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作者：Keith James Keller，德州儀器 (TI) 模擬現場應用工程師 TI 的阻抗跟蹤電池電量計技術是一種功能強大的自適應算法，其會記住電池特性隨時間的變化情況。將這種算法與電池組具體的化學屬性結合可以非常準確地知道電池的充電狀態 (SOC)，從而延長電池組使用壽命。 然而，更新電池總化學容量 (Qmax) 相關信息要求具備某些條件。磷酸鐵鋰(LiFePO4) 電池的極端穩定電壓狀態下要完成這項工作變得較為困難（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小時那就更加困難了。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)電池化學屬性放電深度 (DOD) 的關系。本文主要討論參考文獻 1 和參考文獻2 的阻抗跟蹤技術。 圖 1 基于 DOD 的電池 OCV 測量 
TI 建議所有磷酸鐵鋰電池都使用阻抗跟蹤 3 (IT3) 算法。IT3 對早期阻抗跟蹤算法的改進包括： 通過更好的溫度補償實現更佳的低溫性能 更多濾波，以防止出現 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，以及額外的負載選擇配置 IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq27541-V200 電量監測計中（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容量，其以毫安小時 (mAh) 計算。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行，基于 TI 確定的電池化學身份 (ID) 編碼。只能對一塊閑置電池（沒有進行數小時的充電或者放電）進行 OCV 測量。 參考文獻 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 ID 編碼 100 而言，如果任何電池電壓超出 3737mV或者低于 3800mV 則不允許進行 OCV 測量。實際上，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，但電量計僅根據電壓來確定不合格范圍。 表 1 摘選自參考文獻 3，其根據 Qmax 更新的化學屬性列出不合格的電壓范圍
2、 最小通過電荷量必須由電量計進行綜合。默認情況下，其為總電池容量的37%。為了進行淺放電 Qmax 更新，這一通過電荷百分比可以降低至 10%。這種降低的代價是 SOC 精確度的損失，但在其它他無法更新 Qmax 的系統中是容許的。 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據閃存參數的例子，我們需要在一個更低容量電池組配置中對其進行修改。默認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 個并聯組，每組 3 節串聯電池，即 3s2p 配置結構。每組有 2200-mAh 容量，因此總容量為 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 的電量計評估軟件中對具體的數據閃存參數進行微調，以獲得最佳的性能。本文剩下部分將介紹這一過程。 實例計算 來看一下一個使用 A123 系統 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 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中。放電率為 1C，且一個 5-mΩ 檢測電阻器用于電量計，目的是進行庫侖計數。 如表 1 所示，化學 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）。大多數磷酸鐵鋰電池都有非常寬的不合格電壓范圍（參見化學 ID 409 進行對比）。然而，根據具體的電池特性，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。化學 ID 為 404 時，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）。設計人員可以使用這種中間范圍低誤差窗口，實現數據閃存修改。由于僅能對高和低不合格電壓范圍進行設定，因此主系統必須保證在 3309mV 以下不會進行更低的 OCV 測量。（隨著關聯誤差的增長，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 測量時起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其對應于一個 70% 到 64% 的 SOC 范圍。 磷酸鐵鋰電池具有非常長的松弛時間，因此我們可以將數據閃存參數“OCV 等待時間”增加至 18000 秒（5 小時）。由于電池的正常工作溫度得到提高，因此參數“Q 無效最大溫度”應修改為 55°C。另外，“Qmax 最大時間”應修改為21600 秒（6 小時）。 圖 2 1-mV 電壓誤差的 SOC 關聯誤差
