利用阻抗跟蹤電量計改善電池備用系統的LiFePO4電池平衡

TI 的阻抗跟蹤電池電量計技術(shù)是一種專(zhuān)有算法，它可獲取隨時(shí)間變化的電量和阻抗信息，從而精確地計算出充電狀態(tài)（SOC）和剩余電量。

電池備用電源應用中，每隔幾天電池便會(huì )出現短暫的充電以對自放電進(jìn)行再補充，很少會(huì )出現完全放電的情況。在處理這種應用時(shí)，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(shí)，必須關(guān)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(zhuān)門(mén)為bq20z45-R1電量監測計而開(kāi)發(fā)的固件，它對數據閃存參數進(jìn)行編程以實(shí)現正常電池循環(huán)和最佳的平衡結果。我們還將介紹當正常工作狀態(tài)下閉關(guān)平衡功能時(shí)實(shí)現離線(xiàn)電池平衡的一些原則。

圖1顯示了TI經(jīng)過(guò)約10年的分析所得出的所有鋰離子電池的單電池、開(kāi)路電壓（OCV）電壓密度曲線(xiàn)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(xiàn)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(guò)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(shí)（約0% DOD），電壓上升明顯，其導致明顯的電池到電池電壓發(fā)散，從而進(jìn)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(xiàn)

消除工作期間的Q_max更新

在現場(chǎng)運行時(shí)，允許無(wú)Q_max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(guò)制造工藝期間的完全放電來(lái)確定封裝的Q_max。知道Q_max以后，無(wú)需再更新Q_max。

確定初始Q_max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(guò)TI的bq評估軟件工具進(jìn)行修改，以實(shí)現一次Q_max更新。這些特殊參數均受到保護（類(lèi)別為“隱藏”），但可通過(guò)TI的應用技術(shù)人員解鎖。表1的電池參數來(lái)自TI數據庫，用于404化學(xué)ID的2串聯(lián)、2并聯(lián)（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(jìn)行的一些修改。“C配置運行”寄存器修改，實(shí)現了7.02固件提供的一些新功能。“OCV等待時(shí)間”和“最大三角V”修改，可在充電完成后立即進(jìn)行OCV測量。“最大電量誤差”和“Q_max濾波器”修改，給更小電量電池的Q_max更新留出更多的時(shí)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(shí)現一次理想的Q_max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、Q_max更新周期開(kāi)始

在一次完全充電以后電池閑置時(shí)應開(kāi)始Q_max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(shí)間可短至2小時(shí)。

2、完全充電與有效OCV信息獲取

當充電終止時(shí)，在電池電壓穩定以前，必須發(fā)送IT激活命令（0X0021）來(lái)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(huì )在充電末尾逃離。通過(guò)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(guò)或者低于其它電池20mV時(shí)關(guān)閉充電器，可以防止這種電壓偏移現象出現。

就化學(xué)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(kāi)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(kāi)始另一個(gè)充電周期，以充滿(mǎn)電池，必須再次開(kāi)始該過(guò)程。不同電壓適用于不同的化學(xué)ID。更多詳情，請參見(jiàn)《參考文獻1》和本文結尾處的“相關(guān)網(wǎng)站”。

再次發(fā)送IT激活命令，以開(kāi)始Q_max更新過(guò)程。在發(fā)送該命令以后，在放電開(kāi)始以前需等待5分鐘，原因有兩個(gè)：（1）清除5分鐘積累的庫倫計數字濾波器；（2）讓電量計有時(shí)間在激活命令發(fā)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(shí)，其電壓上升。在“Q_max最大時(shí)間”設置規定的完整休息時(shí)間加上5分鐘緩沖時(shí)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、Q_max更新完成

可從數據閃存“狀態(tài)”補償82/Q_max電池補償0-8讀取已更新的Q_max值。如果Q_max未知或者未更新，則重新開(kāi)始更新周期，這樣電池便被再次充電至全電量，發(fā)布正確的命令，并且允許電池休息。