電池備份存儲(chǔ)系統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)考慮因素

電池備份系統(tǒng)的精確電池電量監(jiān)測(cè)需要加以特別考慮。使用 TI 帶阻抗追蹤™　技術(shù)的電池電量計(jì)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，其在電池老化時(shí)并不要求電池組完全放電來完成自動(dòng)記憶（計(jì)算電量）。本文討論在備份應(yīng)用中完成一次正確的電池自動(dòng)記憶周期的不同實(shí)施方法和技巧。另外，我們還將對(duì)一個(gè)老化電池組容量和阻抗改變的案例研究進(jìn)行回顧。

TI 的阻抗追蹤算法利用電池的電壓、電流和阻抗測(cè)量結(jié)果，來精確地計(jì)算電池組的剩余電池容量及運(yùn)行時(shí)間。最精確的電池電量監(jiān)測(cè)要求正確選擇電池的具體化學(xué)性質(zhì)。就本文而言，一共有六種不同類別的化學(xué)性質(zhì)，每種類別又有數(shù)種可選項(xiàng)。

在確定電池備份系統(tǒng)的電池老化程度時(shí)，主要問題是 (1) 電池的最大化學(xué)容量 (Qmax)，其單位為毫安-小時(shí) (mAh)，以及 (2) 電池的實(shí)際測(cè)得阻抗 (R_a 表值)，其將根據(jù)負(fù)載和溫度決定真實(shí)的電池運(yùn)行時(shí)間。

最值得注意的是，高溫將對(duì) Qmax 和內(nèi)部電池阻抗產(chǎn)生不利影響。低壓（標(biāo)準(zhǔn) 4.2-V 電池為 3.9V 和 4.1V 之間）下對(duì)電池充電和儲(chǔ)存會(huì)延長(zhǎng)其使用壽命，但這樣做的代價(jià)是更短的運(yùn)行時(shí)間。

以前的一些電池電量監(jiān)測(cè)技術(shù)要求電池完全放電來更新容量信息。阻抗追蹤技術(shù)消除了這種完全放電要求，取而代之的是使用兩個(gè)松馳電壓測(cè)量點(diǎn)來更新 Qmax。在默認(rèn)固件中，一般是在電池充電狀態(tài) (SOC) 變化約 40% 前后執(zhí)行這些電壓測(cè)量。利用 TI 的改進(jìn)版固件，該 SOC 范圍可以降至 10%，以用于“淺”放電。降低 Qmax 更新的 SOC 范圍會(huì)影響電池電量監(jiān)測(cè)的精確度；SOC 范圍使用越多，精確度越高。

需要根據(jù)電池化學(xué)性質(zhì)，來在規(guī)定電壓范圍內(nèi)執(zhí)行兩次松馳電壓測(cè)量。若想查看根據(jù)電池化學(xué)性質(zhì)確定的不合格

表 1 為該文件的一個(gè)摘錄。如表所示，如果化學(xué) ID 為 0100，則不允許 Qmax- 更新電壓測(cè)量位于 3737 和 3800mV 之間，因?yàn)樵?SOC 的電壓分布平坦。這一不合格的電壓范圍基于對(duì)至少一個(gè)小時(shí)休眠期之后電池降電壓的測(cè)量。在大于 C/10 負(fù)載的放電期間，會(huì)執(zhí)行阻抗測(cè)量和更新。（“C 放電率”評(píng)定是基于電池容量得出的。如果 3s2p 電池組具有 4400mAh的設(shè)計(jì)容量，則 C/10 放電率為 440mA。這種情況下，安全放電率為 500mA。）

為了存儲(chǔ)不同 SOC 值的變化電阻，我們使用了 15 個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。如果一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)被重新計(jì)算，則所有后續(xù)網(wǎng)格點(diǎn)都要做相應(yīng)修改。需要進(jìn)行超過 500 秒的放電，以避免瞬態(tài)效應(yīng)和電阻值失真。

