針對電池備份應(yīng)用中的電池電量監(jiān)測的考慮

電池備份系統(tǒng)的精確電池電量監(jiān)測需要加以特別考慮。使用 TI 帶阻抗追蹤?　技術(shù)的電池電量計具有明顯的優(yōu)勢，其在電池老化時并不要求電池組完全放電來完成自動記憶（計算電量）。本文討論在備份應(yīng)用中完成一次正確的電池自動記憶周期的不同實(shí)施方法和技巧。另外，我們還將對一個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、電流和阻抗測量結(jié)果，來精確地計算電池組的剩余電池容量及運(yùn)行時間。最精確的電池電量監(jiān)測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。

在確定電池備份系統(tǒng)的電池老化程度時，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 (mAh)，以及 (2) 電池的實(shí)際測得阻抗 (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)行時間。

最值得注意的是，高溫將對 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）下對電池充電和儲存會延長其使用壽命，但這樣做的代價是更短的運(yùn)行時間。

以前的一些電池電量監(jiān)測技術(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松馳電壓測量點(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 范圍會影響電池電量監(jiān)測的精確度；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 為該文件的一個摘錄。如表所示，如果化學(xué) ID 為 0100，則不允許 Qmax- 更新電壓測量位于 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至少一個小時休眠期之后電池降電壓的測量。在大于 C/10 負(fù)載的放電期間，會執(zhí)行阻抗測量和更新。（“C 放電率”評定是基于電池容量得出的。如果 3s2p 電池組具有 4400mAh的設(shè)計容量，則 C/10 放電率為 440mA。這種情況下，安全放電率為 500mA。）

為了存儲不同 SOC 值的變化電阻，我們使用了 15 個網(wǎng)格點(diǎn)。如果一個網(wǎng)格點(diǎn)被重新計算，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 Qmax 電池自動記憶周期
TI 擁有顯示狀態(tài)并允許控制“阻抗追蹤”電量計參數(shù)的評估軟件。確認(rèn)電池電壓在不合格范圍以外后，可向該電量計發(fā)送一條“重置”命令，設(shè)置 R_DIS 位，并清除 VOK 位。電量計完成正確的 OCV 測量以后，R_DIS 位將會被清除?，F(xiàn)在，可以開始電池充電或者放電，其將在數(shù)秒時間內(nèi)設(shè)置 VOK 位。利用針對 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)長達(dá) 5 小時）至不合格電壓范圍以外。VOK 位應(yīng)該清除，其表明第二個有效 OCV 測量已執(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，電量計芯片組的有源電流 (~375 μA) 可用于更長時間的電池放電。根據(jù)電池組的具體容量，該時間可以為數(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)讓電量計持續(xù)保持在主動模式下。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 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)束時允許有數(shù)小時的休眠，以進(jìn)行第二個松馳電壓測量。

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% 時存儲電池電量，則在 25% 放電內(nèi)便會出現(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)松馳電壓測量完成之后（假設(shè)兩次測量均位于指定化學(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)要求長達(dá) 3.5 小時，而完全放電狀態(tài)則要求長達(dá) 5 小時。）

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)行時間計算的精確度。這些電池的估計自放電低于每年 4%。

3Ω 的恒定電阻負(fù)載用于電池組放電（相當(dāng)于約 3.5A 放電率）。Qmax 變化和阻抗值變化分別顯示在表 2（下一頁）和圖 1 中。平均而言，Qmax 降低 3%，而電池阻抗增加 35%。同這些電池變化一樣，兩年休眠期以后的初始放電周期精確度大于 99%；特別是，達(dá)到終止電壓時報告了 67 mAh 的電量（67 mAh/8819 Qmax = 0.00761, 即 0.761% 的誤差）。

圖 1 隨時間變化而變化的電池阻抗

表 2 樣品電池組放電前后的 Qmax 和電池阻抗值