如何對淺放電應用中磷酸鐵鋰 (LiFePO4) 電池使用的TI 阻抗跟蹤電池電量計進(jìn)行微調

TI 的阻抗跟蹤 TM 電池電量計技術(shù)是一種功能強大的自適應算法，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)屬性結合可以非常準確地知道電池的充電狀態(tài) (SOC)，從而延長(cháng)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) 電池的極端穩定電壓狀態(tài)下要完成這項工作變得較為困難（請參見(jiàn)圖1），特別是如果無(wú)法對電池完全放電且讓其休息數小時(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 1 和參考文獻2 的阻抗跟蹤技術(shù)。

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(jìn)包括：

通過(guò)更好的溫度補償實(shí)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(xué)容量，其以毫安小時(shí) (mAh) 計算。一次正確的 Qmax 更新，必須滿(mǎn)足下列兩個(gè)條件：

1、 兩個(gè) 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(méi)有進(jìn)行數小時(shí)的充電或者放電）進(jìn)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(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，但電量計僅根據電壓來(lái)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(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進(jìn)行綜合。默認情況下，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)數據閃存參數的例子，我們需要在一個(gè)更低容量電池組配置中對其進(jìn)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(gè)并聯(lián)組，每組 3 節串聯(lián)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(jìn)行微調，以獲得最佳的性能。本文剩下部分將介紹這一過(guò)程。

實(shí)例計算

來(lái)看一下一個(gè)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(lèi)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中。放電率為 1C，且一個(gè) 5-mΩ 檢測電阻器用于電量計，目的是進(jìn)行庫侖計數。

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)行對比）。然而，根據具體的電池特性，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（請參見(jiàn)圖 2）。設計人員可以使用這種中間范圍低誤差窗口，實(shí)現數據閃存修改。由于僅能對高和低不合格電壓范圍進(jìn)行設定，因此主系統必須保證在 3309mV 以下不會(huì )進(jìn)行更低的 OCV 測量。（隨著(zhù)關(guān)聯(lián)誤差的增長(cháng)，OCV 測量誤差在 3274 和 3309mV 之間急劇增加。）雖然僅有一個(gè) 13-mV 窗口在更低 OCV 測量時(shí)起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其對應于一個(gè) 70% 到 64% 的 SOC 范圍。

磷酸鐵鋰電池具有非常長(cháng)的松弛時(shí)間，因此我們可以將數據閃存參數“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“Q 無(wú)效最大溫度”應修改為 55°C。另外，“Qmax 最大時(shí)間”應修改為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”，因為它們都會(huì )影響 OCV1 和 OCV2 測量之間的不合格時(shí)間。“Qmax 濾波器”是一個(gè)補償因數，其根據通過(guò)電荷來(lái)改變 Qmax。

設置這些參數的目的是基于測得的通過(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。

實(shí)例 1 Qmax 更新超時(shí)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(shí)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(shí)。

因此，從開(kāi)始到結束，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，一旦電量計進(jìn)行其下一個(gè)正確 OCV 讀取，計時(shí)器便會(huì )重新開(kāi)始。