如何開始一個(gè) Qmax 電池自動(dòng)記憶周期
TI 擁有顯示狀態(tài)并允許控制“阻抗追蹤”電量計(jì)參數(shù)的評(píng)估軟件。確認(rèn)電池電壓在不合格范圍以外后，可向該電量計(jì)發(fā)送一條“重置”命令，設(shè)置 R_DIS 位，并清除 VOK 位。電量計(jì)完成正確的 OCV 測(cè)量以后，R_DIS 位將會(huì)被清除。現(xiàn)在，可以開始電池充電或者放電，其將在數(shù)秒時(shí)間內(nèi)設(shè)置 VOK 位。利用針對(duì) 10% 淺 SOC 變化設(shè)置的固件，可允許充電/放電改變 SOC 至少 15%。停止充電/放電周期以后，允許電池放電（徹底耗盡狀態(tài)長(zhǎng)達(dá) 5 小時(shí)）至不合格電壓范圍以外。VOK 位應(yīng)該清除，其表明第二個(gè)有效 OCV 測(cè)量已執(zhí)行，并且順利完成了 Qmax 更新。

表 1 基于電池化學(xué)性質(zhì)的不合格 Qmax- 更新電壓范圍

下列兩個(gè)例子介紹了電池備份系統(tǒng)的不同系統(tǒng)實(shí)施。

示例 1 無源電池放電
在這種結(jié)構(gòu)中，電量計(jì)芯片組的有源電流 (~375 μA) 可用于更長(zhǎng)時(shí)間的電池放電。根據(jù)電池組的具體容量，該時(shí)間可以為數(shù)月。通過設(shè)置 “Operation Cfg A” 寄存器的 SLEEP 位為 0，可以編程實(shí)現(xiàn)讓電量計(jì)持續(xù)保持在主動(dòng)模式下。另一種方法是使用 “Operation Cfg B”數(shù)據(jù)閃存寄存器中設(shè)置的固定位 (NR=0) 置位/PRES GPI。

利用針對(duì) Qmax 更新淺放電（例如：20%）改進(jìn)的固件，允許電池組放電至其容量的 75%，然后再將電池充電至滿電量。Qmax 參數(shù)可相應(yīng)得到的更新。請(qǐng)注意，這種循環(huán)周期期間，只有 Qmax 值而非電池阻抗（R_a表值）獲得更新。我們假設(shè)在充電結(jié)束時(shí)允許有數(shù)小時(shí)的休眠，以進(jìn)行第二個(gè)松馳電壓測(cè)量。

示例 2：有源電池放電
在這種結(jié)構(gòu)中，系統(tǒng)的放電電阻可用于有源地對(duì)電池放電。這應(yīng)由電池組內(nèi)部或者系統(tǒng)外置的主處理器來控制。如前所述，阻抗網(wǎng)格點(diǎn)更新要求500 秒鐘 C/10 以上的放電電流。

即使 10% 最小放電要求應(yīng)用于 Qmax 更新，理想情況下電池組也應(yīng)通過兩個(gè)阻抗網(wǎng)格點(diǎn)更新獲得放電。這些都發(fā)生在約 11% SOC 間隔的放電期間（即 89%、78%、63%、52% 等）。這種情況下，100% 到 75% 電量的放電便已足夠。如果由于持久性原因，在 SOC 位于 80% 時(shí)存儲(chǔ)電池電量，則在 25% 放電內(nèi)便會(huì)出現(xiàn)兩次阻抗網(wǎng)格點(diǎn)更新。

正確的 Qmax 更新僅發(fā)生在被充電或放電分隔的兩次連續(xù)松馳電壓測(cè)量完成之后（假設(shè)兩次測(cè)量均位于指定化學(xué) ID 的不合格電壓范圍以外）。因此，在電池組被有源地放電至其電量的 75% 以后，便要求數(shù)小時(shí)的休息，具體情況取決于 SOC。（根據(jù)不同的電池化學(xué)性質(zhì)，半充電狀態(tài)要求長(zhǎng)達(dá) 3.5 小時(shí)，而完全放電狀態(tài)則要求長(zhǎng)達(dá) 5 小時(shí)。）

案例研究
Microsun Technologies公司的 3s4p 8.8-Ah 電池組具有許多使用 2006 年 6 月生產(chǎn)的 bq20z80 芯片組的 LGDS218650 電池，我們通過它來研究長(zhǎng)期蓄電效應(yīng)。電池組在沒有充放電循環(huán)的情況下，以約 45% 的電量在室溫下存放兩年。重要參數(shù)為 Qmax 變化和電池阻抗變化，以及剩余電量和運(yùn)行時(shí)間計(jì)算的精確度。這些電池的估計(jì)自放電低于每年 4%。