電池備份存儲系統(tǒng)的電池電量監(jiān)測考慮因素

電池備份系統(tǒng)的精確電池電量監(jiān)測需要加以特別考慮。使用TI帶阻抗追蹤?　技術的電池電量計具有明顯的優(yōu)勢，其在電池老化時并不要求電池組完全放電來完成自動記憶（計算電量）。本文討論在備份應用中完成一次正確的電池自動記憶周期的不同實施方法和技巧。另外，我們還將對一個老化電池組容量和阻抗改變的案例研究進行回顧。

TI的阻抗追蹤算法利用電池的電壓、電流和阻抗測量結果，來精確地計算電池組的剩余電池容量及運行時間。最精確的電池電量監(jiān)測要求正確選擇電池的具體化學性質(zhì)。就本文而言，一共有六種不同類別的化學性質(zhì)，每種類別又有數(shù)種可選項。

在確定電池備份系統(tǒng)的電池老化程度時，主要問題是(1)電池的最大化學容量(Qmax)，其單位為毫安-小時(mAh)，以及(2)電池的實際測得阻抗(R_a表值)，其將根據(jù)負載和溫度決定真實的電池運行時間。

最值得注意的是，高溫將對Qmax和內(nèi)部電池阻抗產(chǎn)生不利影響。低壓（標準4.2-V電池為3.9V和4.1V之間）下對電池充電和儲存會延長其使用壽命，但這樣做的代價是更短的運行時間。

以前的一些電池電量監(jiān)測技術要求電池完全放電來更新容量信息。阻抗追蹤技術消除了這種完全放電要求，取而代之的是使用兩個松馳電壓測量點來更新Qmax。在默認固件中，一般是在電池充電狀態(tài)(SOC)變化約40%前后執(zhí)行這些電壓測量。利用TI的改進版固件，該SOC范圍可以降至10%，以用于“淺”放電。降低Qmax更新的SOC范圍會影響電池電量監(jiān)測的精確度；SOC范圍使用越多，精確度越高。

需要根據(jù)電池化學性質(zhì)，來在規(guī)定電壓范圍內(nèi)執(zhí)行兩次松馳電壓測量。若想查看根據(jù)電池化學性質(zhì)確定的不合格Qmax更新電壓范圍Excel?文件，請訪問http:///lit/zip/slua372

表1為該文件的一個摘錄。如表所示，如果化學ID為0100，則不允許Qmax-更新電壓測量位于3737和3800mV之間，因為該SOC的電壓分布平坦。這一不合格的電壓范圍基于對至少一個小時休眠期之后電池降電壓的測量。在大于C/10負載的放電期間，會執(zhí)行阻抗測量和更新。（“C放電率”評定是基于電池容量得出的。如果3s2p電池組具有4400mAh的設計容量，則C/10放電率為440mA。這種情況下，安全放電率為500mA。）

為了存儲不同SOC值的變化電阻，我們使用了15個網(wǎng)格點。如果一個網(wǎng)格點被重新計算，則所有后續(xù)網(wǎng)格點都要做相應修改。需要進行超過500秒的放電，以避免瞬態(tài)效應和電阻值失真。

如何開始一個Qmax電池自動記憶周期

TI擁有顯示狀態(tài)并允許控制“阻抗追蹤”電量計參數(shù)的評估軟件。確認電池電壓在不合格范圍以外后，可向該電量計發(fā)送一條“重置”命令，設置R_DIS位，并清除VOK位。電量計完成正確的OCV測量以后，R_DIS位將會被清除?，F(xiàn)在，可以開始電池充電或者放電，其將在數(shù)秒時間內(nèi)設置VOK位。利用針對10%淺SOC變化設置的固件，可允許充電/放電改變SOC至少15%。停止充電/放電周期以后，允許電池放電（徹底耗盡狀態(tài)長達5小時）至不合格電壓范圍以外。VOK位應該清除，其表明第二個有效OCV測量已執(zhí)行，并且順利完成了Qmax更新。

表1基于電池化學性質(zhì)的不合格Qmax-更新電壓范圍

下列兩個例子介紹了電池備份系統(tǒng)的不同系統(tǒng)實施。

示例1無源電池放電

在這種結構中，電量計芯片組的有源電流(~375 μA)可用于更長時間的電池放電。根據(jù)電池組的具體容量，該時間可以為數(shù)月。通過設置“Operation Cfg A”寄存器的SLEEP位為0，可以編程實現(xiàn)讓電量計持續(xù)保持在主動模式下。另一種方法是使用“Operation Cfg B”數(shù)據(jù)閃存寄存器中設置的固定位(NR=0)置位/PRES GPI。

利用針對Qmax更新淺放電（例如：20%）改進的固件，允許電池組放電至其容量的75%，然后再將電池充電至滿電量。Qmax參數(shù)可相應得到的更新。請注意，這種循環(huán)周期期間，只有Qmax值而非電池阻抗（R_a表值）獲得更新。我們假設在充電結束時允許有數(shù)小時的休眠，以進行第二個松馳電壓測量。

示例2：有源電池放電

在這種結構中，系統(tǒng)的放電電阻可用于有源地對電池放電。這應由電池組內(nèi)部或者系統(tǒng)外置的主處理器來控制。如前所述，阻抗網(wǎng)格點更新要求500秒鐘C/10以上的放電電流。

即使10%最小放電要求應用于Qmax更新，理想情況下電池組也應通過兩個阻抗網(wǎng)格點更新獲得放電。這些都發(fā)生在約11% SOC間隔的放電期間（即89%、78%、63%、52%等）。這種情況下，100%到75%電量的放電便已足夠。如果由于持久性原因，在SOC位于80%時存儲電池電量，則在25%放電內(nèi)便會出現(xiàn)兩次阻抗網(wǎng)格點更新。

正確的Qmax更新僅發(fā)生在被充電或放電分隔的兩次連續(xù)松馳電壓測量完成之后（假設兩次測量均位于指定化學ID的不合格電壓范圍以外）。因此，在電池組被有源地放電至其電量的75%以后，便要求數(shù)小時的休息，具體情況取決于SOC。（根據(jù)不同的電池化學性質(zhì)，半充電狀態(tài)要求長達3.5小時，而完全放電狀態(tài)則要求長達5小時。）

案例研究

微太陽科技公司(Microsun Technologies)的3s4p 8.8-Ah電池組具有許多使用2006年6月生產(chǎn)的bq20z80芯片組的LGDS218650電池，我們通過它來研究長期蓄電效應。電池組在沒有充放電循環(huán)的情況下，以約45%的電量在室溫下存放兩年。重要參數(shù)為Qmax變化和電池阻抗變化，以及剩余電量和運行時間計算的精確度。這些電池的估計自放電低于每年4%。

3Ω的恒定電阻負載用于電池組放電（相當于約3.5A放電率）。Qmax變化和阻抗值變化分別顯示在表2（下一頁）和圖1中。平均而言，Qmax降低3%，而電池阻抗增加35%。同這些電池變化一樣，兩年休眠期以后的初始放電周期精確度大于99%；特別是，達到終止電壓時報告了67 mAh的電量（67 mAh/8819 Qmax = 0.00761,即0.761%的誤差）。

圖1隨時間變化而變化的電池阻抗

表2樣品電池組放電前后的Qmax和電池阻抗值