)電池，即 3s2p 配置結(jié)構(gòu)。每組有 2200-mAh 容量，因此總?cè)萘繛?4400hAh。磷酸鐵鋰電池的容量約為其一半，因此如果以 3s1p 配置使用它們，則總電池組容量為1100mAh。如果使用像這樣的更小容量電池組，需要在 TI 的電量計(jì)評估軟件中對具體的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，以獲得最佳的性能。本文剩下部分將介紹這一過程。

來看一下一個使用 A123 系統(tǒng) TM1100-mAh 18650 磷酸鐵鋰/碳精棒電池的3s1p 配置電池組。這種電池類型的 TI 化學(xué) ID 編碼為 404。這種電池將用于50°C 左右正常溫度的存儲系統(tǒng)中。放電率為 1C，且一個 5-mΩ 檢測電阻器用于電量計(jì)，目的是進(jìn)行庫侖計(jì)數(shù)。

如表 1 所示，化學(xué) ID 404 的 OCV 測量的不合格電壓范圍為 3274mV（最小值，即 ~34% SOC）到 3351mV（最大值，即 ~93% SOC）。大多數(shù)磷酸鐵鋰電池都有非常寬的不合格電壓范圍（參見化學(xué) ID 409 進(jìn)行對比）。然而，根據(jù)具體的電池特性，為淺放電 Qmax 更新找出一個更高的最小不合格電壓是可能的?；瘜W(xué) ID 為 404 時(shí)，將這一值升高至 3322mV 是可能的，從而允許 3309 到3322 mV 的淺放電 Qmax 更新窗口（請參見圖 2）。設(shè)計(jì)人員可以使用這種中間范圍低誤差窗口，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)閃存修改。由于僅能對高和低不合格電壓范圍進(jìn)行設(shè)定，因此主系統(tǒng)必須保證在 3309mV 以下不會進(jìn)行更低的 OCV 測量。（隨著關(guān)聯(lián)誤差的增長，OCV 測量誤差在 3274 和 3309mV 之間急劇增加。）雖然僅有一個 13-mV 窗口在更低 OCV 測量時(shí)起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其對應(yīng)于一個 70% 到 64% 的 SOC 范圍。

磷酸鐵鋰電池具有非常長的松弛時(shí)間，因此我們可以將數(shù)據(jù)閃存參數(shù)“OCV 等待時(shí)間”增加至 18000 秒（5 小時(shí)）。由于電池的正常工作溫度得到提高，因此參數(shù)“Q 無效最大溫度”應(yīng)修改為 55°C。另外，“Qmax 最大時(shí)間”應(yīng)修改為21600 秒（6 小時(shí)）。

要將 Qmax 通過電荷從 37% 降低至 10%，需要修改“DOD 最大容量誤差”、“最大容量誤差”和“Qmax 濾波器”，因?yàn)樗鼈兌紩绊?OCV1 和 OCV2 測量之間的不合格時(shí)間?！癚max 濾波器”是一個補(bǔ)償因數(shù)，其根據(jù)通過電荷來改變 Qmax。

設(shè)置這些參數(shù)的目的是基于測得的通過電荷獲得 1% 以下的“最大容量誤差”，包括 ADC 最大補(bǔ)償誤差（“CC 靜帶”）。但是，需要對這些值進(jìn)行一些修改，以允許淺放電 Qmax 更新。

要獲得 1000-mAh 電池 10-mΩ 檢測電阻器 1% 以下的累積誤差，以及硬件設(shè)置 10μV 固定值的“CC 靜帶”，Qmax 更新的超時(shí)期間由下列情況決定：

10 μV/10 mΩ = 1-mA 補(bǔ)償電流。

1000-mAh 容量× 1% 允許誤差=10-mAh 容量誤差。

10-mAh 電容誤差/1-mA 補(bǔ)償電流=10 小時(shí)。

因此，從開始到結(jié)束，包括休息時(shí)間，僅有 10 小時(shí)可用于完成一次 Qmax 更新。10 小時(shí)超時(shí)以后，一旦電量計(jì)進(jìn)行其下一個正確 OCV 讀取，計(jì)時(shí)器便會重新開始。

在使用帶有一個 5-mΩ 檢測電阻器的 1100-mAh 電池設(shè)計(jì)方案中，可以使用相同方法計(jì)算得到 Qmax 更新的超時(shí)期間：

10 μV/5 mΩ = 2-mA 補(bǔ)償電流。

1100 mAh × 1% = 11 mAh。

11 mAh/2-mA 補(bǔ)償電流= 5.5 小時(shí)。

這種情況下，需要放寬容量誤差百分比，以增加 Qmax 超時(shí)。將“最大容量誤差”（從 1% 的默認(rèn)值）修改為 3%，得到：

1.1 Ah × 3% = 33 mAh

其會增加 Qmax 不合格時(shí)間到：

33 mAh/2-mA 容量誤差=16.5 小時(shí)。

需要將“DOD 容量誤差”設(shè)置為 2 倍“最大容量誤差”，因此可以將其改為 6%（默認(rèn)值為 2%）。

根據(jù)通過電荷的百分比，需要按比例減小“Qmax 濾波器”的默認(rèn)值 96：

“Qmax 濾波器”=96/(37%/10%) = 96/3.7 = 26

表 2 顯示了電量計(jì)評估軟件中典型的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)，必須對其進(jìn)行修改以實(shí)現(xiàn)淺放電 Qmax 更新。這些特殊參數(shù)均為受保護(hù)（歸為“隱藏”類），但可以由 TI的應(yīng)用人員解鎖。本表格所用舉例電池組為前面所述電池組，其為一種使用A123 1100-mAh 18650 LiFePO4/碳精棒電池（化學(xué) ID 為 404）的 3s1p 電池組。