阻抗跟踪TM电量计改善电池备用系统的LiFePO4电池平衡

德州仪器 TI Keith James Keller，德州仪器 (TI) 模拟现场应用 2013-11-29

TI 的阻抗跟踪TM电池电量计技术是一种专有算法，它可获取随时间变化的电量和阻抗信息，从而精确地计算出充电状态(SOC)和剩余电量。

电池备用电源应用中，每隔几天电池便会出现短暂的充电以对自放电进行再补充，很少会出现完全放电的情况。在处理这种应用时，我们需要知道一些特殊条件。使用磷酸铁锂(lithium-iron-phosphate，即LiFePO4)电池时，必须关闭电量计的平衡功能，或者必须使用一种增强型固件。本文将介绍一款TI专门为bq20z45-R1电量监测计而开发的固件，它对数据闪存参数进行编程以实现正常电池循环和最佳的平衡结果。我们还将介绍当正常工作状态下闭关平衡功能时实现离线电池平衡的一些原则。

图1显示了TI经过约10年的分析所得出的所有锂离子电池的单电池、开路电压(OCV)电压密度曲线图与放电深度(DOD)的对比情况。(DOD刚好为1/SOC。)您可以看到，SOC曲线的很大一部分，LiFePO4电池的电压均非常扁平。这种电压扁平，导致很难通过阻抗跟踪算法精确地估算电池平衡所需的SOC。在充电结束时(约0% DOD)，电压上升明显，其导致明显的电池到电池电压发散，从而进一步使SOC估算和电池平衡变得更加复杂。

图1 锂电池的电压密度曲线

消除工作期间的更新

在现场运行时，允许无更新。尽管不要求，但是一种高度可靠电池备用电源应用的理想情况是，通过制造工艺期间的完全放电来确定封装的。知道以后，无需再更新。

确定初始的事件

表1显示了bq20z45-R1的典型增强型数据闪存参数，其固件为7.02版，必须通过TI的bq评估软件工具进行修改，以实现一次更新。这些特殊参数均受到保护(类别为“隐藏”)，但可通过TI的应用技术人员解锁。表1的电池参数来自TI数据库，用于404化学ID的2串联、2并联(2s2p)2500mAh LiFePO4电池组。该表还列举了必须根据这些特性对数据闪存参数进行的一些修改。“C配置运行”寄存器修改，实现了7.02固件提供的一些新功能。“OCV等待时间”和“最大三角V”修改，可在充电完成后立即进行OCV测量。“最大电量误差”和滤波器”修改，给更小电量电池的更新留出更多的时间(原因是使用18650尺寸的LiFePO4电池一般仅有1100mAh电池)

一旦默认值被改变，便可利用这种方法实现一次理想的更新。

表 1 TI 应用人员可以根据系统特性解锁的受保护的数据闪存参数

1、更新周期开始

在一次完全充电以后电池闲置时应开始更新周期。理想情况下，电池应尽可能地“休息”。但是，如果由于板上电路，电池组有较高的自放电电流，则这种等待时间可短至2小时。

2、完全充电与有效OCV信息获取

当充电终止时，在电池电压稳定以前，必须发送IT激活命令(0X0021)来阻止获取OCV信息。之后，应尽可能地允许电池休息。压降期间，LiFePO4电池组的一节电池往往会在充电末尾逃离。通过充电至更低电压(每节电池3.5V)，或者在一节电池的电压超过或者低于其它电池20mV时关闭充电器，可以防止这种电压偏移现象出现。

就化学ID404而言，如果电池休息以后，电池组的电池最低电压为3353mV或者更高，则可开始放电程序。如果休息期间，有电池电压降至3353mV以下，则要求开始另一个充电周期，以充满电池，必须再次开始该过程。不同电压适用于不同的化学ID。更多详情，请参见《参考文献1》和本文结尾处的“相关网站”。

再次发送IT激活命令，以开始更新过程。在发送该命令以后，在放电开始以前需等待5分钟，原因有两个：(1)清除5分钟积累的库伦计数字滤波器;(2)让电量计有时间在激活命令发送以后完成计算工作。

3、放电与休息

电池应放电至空电量，也即电压降至最小不合格电压以下。电池休息时，其电压上升。在“Qmax最大时间”设置规定的完整休息时间加上5分钟缓冲时间期间，所有电池电压都必须保持在最小不合格电压以下。

4、更新完成

可从数据闪存“状态”补偿82/电池补偿0-8读取已更新的值。如果未知或者未更新，则重新开始更新周期，这样电池便被再次充电至全电量，发布正确的命令，并且允许电池休息。

