如何對(duì)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)行微調(diào)

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(huì)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(zhǎng)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(qǐng)參見(jiàn)圖1），特別是如果無(wú)法對(duì)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(kāi)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)。圖 1基于 DOD的電池 OCV測(cè)量TI 建議所有磷酸鐵鋰電池都使用阻抗跟蹤 3 (IT3) 算法。IT3 對(duì)早期阻抗跟蹤算法的改進(jìn)包括：通過(guò)更好的溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)更佳的低溫性能更多濾波，以防止出現(xiàn) SOC 容量跳躍更高的精度，用于磷酸鐵鋰電池的非理想 OCV 讀取保守的剩余容量估算，以及額外的負(fù)載選擇配置IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq27541-V200 電量監(jiān)測(cè)計(jì)中（所列并非全部）。Qmax 更新的典型條件阻抗跟蹤算法將 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(gè)條件：1、 兩個(gè) OCV 測(cè)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(duì)一塊閑置電池（沒(méi)有進(jìn)行數(shù)小時(shí)的充電或者放電）進(jìn)行 OCV 測(cè)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(cè)量。實(shí)際上，這就是 OCV 測(cè)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(lái)確定不合格范圍。表 1 摘選自參考文獻(xiàn) 3，其根據(jù) Qmax 更新的化學(xué)屬性列出不合格的電壓范圍2、 最小通過(guò)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(guò)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(wú)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(lái)看一個(gè)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)的例子，我們需要在一個(gè)更低容量電池組配置中對(duì)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(gè)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(píng)估軟件中對(duì)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(guò)程。實(shí)例計(jì)算來(lái)看一下一個(gè)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(chǔ)系統(tǒng)中。放電率為 1C，且一個(gè) 5-mΩ 檢測(cè)電阻器用于電量計(jì)，目的是進(jìn)行庫(kù)侖計(jì)數(shù)。如表 1 所示，化學(xué) ID 404 的 OCV 測(cè)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(jiàn)化學(xué) ID 409 進(jìn)行對(duì)比）。然而，根據(jù)具體的電池特性，為淺放電 Qmax 更新找出一個(gè)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(qǐng)參見(jiàn)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(duì)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(huì)進(jìn)行更低的 OCV 測(cè)量。（隨著關(guān)聯(lián)誤差的增長(zhǎng)，OCV 測(cè)量誤差在 3274 和 3309mV 之間急劇增加。）雖然僅有一個(gè) 13-mV 窗口在更低 OCV 測(cè)量時(shí)起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其對(duì)應(yīng)于一個(gè) 70% 到 64% 的 SOC 范圍。磷酸鐵鋰電池具有非常長(zhǎng)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(wú)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)）。圖 2 1-mV 電壓誤差的 SOC 關(guān)聯(lián)誤差要將 Qmax 通過(guò)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?huì)影響 OCV1 和 OCV2 測(cè)量之間的不合格時(shí)間。