善用阻抗追蹤電量計　磷酸鋰鐵電池平衡問題迎刃解

本文將介紹一款專門為晶片商新一代電量監測計而開發的韌體，其對資料儲存型快閃記憶體(NAND Flash)參數進行編程，以達到正常電池循環和最佳的平衡結果；並將介紹當正常工作狀態下關閉平衡功能時，實現離線電池平衡的一些原則。

圖1顯示德州儀器(TI)經過約10年的分析所得出的所有鋰離子電池的單電池、開路電壓(OCV)電壓密度曲線圖與放電深度(DOD)的對比情況(DOD剛好為1/SOC)。可以看到，充電狀態(SOC)曲線的很大一部分，LiFePO4電池的電壓均非常扁平，然而這種電壓扁平，導致很難透過阻抗追蹤演算法精確地估算電池平衡所需的SOC。在充電結束時(約0% DOD)，電壓明顯上升，導致明顯之電池到電池的電壓發散，進一步使SOC估算和電池平衡變得更加複雜。

圖1　鋰電池的電壓密度曲線

消除工作期間的Qmax更新

在現場運行時，允許無總化學容量(Qmax)更新。儘管不要求，但一個高度可靠電池備用電源應用的理想情況是，透過製造期間的完全放電來確定封裝的Qmax，知道Qmax以後，無須再更新Qmax。

確定初始Qmax的情況

表1顯示新型電量計的典型加強型資料儲存型快閃記憶體參數，其韌體為7.02版，必須透過德州儀器的bq評估軟體工具進行修改，以達到一次Qmax更新。這些特殊參數均受到保護(類別為「隱藏」)，但可透過應用技術人員解鎖。

表1　應用人員可以根據系統特性解鎖的受保護的資料儲存型快閃記憶體參數

表1的電池參數來自德州儀器數據資料庫，用於404化學ID的2串聯、2並聯(2s2p)2,500mAh LiFePO4電池組。該表還列舉了必須根據這些特性對資料儲存型快閃記憶體參數進行的一些修改。

修改「運行Cfg C」暫存器，實現了7.02韌體提供的一些新功能。修改「OCV等待時間」和「最大Delta V」，可在充電完成後立即進行OCV測量。修改「最大電量誤差」和「Qmax濾波器」，給小電量電池的Qmax更新留出更多的時間(原因是使用18650尺寸的LiFePO4電池一般僅有1,100mAh的電池)。一旦預設值被改變，便可利用這種方法實現一次理想的Qmax更新。

Qmax更新週期開始

在一次完全充電以後，電池閒置時應開始Qmax更新週期。理想情況下，電池應盡可能地休息，但是如果由於板上電路，電池組有較高的自放電電流，則這種等待時間可短至2小時。

完全充電與有效OCV訊息獲取

當充電終止時，在電池電壓穩定前，必須發送IT允許命令(0X0021)來阻止獲取OCV訊息。之後，應盡可能地讓電池休息。壓降期間，LiFePO4電池組的一節電池往往會在充電結束時失控。透過充電至更低電壓(每節電池3.5伏特)，或者在一節電池的電壓超過或低於其他電池20毫伏特(mV)時關閉充電器，可以防止這種失控現象出現。

就化學ID 404而言，如果電池休息後，電池組的電池最低電壓為3,353毫伏特或者更高，則可開始放電程序。如果休息期間，有電池電壓降至3,353毫伏特以下，則要求開始另一個充電週期以充滿電池，且必須重新開始整個過程。不同電壓適用不同的化學ID。

再次發送IT允許命令，以開始Qmax更新過程。發送該指令後，在放電開始前須等待5分鐘，原因有二，一是清除累積5分鐘的電荷計量濾波器，二則是讓電量計有時間在允許命令發送後完成計算工作。

放電與休息

電池應放電至空電量，或是至最小不合格電壓以下。電池休息時，其電壓上升。在「Qmax最大時間」規定的完整休息時間加上5分鐘緩衝時間的期間，所有電池電壓都必須保持在最小不合格電壓以下。

Qmax更新完成

可從資料儲存型快閃記憶體「狀態」偏移82/Qmax電池偏移0-8讀取已更新的Qmax值。如果Qmax未知或者未更新，須重新開始更新週期，這樣電池便被再次充滿電，發布正確的指令，並且讓電池休息。

