利用阻抗跟蹤電量計(jì)改善電池備用系統(tǒng)的LiFePO4電池平衡

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

電池備用電源應(yīng)用中，每隔幾天電池便會(huì)出現(xiàn)短暫的充電以對(duì)自放電進(jìn)行再補(bǔ)充，很少會(huì)出現(xiàn)完全放電的情況。在處理這種應(yīng)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(jì)的平衡功能，或者必須使用一種增強(qiáng)型固件。本文將介紹一款TI專門為bq20z45-R1電量監(jiān)測(cè)計(jì)而開發(fā)的固件，它對(duì)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)正常電池循環(huán)和最佳的平衡結(jié)果。我們還將介紹當(dāng)正常工作狀態(tài)下閉關(guān)平衡功能時(shí)實(shí)現(xiàn)離線電池平衡的一些原則。

圖1顯示了TI經(jīng)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(duì)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(dǎo)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(jié)束時(shí)（約0% DOD），電壓上升明顯，其導(dǎo)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(fù)雜。

圖1 鋰電池的電壓密度曲線

消除工作期間的Q_max更新

在現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)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(yīng)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(qiáng)型數(shù)據(jù)閃存參數(shù)，其固件為7.02版，必須通過TI的bq評(píng)估軟件工具進(jìn)行修改，以實(shí)現(xiàn)一次Q_max更新。這些特殊參數(shù)均受到保護(hù)（類別為“隱藏”），但可通過TI的應(yīng)用技術(shù)人員解鎖。表1的電池參數(shù)來自TI數(shù)據(jù)庫(kù)，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(jù)這些特性對(duì)數(shù)據(jù)閃存參數(shù)進(jìn)行的一些修改。“C配置運(yùn)行”寄存器修改，實(shí)現(xiàn)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(cè)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(rèn)值被改變，便可利用這種方法實(shí)現(xiàn)一次理想的Q_max更新。

表 1 TI 應(yīng)用人員可以根據(jù)系統(tǒng)特性解鎖的受保護(hù)的數(shù)據(jù)閃存參數(shù)

1、Q_max更新周期開始

在一次完全充電以后電池閑置時(shí)應(yīng)開始Q_max更新周期。理想情況下，電池應(yīng)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(dāng)充電終止時(shí)，在電池電壓穩(wěn)定以前，必須發(fā)送IT激活命令（0X0021）來阻止獲取OCV信息。之后，應(yīng)盡可能地允許電池休息。壓降期間，LiFePO₄電池組的一節(jié)電池往往會(huì)在充電末尾逃離。通過充電至更低電壓（每節(jié)電池3.5V），或者在一節(jié)電池的電壓超過或者低于其它電池20mV時(shí)關(guān)閉充電器，可以防止這種電壓偏移現(xiàn)象出現(xiàn)。

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(gè)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(xué)ID。更多詳情，請(qǐng)參見《參考文獻(xiàn)1》和本文結(jié)尾處的“相關(guān)網(wǎng)站”。

再次發(fā)送IT激活命令，以開始Q_max更新過程。在發(fā)送該命令以后，在放電開始以前需等待5分鐘，原因有兩個(gè)：（1）清除5分鐘積累的庫(kù)倫計(jì)數(shù)字濾波器；（2）讓電量計(jì)有時(shí)間在激活命令發(fā)送以后完成計(jì)算工作。

3、放電與休息

電池應(yīng)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(shè)置規(guī)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(shù)據(jù)閃存“狀態(tài)”補(bǔ)償82/Q_max電池補(bǔ)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。