電池備份系統的精確電池電量監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(shí)并不要求電池組完全放電來(lái)完成自動(dòng)記憶(計算電量)。本文討論在備份應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、電流和阻抗測量結果，來(lái)精確地計算電池組的剩余電池容量及運行時(shí)間。最精確的電池電量監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(lèi)別的化學(xué)性質(zhì)，每種類(lèi)別又有數種可選項。
在確定電池備份系統的電池老化程度時(shí)，主要問(wèn)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)際測得阻抗(R_a 表值)，其將根據負載和溫度決定真實(shí)的電池運行時(shí)間。
最值得注意的是，高溫將對Qmax和內部電池阻抗產(chǎn)生不利影響。低壓(標準4.2-V電池為3.9V和4.1V之間)下對電池充電和儲存會(huì )延長(cháng)其使用壽命，但這樣做的代價(jià)是更短的運行時(shí)間。
以前的一些電池電量監測技術(shù)要求電池完全放電來(lái)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)松馳電壓測量點(diǎn)來(lái)更新Qmax。在默認固件中，一般是在電池充電狀態(tài)(SOC)變化約40%前后執行這些電壓測量。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(huì )影響電池電量監測的精確度；SOC范圍使用越多，精確度越高。
需要根據電池化學(xué)性質(zhì)，來(lái)在規定電壓范圍內執行兩次松馳電壓測量。若想查看根據電池化學(xué)性質(zhì)確定的不合格Qmax更新電壓范圍Excel文件，請訪(fǎng)問(wèn) http://www.ti.com/lit/zip/slua372
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-更新電壓測量位于3737和3800mV之間，因為該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(gè)小時(shí)休眠期之后電池降電壓的測量。在大于C/10負載的放電期間，會(huì )執行阻抗測量和更新。(“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(gè)網(wǎng)格點(diǎn)。如果一個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)被重新計算，則所有后續網(wǎng)格點(diǎn)都要做相應修改。需要進(jìn)行超過(guò)500秒的放電，以避免瞬態(tài)效應和電阻值失真。
如何開(kāi)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”電量計參數的評估軟件。確認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(huì )被清除�，F在，可以開(kāi)始電池充電或者放電，其將在數秒時(shí)間內設置VOK位。利用針對10%淺SOC變化設置的固件，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(cháng)達5小時(shí))至不合格電壓范圍以外。VOK位應該清除，其表明第二個(gè)有效OCV測量已執行，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的不同系統實(shí)施。
示例1無(wú)源電池放電
在這種結構中，電量計芯片組的有源電流 (~375μA) 可用于更長(cháng)時(shí)間的電池放電。根據電池組的具體容量，該時(shí)間可以為數月。通過(guò)設置 “Operation Cfg A” 寄存器的SLEEP 位為0，可以編程實(shí)現讓電量計持續保持在主動(dòng)模式下。另一種方法是使用“Operation Cfg B”數據閃存寄存器中設置的固定位 (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(mǎn)電量。Qmax參數可相應得到的更新。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。我們假設在充電結束時(shí)允許有數小時(shí)的休眠，以進(jìn)行第二個(gè)松馳電壓測量。
示例2：有源電池放電
在這種結構中，系統的放電電阻可用于有源地對電池放電。這應由電池組內部或者系統外置的主處理器來(lái)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%最小放電要求應用于Qmax更新，理想情況下電池組也應通過(guò)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)存儲電池電量，則在25%放電內便會(huì )出現兩次阻抗網(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松馳電壓測量完成之后(假設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，便要求數小時(shí)的休息，具體情況取決于SOC。(根據不同的電池化學(xué)性質(zhì)，半充電狀態(tài)要求長(cháng)達3.5小時(shí)，而完全放電狀態(tài)則要求長(cháng)達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(guò)它來(lái)研究長(cháng)期蓄電效應。電池組在沒(méi)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。重要參數為 Qmax 變化和電池阻抗變化，以及剩余電量和運行時(shí)間計算的精確度。這些電池的估計自放電低于每年4%。
3Ω的恒定電阻負載用于電池組放電(相當于約3.5A放電率)。Qmax變化和阻抗值變化分別顯示在表2(下一頁(yè))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，達到終止電壓時(shí)報告了67 mAh的電量(67 mAh/8819 Qmax = 0.00761, 即0.761%的誤差)。
圖1隨時(shí)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
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