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

作者：Keith James Keller，德州仪器 (TI) 模拟现场应用工程师

TI 的阻抗跟踪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。

实例 2 数据闪存参数修改

在使用带有一个 5-mΩ 检测电阻器的 1100-mAh 电池设计方案中，可以使用相同方法计算得到 Qmax 更新的超时期间：

10 μV/5 mΩ = 2-mA 补偿电流。

1100 mAh × 1% = 11 mAh。

11 mAh/2-mA 补偿电流= 5.5 小时。

这种情况下，需要放宽容量误差百分比，以增加 Qmax 超时。将“最大容量误差”（从 1% 的默认值）修改为 3%，得到：

1.1 Ah × 3% = 33 mAh

其会增加 Qmax 不合格时间到：

33 mAh/2-mA 容量误差=16.5 小时。

需要将“DOD 容量误差”设置为 2 倍“最大容量误差”，因此可以将其改为 6%（默认值为 2%）。

根据通过电荷的百分比，需要按比例减小“Qmax 滤波器”的默认值 96：

“Qmax 滤波器”=96/(37%/10%) = 96/3.7 = 26

表 2 显示了电量计评估软件中典型的数据闪存参数，必须对其进行修改以实现浅放电 Qmax 更新。这些特殊参数均为受保护（归为“隐藏”类），但可以由 TI的应用人员解锁。本表格所用举例电池组为前面所述电池组，其为一种使用A123 1100-mAh 18650 LiFePO4/碳精棒电池（化学 ID 为 404）的 3s1p 电池组。

表 2 根据系统使用情况可以由 TI 应用人员修改的一些受保护数据闪存参数



1、 该参数在黄金影像 (golden image) 过程期间很重要。如果使用的是标准 4.2-V 锂离子电池，且仅将其充电至 4.1V 系统电平，则在电池充电至 4.2V 以后进行首次 Qmax 更新仍然必要，目的是满足 90%容量变化的要求。根据电量计设定的化学 ID 编码，对规定电池容量即“设计容量”和估计 DOD 的容量变化进行开始和结束点检查。

2、 计算 Qmax 时，宽范围温度变化会引起误差。在高或低温下正常工作的系统中，对该参数进行修改是必要的。

Qmax 更新事件

下列事件描述了实例 1 和 2 所述数据闪存参数改变以后，实现一次 Qmax 更新的一种实用方法。

1、电池电压位于图 2 所示低关联误差窗口内时应该开始一次 Qmax 更新。设计人员的自有算法可用于将电池放电/充电至这一范围内。

2、本实例中，为了进入该有效测量范围（化学 ID 为 404），所有电池电压都必须大于或者等于 3309mV，且小于或者等于 3322mV。如果常规放电期间电池电压恰好位于有效范围以外，则在 18000 秒设定“OCV 等待时间”以前必须开始另一个放电或者充电周期。如果 6 小时 10 分钟以后，所有电池电压均在 3309 到 3322mV 范围内，则进行了一次正确的 OCV 测量。

3、下一步是对电池完全放电。一旦电池充满（即 100% SOC），其在进行第二次OCV 测量以前应该再休息 6 小时 10 分钟。之后，Qmax 值被更新。如果充电进行了约 2 小时，则超时期间至少需要 8 小时。由实例 2 中 16.5 小时超时期间的计算，我们知道时间绰绰有余，额外多出 8.5 小时的缓冲时间。

4、电量计处在开启模式下时向电量计发布一条 ResetCommand (0x41)，可以重置 OCV 计时器。

表 3 显示了使用举例电池组配置时如描述的那样循环操作电池所得到的结果。

表 3 全周期和浅充电 Qmax 更新的结果



1从耗尽充电到充满

结论

TI 的阻抗跟踪技术是一种非常精确的算法，用于通过电池使用时间来确定电池SOC。在一些磷酸铁锂电池应用中，利用一段时间的闲置来对电池进行完全放电是不可能的，因此研究一种 Qmax 更新的浅放电方法是必要的。本文介绍了实现一次浅放电 Qmax 更新需要考虑的因素和数据闪存编程配置。对这些参数的修改，必须由 TI 应用人员根据系统配置和要求批准之后才能进行。

参考文献
如欲了解本文的更多详情，请登录：www.ti.com/lit/litnumber（用下列 TI 文献编号代替 litnumber），下载 Acrobat® Reader® 文档。