黄金周期

为了给所有电池组创建黄金镜像数据，应运行几个充电和放电周期，以获得可靠的和电阻表(Ra表)值。使用LiFePO4电池时，最好是在前述过程之后的放电周期，更新。

在黄金周期的充电和放电周期，利用bq评估软件工具创建一个日志文件(.LOG)，这一点很重要。这样，便可以利用TI应用人员提供的Mathcad®计算工具，验证和Ra表值的正确性。

在创建黄金电量监测计(.GG)文件以后，应将基于周期数据的保守数值分配给值。每个电池的Ra表值分配集应相同，而并联电池的Qmax值也应相同。使用连续周期的非对称和Ra表开始值，可能会引起SOC误差和平衡问题。表2列举出了经过调整的黄金.GG值的一个例子，它可以改善2s2p电池组配置的电池平衡性。

表2 相比黄金.GG文件的数据闪存参数例子

在黄金镜像数据创建期间和正常工作期间，应关闭电量监测计的充电超时功能即FC-MTO(设置为0)，这样便可在不要求放电来清除该计时器的情况下连续充满电池。FC-MTO隐藏在TI的bq20z4x/7x产品中，但幸运的是，它已被默认设置为0。TI的bq20z80将该功能称作“FC-MTO”，而bq20z6x/9x则将其称作“CMTO”。

电池平衡

就3节或者4节串联电池而言，应仅在电池备用电源应用中使用内部电池平衡。这是因为，利用外部电池平衡时，相邻的电池无法得到正确的平衡。但是，在2节串联电池组中，允许使用外部电池平衡。由于备用电池大多数时候均处于休息状态，充电时间较少，因此需要正确地平衡相邻电池2。

如前所述，必须对增强型bq20z45-R1固件的数据闪存参数进行修改，以用于电池备用电源应用，并适应设计人员的特殊电池组特性(本文中为化学ID404)。增强型固件提供对整个休息期间OCV值的加权测量，并在充电完成后首次OCV测量以后立即锁定电池平衡计算。另外，它在上电以后或者重置状态下，让不合格范围内的电池平衡失效。

建议定期放电来更新Ra-表值。放电期间SOC每变化约11%便对这些值进行更新(例如：89%、78%、67%等)。

另外，利用电量监测计的备用电量功能，可估算和补偿随时间而产生的电池电量损失。补偿电量损失的另一种方法是让主机系统进行计算。如果系统将在没有更新的情况下工作，则主控制器必须通过在充电完成以后发布IT激活命令(0x0021)来确保没有出现Qmax更新。

无增强型固件时的离线电池平衡

TI的bq20z6x/7x/8x/9x器件没有LiFePO4电池增强型固件。如果这些器件用于待机应用中，则在正常工作期间必须关闭平衡功能。通过设置最小电池偏差为0可以实现这个目标。如果主机系统确定电池随时间而出现错配，则应采取如下步骤：

1、设置最小电池偏差为1909(或者《参考2》中计算的任何正确值)，开启电池平衡。

结合前面所述事件和条件，采取步骤2到6，以确保有效更新。

2、电池完全放电，并允许电池休息5小时5分钟(或者5分钟以上，设置“最大时间”)。一旦在零电量时出现这种电池休息，则可通过测量每节电池的电压来准确估算SOC。

3、将电池完全充电，以允许在整个充电周期进行电池平衡。

4、充电完成以后，主机系统应发送一条IT激活命令，读取电池电压，然后决定是否需要另一个深度放电平衡周期和休息。

5、如果需要另一个平衡周期，则马上开始完全放电，并如前所述在零电量时要求再休息5小时5分钟。

6、在确定需要正确平衡的电池以后，应再把最小电池偏差设置为0，以使电池平衡失效。

结论

TI的阻抗跟踪电池电量计技术是一种自适应计量算法，它可以在整个电池寿命周期对电池SOC进行准确的测量。但是，在电池备用电源应用中，为了获得最佳的运行效果，我们需要考虑一些问题，并做出一些修改。本文介绍了如何利用TI的LiFePO4电池增强型bq20z45-R1固件，实现正确的电池平衡，以及获得可靠的Qmax更新，从而达到最佳的准确性。

参考文献

1、《在浅放电应用中对TI的LiFePO4电池阻抗跟踪™电池电量计进行微调》，作者 Keith James Keller，刊发于《模拟应用杂志》(2011年第1季度)，网址：www.ti.com/slyt402-aaj

2、《使用外部MOSFET实现快速电池平衡》，作者Simon Wen，刊发于《应用报告》，网址：www.ti.com/ slua420-aaj

3、《bq20zxx产品系列阻抗跟踪TM电池电量计算法理论与实现》，刊发于《应用报告》，网址：www.ti.com/ slua364-aaj

4、《电池备用存储系统的电量计考虑》，作者Keith James Keller，刊发于《模拟应用杂志》(2010年第1季度)，网址：www.ti.com/slyt364-aaj

相关网站

电源管理：

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