“Qmax 濾波器”是一個(gè)補(bǔ)償因數(shù)，其根據(jù)通過(guò)電荷來(lái)改變 Qmax。設(shè)置這些參數(shù)的目的是基于測(cè)得的通過(guò)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(duì)這些值進(jìn)行一些修改，以允許淺放電 Qmax 更新。實(shí)例 1 Qmax 更新超時(shí)期間要獲得 1000-mAh 電池 10-mΩ 檢測(cè)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(kāi)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(gè)正確 OCV 讀取，計(jì)時(shí)器便會(huì)重新開(kāi)始。實(shí)例 2 數(shù)據(jù)閃存參數(shù)修改在使用帶有一個(gè) 5-mΩ 檢測(cè)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(huì)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(guò)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(píng)估軟件中典型的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)，必須對(duì)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。表 2 根據(jù)系統(tǒng)使用情況可以由 TI 應(yīng)用人員修改的一些受保護(hù)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)1、 該參數(shù)在黃金影像 (golden image) 過(guò)程期間很重要。如果使用的是標(biāo)準(zhǔn) 4.2-V 鋰離子電池，且僅將其充電至 4.1V 系統(tǒng)電平，則在電池充電至 4.2V 以后進(jìn)行首次 Qmax 更新仍然必要，目的是滿足 90%容量變化的要求。根據(jù)電量計(jì)設(shè)定的化學(xué) ID 編碼，對(duì)規(guī)定電池容量即“設(shè)計(jì)容量”和估計(jì) DOD 的容量變化進(jìn)行開(kāi)始和結(jié)束點(diǎn)檢查。2、 計(jì)算 Qmax 時(shí)，寬范圍溫度變化會(huì)引起誤差。在高或低溫下正常工作的系統(tǒng)中，對(duì)該參數(shù)進(jìn)行修改是必要的。Qmax 更新事件下列事件描述了實(shí)例 1 和 2 所述數(shù)據(jù)閃存參數(shù)改變以后，實(shí)現(xiàn)一次 Qmax 更新的一種實(shí)用方法。1、電池電壓位于圖 2 所示低關(guān)聯(lián)誤差窗口內(nèi)時(shí)應(yīng)該開(kāi)始一次 Qmax 更新。設(shè)計(jì)人員的自有算法可用于將電池放電/充電至這一范圍內(nèi)。2、本實(shí)例中，為了進(jìn)入該有效測(cè)量范圍（化學(xué) ID 為 404），所有電池電壓都必須大于或者等于 3309mV，且小于或者等于 3322mV。如果常規(guī)放電期間電池電壓恰好位于有效范圍以外，則在 18000 秒設(shè)定“OCV 等待時(shí)間”以前必須開(kāi)始另一個(gè)放電或者充電周期。如果 6 小時(shí) 10 分鐘以后，所有電池電壓均在 3309 到 3322mV 范圍內(nèi)，則進(jìn)行了一次正確的 OCV 測(cè)量。3、下一步是對(duì)電池完全放電。一旦電池充滿（即 100% SOC），其在進(jìn)行第二次OCV 測(cè)量以前應(yīng)該再休息 6 小時(shí) 10 分鐘。之后，Qmax 值被更新。如果充電進(jìn)行了約 2 小時(shí)，則超時(shí)期間至少需要 8 小時(shí)。由實(shí)例 2 中 16.5 小時(shí)超時(shí)期間的計(jì)算，我們知道時(shí)間綽綽有余，額外多出 8.5 小時(shí)的緩沖時(shí)間。4、電量計(jì)處在開(kāi)啟模式下時(shí)向電量計(jì)發(fā)布一條 ResetCommand (0x41)，可以重置 OCV 計(jì)時(shí)器。表 3 顯示了使用舉例電池組配置時(shí)如描述的那樣循環(huán)操作電池所得到的結(jié)果。表 3 全周期和淺充電 Qmax 更新的結(jié)果¹從耗盡充電到充滿結(jié)論TI 的阻抗跟蹤技術(shù)是一種非常精確的算法，用于通過(guò)電池使用時(shí)間來(lái)確定電池SOC。在一些磷酸鐵鋰電池應(yīng)用中，利用一段時(shí)間的閑置來(lái)對(duì)電池進(jìn)行完全放電是不可能的，因此研究一種 Qmax 更新的淺放電方法是必要的。本文介紹了實(shí)現(xiàn)一次淺放電 Qmax 更新需要考慮的因素和數(shù)據(jù)閃存編程配置。對(duì)這些參數(shù)的修改，必須由 TI 應(yīng)用人員根據(jù)系統(tǒng)配置和要求批準(zhǔn)之后才能進(jìn)行。參考文獻(xiàn)如欲了解本文的更多詳情，請(qǐng)登錄：www.ti.com/lit/litnumber（用下列 TI 文獻(xiàn)編號(hào)代替 litnumber），下載 Acrobat® Reader® 文檔。相關(guān)網(wǎng)址power.ti.comwww.ti.com/sc/device/partnumber用 BQ20Z40-R1 或 BQ27541-V200 代替 partnumber