电池备份系统的电池电量监测

 

　　本文讨论在备份应用中完成一次正确的电池自动记忆周期的不同实施方法和技巧。另外，我们还将对一个老化电池组容量和阻抗改变的案例研究进行回顾。

　　TI 的阻抗追踪算法利用电池的电压、电流和阻抗测量结果，来精确地计算电池组的剩余电池容量及运行时间。最精确的电池电量监测要求正确选择电池的具体化学性质。就本文而言，一共有六种不同类别的化学性质，每种类别又有数种可选项。

　　在确定电池备份系统的电池老化程度时，主要问题是 (1) 电池的最大化学容量 (Qmax)，其单位为毫安-小时 (mAh)，以及 (2) 电池的实际测得阻抗 (R_a 表值)，其将根据负载和温度决定真实的电池运行时间。

　　最值得注意的是，高温将对 Qmax 和内部电池阻抗产生不利影响。低压(标准 4.2-V 电池为 3.9V 和 4.1V 之间)下对电池充电和储存会延长其使用寿命，但这样做的代价是更短的运行时间。

　　以前的一些电池电量监测技术要求电池完全放电来更新容量信息。阻抗追踪技术消除了这种完全放电要求，取而代之的是使用两个松驰电压测量点来更新 Qmax。在默认固件中，一般是在电池充电状态 (SOC) 变化约 40% 前后执行这些电压测量。利用 TI 的改进版固件，该 SOC 范围可以降至 10%，以用于“浅”放电。降低 Qmax 更新的 SOC 范围会影响电池电量监测的精确度;SOC 范围使用越多，精确度越高。

　　需要根据电池化学性质，来在规定电压范围内执行两次松驰电压测量。表 1 为该文件的一个摘录。如表所示，如果化学 ID 为 0100，则不允许 Qmax- 更新电压测量位于 3737 和 3800mV 之间，因为该 SOC 的电压分布平坦。这一不合格的电压范围基于对至少一个小时休眠期之后电池降电压的测量。在大于 C/10 负载的放电期间，会执行阻抗测量和更新。(“C 放电率”评定是基于电池容量得出的。如果 3s2p 电池组具有 4400mAh的设计容量，则 C/10 放电率为 440mA。这种情况下，安全放电率为 500mA。)

　　为了存储不同 SOC 值的变化电阻，我们使用了 15 个网格点。如果一个网格点被重新计算，则所有后续网格点都要做相应修改。需要进行超过 500 秒的放电，以避免瞬态效应和电阻值失真。

　　如何开始一个 Qmax 电池自动记忆周期

　　TI 拥有显示状态并允许控制“阻抗追踪”电量计参数的评估软件。确认电池电压在不合格范围以外后，可向该电量计发送一条“重置”命令，设置 R_DIS 位，并清除 VOK 位。电量计完成正确的 OCV 测量以后，R_DIS 位将会被清除。现在，可以开始电池充电或者放电，其将在数秒时间内设置 VOK 位。利用针对 10% 浅 SOC 变化设置的固件，可允许充电/放电改变 SOC 至少 15%。停止充电/放电周期以后，允许电池放电(彻底耗尽状态长达 5 小时)至不合格电压范围以外。VOK 位应该清除，其表明第二个有效 OCV 测量已执行，并且顺利完成了 Qmax 更新。

　　

 

　　表 1 基于电池化学性质的不合格 Qmax- 更新电压范围

　　下列两个例子介绍了电池备份系统的不同系统实施。

　　示例 1 无源电池放电

　　在这种结构中，电量计芯片组的有源电流 (~375 μA) 可用于更长时间的电池放电。根据电池组的具体容量，该时间可以为数月。通过设置 “Operation Cfg A” 寄存器的 SLEEP 位为 0，可以编程实现让电量计持续保持在主动模式下。另一种方法是使用 “Operation Cfg B”数据闪存寄存器中设置的固定位 (NR=0) 置位/PRES GPI。

　　利用针对 Qmax 更新浅放电(例如：20%)改进的固件，允许电池组放电至其容量的 75%，然后再将电池充电至满电量。Qmax 参数可相应得到的更新。请注意，这种循环周期期间，只有 Qmax 值而非电池阻抗(R_a表值)获得更新。我们假设在充电结束时允许有数小时的休眠，以进行第二个松驰电压测量。

　　示例 2：有源电池放电

　　在这种结构中，系统的放电电阻可用于有源地对电池放电。这应由电池组内部或者系统外置的主处理器来控制。如前所述，阻抗网格点更新要求500 秒钟 C/10 以上的放电电流。

　　即使 10% 最小放电要求应用于 Qmax 更新，理想情况下电池组也应通过两个阻抗网格点更新获得放电。这些都发生在约 11% SOC 间隔的放电期间(即 89%、78%、63%、52% 等)。这种情况下，100% 到 75% 电量的放电便已足够。如果由于持久性原因，在 SOC 位于 80% 时存储电池电量，则在 25% 放电内便会出现两次阻抗网格点更新。

　　正确的 Qmax 更新仅发生在被充电或放电分隔的两次连续松驰电压测量完成之后(假设两次测量均位于指定化学 ID 的不合格电压范围以外)。因此，在电池组被有源地放电至其电量的 75% 以后，便要求数小时的休息，具体情况取决于 SOC。(根据不同的电池化学性质，半充电状态要求长达 3.5 小时，而完全放电状态则要求长达 5 小时。)

　　案例研究

　　Microsun Technologies公司的 3s4p 8.8-Ah 电池组具有许多使用 2006 年 6 月生产的 bq20z80 芯片组的 LGDS218650 电池，我们通过它来研究长期蓄电效应。电池组在没有充放电循环的情况下，以约 45% 的电量在室温下存放两年。重要参数为 Qmax 变化和电池阻抗变化，以及剩余电量和运行时间计算的精确度。这些电池的估计自放电低于每年 4%。

　　3Ω 的恒定电阻负载用于电池组放电(相当于约 3.5A 放电率)。Qmax 变化和阻抗值变化分别显示在表 2(下一页)和图 1 中。平均而言，Qmax 降低 3%，而电池阻抗增加 35%。同这些电池变化一样，两年休眠期以后的初始放电周期精确度大于 99%;特别是，达到终止电压时报告了 67 mAh 的电量(67 mAh/8819 Qmax = 0.00761, 即 0.761% 的误差)。

　　

 

　　图 1 随时间变化而变化的电池阻抗

　　

 

　　表 2 样品电池组放电前后的 Qmax 和电池阻抗值