評估黃金週期充電/放電

為了給所有電池組創造黃金影像資料，應運行幾個充電和放電週期，以獲得可靠的Qmax和電阻表(Ra表)值。使用LiFePO4電池時，最好是在前述過程之後的放電週期更新Qmax。 在黃金週期的充電和放電週期，利用bq評估軟體工具創建一個log檔案(.LOG)非常重要。

如此一來，便可以利用應用人員提供的Mathcad計算工具，驗證Qmax和Ra表值的正確性。

在建立黃金電量監測計(.GG)檔案以後，應將基於週期資料的保守數值分配給Qmax值。每個電池的Ra表值分配集應相同，而並聯電池的Qmax值也應相同。使用連續週期的非對稱Qmax和Ra表開始值，可能會引起SOC誤差和平衡問題。表2列舉出經過調整的黃金.GG值的一個例子，可改善2s2p電池組配置的電池平衡性。

表2　相比黃金.GG文件的資料儲存型快閃記憶體參數範例

在黃金影像資料建立期間和正常工作期間，應關閉電量監測計的充電超時功能，即FC-MTO(設置為0)，這樣便可在不使用放電來清除計時器的情況下連續充滿電池。FC-MTO隱藏在德州儀器的bq20z4x/7x產品中，且已被預設為0。bq20z80將該功能稱作FC-MTO，而bq20z6x/9x則將其稱為CMTO。

留意內外部電池平衡

就3節或者4節串聯電池而言，應僅在電池備用電源應用中使用內部電池平衡，這是因為利用外部電池平衡時，相鄰的電池無法得到正確的平衡。但是，在2節串聯電池組中，則可以使用外部電池平衡。由於備用電池大多數時候均處於休息狀態，充電時間較少，因此須要正確地平衡相鄰電池。

如前所述，必須對加強型bq20z45-R1韌體的資料儲存型快閃記憶體參數進行修改，以用於電池備用電源應用，並適合設計人員的特殊電池組特性(本文中為化學ID 404)。加強型韌體提供整個休息期間OCV值的加權測量，並在充電完成後的首次OCV測量時立即鎖定電池平衡計算。另外，在電力開啟後或者重置狀態下，讓不合格範圍內的電池平衡失效。

建議定期放電來更新Ra表值。放電期間SOC每變化約11%便對這些值進行更新，例如89%、78%、67%等。

另外，利用電量監測計的備用電量功能，可估算和補償隨時間而產生的電池電量損失。補償電量損失的另一種方法是讓主系統進行計算。如果系統將在沒有Qmax更新的情況下工作，則主控制器必須在充電完成後發布IT允許命令(0x0021)來確保沒有出現Qmax更新。

無加強型韌體時的離線電池平衡

bq20z6x/7x/8x/9x裝置沒有LiFePO4電池加強型韌體。如果這些裝置用於待機應用中，則在正常工作期間必須關閉平衡功能。透過設置最小電池偏差為0，可以實現這個目標。如果主系統確定電池隨時間而出現失衡，則應採取如下步驟：

首先，設置最小電池偏差為1909，開啟電池平衡。結合前面所述事件和條件，採取以下五個步驟，以確保有效Qmax更新。

當電池完全放電，並讓電池休息5小時5分鐘(或者設置的「Qmax最大時間」後5分鐘)。一旦在零電量時讓電池休息，則可透過測量每節電池的電壓來準確估算SOC。 接著，將電池完全充電，讓整個充電週期進行電池平衡。

待充電完成以後，主機系統應發送一條IT輸出允許指令，讀取電池電壓，然後決定是否需要另一個深度放電平衡週期和休息。

如果需要另一個平衡週期，則馬上開始完全放電，並如前所述在零電量時要求再休息5小時5分鐘。

最終，在確定正確平衡的電池後，應再把最小電池偏差設置為0，以使電池平衡失效。

準確量測　得出最佳能效

阻抗追蹤電池電量計技術是一種可調適計量算法，其可以在整個電池壽命週期對電池SOC進行準確的測量。但是，在電池備用電源應用中，為了獲得最佳的運行效果，須要考慮一些問題並做出某些修改。

(本文作者任職於德州儀器)