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作者：Keith James Keller，德州儀器 (TI) 模擬現場應用 TI 的阻抗跟蹤TM電池電量計技術是一種專有算法，它可獲取隨時間變化的電量和阻抗信息，從而精確地計算出充電狀態（SOC）和剩余電量。 電池備用電源應用中，每隔幾天電池便會出現短暫的充電以對自放電進行再補充，很少會出現完全放電的情況。在處理這種應用時，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，必須關閉電量計的平衡功能，或者必須使用一種增強型固件。本文將介紹一款TI專門為bq20z45-R1電量監測計而開發的固件，它對數據閃存參數進行編程以實現正常電池循環和最佳的平衡結果。我們還將介紹當正常工作狀態下閉關平衡功能時實現離線電池平衡的一些原則。 圖1顯示了TI經過約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。在充電結束時（約0% DOD），電壓上升明顯，其導致明顯的電池到電池電壓發散，從而進一步使SOC估算和電池平衡變得更加復雜。 
圖1 鋰電池的電壓密度曲線 消除工作期間的Qmax更新 在現場運行時，允許無Qmax更新。盡管不要求，但是一種高度可靠電池備用電源應用的理想情況是，通過制造工藝期間的完全放電來確定封裝的Qmax。知道Qmax以后，無需再更新Qmax。 確定初始Qmax的事件 表1顯示了bq20z45-R1的典型增強型數據閃存參數，其固件為7.02版，必須通過TI的bq評估軟件工具進行修改，以實現一次Qmax更新。這些特殊參數均受到保護（類別為“隱藏”），但可通過TI的應用技術人員解鎖。表1的電池參數來自TI數據庫，用于404化學ID的2串聯、2并聯（2s2p）2500mAh LiFePO4電池組。該表還列舉了必須根據這些特性對數據閃存參數進行的一些修改。“C配置運行”寄存器修改，實現了7.02固件提供的一些新功能。“OCV等待時間”和“最大三角V”修改，可在充電完成后立即進行OCV測量。“最大電量誤差”和“Qmax濾波器”修改，給更小電量電池的Qmax更新留出更多的時間（原因是使用18650尺寸的LiFePO4電池一般僅有1100mAh電池） 一旦默認值被改變，便可利用這種方法實現一次理想的Qmax更新。 表 1 TI 應用人員可以根據系統特性解鎖的受保護的數據閃存參數
1、Qmax更新周期開始 在一次完全充電以后電池閑置時應開始Qmax更新周期。理想情況下，電池應盡可能地“休息”。但是，如果由于板上電路，電池組有較高的自放電電流，則這種等待時間可短至2小時。 2、完全充電與有效OCV信息獲取 當充電終止時，在電池電壓穩定以前，必須發送IT激活命令（0X0021）來阻止獲取OCV信息。之后，應盡可能地允許電池休息。壓降期間，LiFePO4電池組的一節電池往往會在充電末尾逃離。通過充電至更低電壓（每節電池3.5V），或者在一節電池的電壓超過或者低于其它電池20mV時關閉充電器，可以防止這種電壓偏移現象出現。 就化學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ID。更多詳情，請參見《參考文獻1》和本文結尾處的“相關網站”。 再次發送IT激活命令，以開始Qmax更新過程。在發送該命令以后，在放電開始以前需等待5分鐘，原因有兩個：（1）清除5分鐘積累的庫倫計數字濾波器；（2）讓電量計有時間在激活命令發送以后完成計算工作。 3、放電與休息 電池應放電至空電量，也即電壓降至最小不合格電壓以下。電池休息時，其電壓上升。在“Qmax最大時間”設置規定的完整休息時間加上5分鐘緩沖時間期間，所有電池電壓都必須保持在最小不合格電壓以下。 4、Qmax更新完成 可從數據閃存“狀態”補償82/Qmax電池補償0-8讀取已更新的Qmax值。如果Qmax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建黃金鏡像數據，應運行幾個充電和放電周期，以獲得可靠的Qmax和電阻表（Ra表）值。使用LiFePO4電池時，最好是在前述過程之后的放電周期，更新Qmax。 在黃金周期的充電和放電周期，利用bq評估軟件工具創建一個日志文件（.LOG），這一點很重要。這樣，便可以利用TI應用人員提供的Mathcad®計算工具，驗證Qmax和Ra表值的正確性。 在創建黃金電量監測計（.GG）文件以后，應將基于周期數據的保守數值分配給Qmax值。每個電池的Ra表值分配集應相同，而并聯電池的Qmax值也應相同。使用連續周期的非對稱Qmax和Ra表開始值，可能會引起SOC誤差和平衡問題。表2列舉出了經過調整的黃金.GG值的一個例子，它可以改善2s2p電池組配置的電池平衡性。 表2 相比黃金.GG文件的數據閃存參數例子