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”，因為它們都會影響 OCV1 和 OCV2 測量之間的不合格時間。“Qmax 濾波器”是一個補償因數，其根據通過電荷來改變 Qmax。 設置這些參數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 最大補償誤差（“CC 靜帶”）。但是，需要對這些值進行一些修改，以允許淺放電 Qmax 更新。 實例 1 Qmax 更新超時期間 要獲得 1000-mAh 電池 10-mΩ 檢測電阻器 1% 以下的累積誤差，以及硬件設置 10μV 固定值的“CC 靜帶”，Qmax 更新的超時期間由下列情況決定： 10 μV/10 mΩ = 1-mA 補償電流。 1000-mAh 容量× 1% 允許誤差=10-mAh 容量誤差。 10-mAh 電容誤差/1-mA 補償電流=10 小時。 因此，從開始到結束，包括休息時間，僅有 10 小時可用于完成一次 Qmax 更新。10 小時超時以后，一旦電量計進行其下一個正確 OCV 讀取，計時器便會重新開始。 實例 2 數據閃存參數修改 在使用帶有一個 5-mΩ 檢測電阻器的 1100-mAh 電池設計方案中，可以使用相同方法計算得到 Qmax 更新的超時期間： 10 μV/5 mΩ = 2-mA 補償電流。 1100 mAh × 1% = 11 mAh。 11 mAh/2-mA 補償電流= 5.5 小時。 這種情況下，需要放寬容量誤差百分比，以增加 Qmax 超時。將“最大容量誤差”（從 1% 的默認值）修改為 3%，得到： 1.1 Ah × 3% = 33 mAh 其會增加 Qmax 不合格時間到： 33 mAh/2-mA 容量誤差=16.5 小時。 需要將“DOD 容量誤差”設置為 2 倍“最大容量誤差”，因此可以將其改為 6%（默認值為 2%）。 根據通過電荷的百分比，需要按比例減小“Qmax 濾波器”的默認值 96： “Qmax 濾波器”=96/(37%/10%) = 96/3.7 = 26 表 2 顯示了電量計評估軟件中典型的數據閃存參數，必須對其進行修改以實現淺放電 Qmax 更新。這些特殊參數均為受保護（歸為“隱藏”類），但可以由 TI的應用人員解鎖。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 ID 為 404）的 3s1p 電池組。 表 2 根據系統使用情況可以由 TI 應用人員修改的一些受保護數據閃存參數
1、 該參數在黃金影像 (golden image) 過程期間很重要。如果使用的是標準 4.2-V 鋰離子電池，且僅將其充電至 4.1V 系統電平，則在電池充電至 4.2V 以后進行首次 Qmax 更新仍然必要，目的是滿足 90%容量變化的要求。根據電量計設定的化學 ID 編碼，對規定電池容量即“設計容量”和估計 DOD 的容量變化進行開始和結束點檢查。 2、 計算 Qmax 時，寬范圍溫度變化會引起誤差。在高或低溫下正常工作的系統中，對該參數進行修改是必要的。 Qmax 更新事件 下列事件描述了實例 1 和 2 所述數據閃存參數改變以后，實現一次 Qmax 更新的一種實用方法。 1、電池電壓位于圖 2 所示低關聯誤差窗口內時應該開始一次 Qmax 更新。設計人員的自有算法可用于將電池放電/充電至這一范圍內。 2、本實例中，為了進入該有效測量范圍（化學 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。如果常規放電期間電池電壓恰好位于有效范圍以外，則在 18000 秒設定“OCV 等待時間”以前必須開始另一個放電或者充電周期。如果 6 小時 10 分鐘以后，所有電池電壓均在 3309 到 3322mV 范圍內，則進行了一次正確的 OCV 測量。 3、下一步是對電池完全放電。一旦電池充滿（即 100% SOC），其在進行第二次OCV 測量以前應該再休息 6 小時 10 分鐘。之后，Qmax 值被更新。如果充電進行了約 2 小時，則超時期間至少需要 8 小時。由實例 2 中 16.5 小時超時期間的計算，我們知道時間綽綽有余，額外多出 8.5 小時的緩沖時間。 4、電量計處在開啟模式下時向電量計發布一條 ResetCommand (0x41)，可以重置 OCV 計時器。 表 3 顯示了使用舉例電池組配置時如描述的那樣循環操作電池所得到的結果。 表 3 全周期和淺充電 Qmax 更新的結果
1從耗盡充電到充滿 結論 TI 的阻抗跟蹤技術是一種非常精確的算法，用于通過電池使用時間來確定電池SOC。在一些磷酸鐵鋰電池應用中，利用一段時間的閑置來對電池進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。本文介紹了實現一次淺放電 Qmax 更新需要考慮的因素和數據閃存編程配置。對這些參數的修改，必須由 TI 應用人員根據系統配置和要求批準之后才能進行。 參考文獻 如欲了解本文的更多詳情，請登錄：www.ti.com/lit/litnumber（用下列 TI 文獻編號代替 litnumber），下載 Acrobat® Reader® 文檔。 |
