如何对浅放电应用中磷酸铁锂 (LiFePO4) 电池使用的TI 阻抗跟踪电池电量计进行微调

TI 的阻抗跟踪 TM 电池电量计技术是一种功能强大的自适应算法，其会记住电池特性随时间的变化情况。将这种算法与电池组具体的化学属性结合可以非常准确地知道电池的充电状态 (SOC)，从而延长电池组使用寿命。

然而，更新电池总化学容量 (Qmax) 相关信息要求具备某些条件。磷酸铁锂(LiFePO4) 电池的极端稳定电压状态下要完成这项工作变得较为困难（请参见图1），特别是如果无法对电池完全放电且让其休息数小时那就更加困难了。图 1显示了典型开路电压 (OCV) 特性与钴酸锂 (LiCoO2) 和磷酸铁锂 (LiFePO4)电池化学属性放电深度 (DOD) 的关系。本文主要讨论参考文献 1 和参考文献2 的阻抗跟踪技术。

图 1 基于 DOD 的电池 OCV 测量

TI 建议所有磷酸铁锂电池都使用阻抗跟踪 3 (IT3) 算法。IT3 对早期阻抗跟踪算法的改进包括：

通过更好的温度补偿实现更佳的低温性能

更多滤波，以防止出现 SOC 容量跳跃

更高的精度，用于磷酸铁锂电池的非理想 OCV 读取

保守的剩余容量估算，以及额外的负载选择配置

IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq27541-V200 电量监测计中（所列并非全部）。

Qmax 更新的典型条件
阻抗跟踪算法将 Qmax 定义为电池的总化学容量，其以毫安小时 (mAh) 计算。一次正确的 Qmax 更新，必须满足下列两个条件：

1、 两个 OCV 测量必须在不合格电压范围以外进行，基于 TI 确定的电池化学身份 (ID) 编码。只能对一块闲置电池（没有进行数小时的充电或者放电）进行 OCV 测量。

参考文献 3 列出了一些不合格电压范围，其中一些显示在表 1 中。我们可以看到，就化学 ID 编码 100 而言，如果任何电池电压超出 3737mV或者低于 3800mV 则不允许进行 OCV 测量。实际上，这就是 OCV 测量获得最佳精确度的“禁用”范围。虽然本文给出了 SOC 百分比，但电量计仅根据电压来确定不合格范围。

表 1 摘选自参考文献 3，其根据 Qmax 更新的化学属性列出不合格的电压范围

2、 最小通过电荷量必须由电量计进行综合。默认情况下，其为总电池容量的37%。为了进行浅放电 Qmax 更新，这一通过电荷百分比可以降低至 10%。这种降低的代价是 SOC 精确度的损失，但在其它他无法更新 Qmax 的系统中是容许的。

既然我们理解了浅放电 Qmax 更新的要求，那么让我们来看一个数据闪存参数的例子，我们需要在一个更低容量电池组配置中对其进行修改。默认阻抗跟踪算法基于典型笔记本电脑电池组，该电池组拥有 2 个并联组，每组 3 节串联电池，即 3s2p 配置结构。每组有 2200-mAh 容量，因此总容量为 4400hAh。磷酸铁锂电池的容量约为其一半，因此如果以 3s1p 配置使用它们，则总电池组容量为1100mAh。如果使用像这样的更小容量电池组，需要在 TI 的电量计评估软件中对具体的数据闪存参数进行微调，以获得最佳的性能。本文剩下部分将介绍这一过程。

实例计算

来看一下一个使用 A123 系统 TM1100-mAh 18650 磷酸铁锂/碳精棒电池的3s1p 配置电池组。这种电池类型的 TI 化学 ID 编码为 404。这种电池将用于50°C 左右正常温度的存储系统中。放电率为 1C，且一个 5-mΩ 检测电阻器用于电量计，目的是进行库仑计数。

如表 1 所示，化学 ID 404 的 OCV 测量的不合格电压范围为 3274mV（最小值，即 ~34% SOC）到 3351mV（最大值，即 ~93% SOC）。大多数磷酸铁锂电池都有非常宽的不合格电压范围（参见化学 ID 409 进行对比）。然而，根据具体的电池特性，为浅放电 Qmax 更新找出一个更高的最小不合格电压是可能的。化学 ID 为 404 时，将这一值升高至 3322mV 是可能的，从而允许 3309 到3322 mV 的浅放电 Qmax 更新窗口（请参见图 2）。设计人员可以使用这种中间范围低误差窗口，实现数据闪存修改。由于仅能对高和低不合格电压范围进行设定，因此主系统必须保证在 3309mV 以下不会进行更低的 OCV 测量。（随着关联误差的增长，OCV 测量误差在 3274 和 3309mV 之间急剧增加。）虽然仅有一个 13-mV 窗口在更低 OCV 测量时起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其对应于一个 70% 到 64% 的 SOC 范围。

磷酸铁锂电池具有非常长的松弛时间，因此我们可以将数据闪存参数“OCV 等待时间”增加至 18000 秒（5 小时）。由于电池的正常工作温度得到提高，因此参数“Q 无效最大温度”应修改为 55°C。另外，“Qmax 最大时间”应修改为21600 秒（6 小时）。

图 2 1-mV 电压误差的 SOC 关联误差

要将 Qmax 通过电荷从 37% 降低至 10%，需要修改“DOD 最大容量误差”、“最大容量误差”和“Qmax 滤波器”，因为它们都会影响 OCV1 和 OCV2 测量之间的不合格时间。“Qmax 滤波器”是一个补偿因数，其根据通过电荷来改变 Qmax。

设置这些参数的目的是基于测得的通过电荷获得 1% 以下的“最大容量误差”，包括 ADC 最大补偿误差（“CC 静带”）。但是，需要对这些值进行一些修改，以允许浅放电 Qmax 更新。

实例 1 Qmax 更新超时期间

要获得 1000-mAh 电池 10-mΩ 检测电阻器 1% 以下的累积误差，以及硬件设置 10μV 固定值的“CC 静带”，Qmax 更新的超时期间由下列情况决定：

10 μV/10 mΩ = 1-mA 补偿电流。

1000-mAh 容量× 1% 允许误差=10-mAh 容量误差。

10-mAh 电容误差/1-mA 补偿电流=10 小时。

因此，从开始到结束，包括休息时间，仅有 10 小时可用于完成一次 Qmax 更新。10 小时超时以后，一旦电量计进行其下一个正确 OCV 读取，计时器便会重新开始。