在黃金鏡像數據創建期間和正常工作期間，應關閉電量監測計的充電超時功能即FC-MTO（設置為0），這樣便可在不要求放電來清除該計時器的情況下連續充滿電池。FC-MTO隱藏在TI的bq20z4x/7x產品中，但幸運的是，它已被默認設置為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節或者4節串聯電池而言，應僅在電池備用電源應用中使用內部電池平衡。這是因為，利用外部電池平衡時，相鄰的電池無法得到正確的平衡。但是，在2節串聯電池組中，允許使用外部電池平衡。由于備用電池大多數時候均處于休息狀態，充電時間較少，因此需要正確地平衡相鄰電池2。 如前所述，必須對增強型bq20z45-R1固件的數據閃存參數進行修改，以用于電池備用電源應用，并適應設計人員的特殊電池組特性（本文中為化學ID404）。增強型固件提供對整個休息期間OCV值的加權測量，并在充電完成后首次OCV測量以后立即鎖定電池平衡計算。另外，它在上電以后或者重置狀態下，讓不合格范圍內的電池平衡失效。 建議定期放電來更新Ra-表值。放電期間SOC每變化約11%便對這些值進行更新（例如：89%、78%、67%等）。 另外，利用電量監測計的備用電量功能，可估算和補償隨時間而產生的電池電量損失。補償電量損失的另一種方法是讓主機系統進行計算。如果系統將在沒有Qmax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布IT激活命令（0x0021）來確保沒有出現Qmax更新。 無增強型固件時的離線電池平衡 TI的bq20z6x/7x/8x/9x器件沒有LiFePO4電池增強型固件。如果這些器件用于待機應用中，則在正常工作期間必須關閉平衡功能。通過設置最小電池偏差為0可以實現這個目標。如果主機系統確定電池隨時間而出現錯配，則應采取如下步驟： 1、 設置最小電池偏差為1909（或者《參考2》中計算的任何正確值），開啟電池平衡。 結合前面所述事件和條件，采取步驟2到6，以確保有效Qmax更新。 2、 電池完全放電，并允許電池休息5小時5分鐘（或者5分鐘以上，設置“Qmax最大時間”）。一旦在零電量時出現這種電池休息，則可通過測量每節電池的電壓來準確估算SOC。 3、 將電池完全充電，以允許在整個充電周期進行電池平衡。 4、 充電完成以后，主機系統應發送一條IT激活命令，讀取電池電壓，然后決定是否需要另一個深度放電平衡周期和休息。 5、 如果需要另一個平衡周期，則馬上開始完全放電，并如前所述在零電量時要求再休息5小時5分鐘。 6、 在確定需要正確平衡的電池以后，應再把最小電池偏差設置為0，以使電池平衡失效。 結論 TI的阻抗跟蹤電池電量計技術是一種自適應計量算法，它可以在整個電池壽命周期對電池SOC進行準確的測量。但是，在電池備用電源應用中，為了獲得最佳的運行效果，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電池增強型bq20z45-R1固件，實現正確的電池平衡，以及獲得可靠的Qmax更新，從而達到最佳的準確性。 參考文獻 1、《在淺放電應用中對TI的LiFePO4電池阻抗跟蹤TM電池電量計進行微調》，作者 Keith James Keller，刊發于《模擬應用雜志》（2011年第1季度），網址：www.ti.com/slyt402-aaj 2、《使用外部MOSFET實現快速電池平衡》，作者Simon Wen，刊發于《應用報告》，網址：www.ti.com/ slua420-aaj 3、《bq20zxx產品系列阻抗跟蹤TM電池電量計算法理論與實現》，刊發于《應用報告》，網址：www.ti.com/ slua364-aaj 4、《電池備用存儲系統的電量計考慮》，作者Keith James Keller，刊發于《模擬應用雜志》（2010年第1季度），網址：www.ti.com/slyt364-aaj 相關網站 電源管理： www.ti.com/power-aaj www.ti.com/bq20z45-r1-aaj www.ti.com/bq20z70-v160-aaj www.ti.com/bq20z80a-v110-aaj www.ti.com/bq27520-g3-aaj www.ti.com/bq27541-g1-aaj bq評估軟件工具下載地址： www.ti.com/bq20z45-r1-bqeasy-sw-aaj bq評估軟件工具電量監測計化學更新器下載地址： www.ti.com/gasgaugechem-aaj 《模擬應用雜志》訂閱地址： www.ti.com/subscribe-aaj |
