TI阻抗跟踪算法技术解决电池电量报告不准确性问题
TI阻抗跟踪算法技术解决电池电量报告不准确性问题
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所面临的挑战&
在医疗系统中，稳定可靠的电源至关重要。为了保证有一个不间断的电源，我们使用了一个备用电池。在过去，较大的医疗设备都是使用铅酸电池来提供不间断的电源。事实上，他们还需要非常昂贵的复杂的动态系统，从而使医疗设备系统的体积变大、变得笨重而且很昂贵。现在有了最新一代电池电量监测电子产品，我们就可以放心地使用锂离子 (Li-Ion) 电池以便精确地确定可用电量。相对于过去的铅
所面临的挑战&
在医疗系统中，稳定可靠的电源至关重要。为了保证有一个不间断的电源，我们使用了一个备用电池。在过去，较大的医疗设备都是使用铅酸电池来提供不间断的电源。事实上，他们还需要非常昂贵的复杂的动态系统，从而使医疗设备系统的体积变大、变得笨重而且很昂贵。现在有了最新一代电池电量监测电子产品，我们就可以放心地使用锂离子 (Li-Ion) 电池以便精确地确定可用电量。相对于过去的铅酸电池技术而言，这就使医疗设备变得更小巧、更轻便。
铅酸电池通常的替代产品为镍氢 (NiMH) 电池或锂离子 (Li-Ion) 化学电池，这两种替代产品均可提供更好的能量密度。锂离子电池利用更易挥发的化学成分提供了最高的能量密度，如果处理不当，这种化学成分可能会带来一定的危险。就对于患者很关键的系统而言，无论使用哪种电池化学，精确预测剩余电量都是至关重要的。有了锂离子电池，我们就可实现上述的最佳特性：精确地了解电池电量和最高的能量密度。&
利用以前的电池电量测量电子产品，其报告的剩余电量误差会随着时间的推移而逐渐加大。我们只能根据经验对单个电池随着时间的推移而&老化&的程度进行猜测。锂离子电池的可用电量会随时间推移而下降的主要原因在于电解质正极/阴极材料不断增加的内部阻抗。锂离子电池具有一些众所周知的特性，如：阻抗与温度的关系非常密切、在放电时阻抗会发生变化以及高温和快速过压充电会使电池容量大大下降。100 个充/放电周期以后电池的内部阻抗[1] 会增加一倍，如图 1 所示（流入或流出电池的电量超过 70% 即定义为一个周期）。甚至以超过 4.2V 最大电池电压 50mV 的电压进行充电也会使电池的使用寿命缩短一半[1]（请参见图 2）。从室温到 0 摄氏度[1]放电超过 80% 的电池的阻抗将会增加 5 倍（从 N300mOhrn 增加到超过 1.50hm DC 阻抗），请参见图 3。&
图 1 阻抗随充/放电老化而变化
具有更高阻抗的老化锂离子电会较早地达到系统终止电压
图 2 充电电压会影响电池使用寿命
适当地对锂离子电池充电需要高精度充电电压。过充电会缩短电池使用寿命。
图 3 锂离子电池阻抗与温度和放电深度 (DOD) 密切相关。
锂离子电池阻抗与温度密切相关，温度每增加 10oC 阻抗就会下降大约 1.5 倍。
阻抗是整个方程式的关键。在过去，要想利用电池组设计进行生产工作非常棘手。需要获得在最低/室温/最高温度下的典型放电特性以生成放电估计多项式方程中使用的系数。只有知道各个电池的阻抗如何发生变化才能估计出上述放电特性。此外，传统的电池电量监测器件需要&复位&电池组在近乎完全放电时的最大容量。通常，这是由一个 7% 的特定电压脱扣 (trip) 和 3% 估计剩余电量实现的。作为一种改进，补偿性放电终止电压值 (CEDV) 根据电池负载电流被用于修改 7% 的脱扣电压和 3% 估计剩余电量，这只是基于电压测量值。&
解决了所有这些不确定因素以后，设计人员了解到所报告的容量精确性可能会有高达 20% 的偏差。由于电池可能会因为使用时间过长而意外老化，并有可能对由电量监测计估算以及提供给用户的估计电量信息进行缓冲，设计人员可能会事先将实际需要的电量增加一倍。当然，一个稳定可靠的医疗系统不会像膝上型电脑那样报告剩余电量：&还有 20 分钟的剩余电量，您需要立即插上电源。&（当电池达到估计的 7% 剩余电量电压时就会出现该信息。）
TI 推出的新一代阻抗跟踪(Impedance TrackTM)算法技术解决了真实剩余电池电量报告的不准确性问题。该算法确定了锂离子电池的充电状态，并将下列参数作为整个电池模型的一部分来全面预测放电行为：
1、最初，电池总化学容量 (Qmax) 就是产品说明书规定的容量（例如，18650圆柱形锂离子电池的容量为2400mAhr），但是电池电量监测计会在电池的第一个充/放电周期以后自动更新。&
2、由&库仑计数&程序对已流入或流出电池的电荷数量进行测量/采集。&
3、系统的当前负载电流（平均负载电流和峰值负载电流）。
4、由于单个电池阻抗在各种充电状态下不尽相同，因此在提供电流的同时电池的内部阻抗会随着温度、电池老化的影响和放电的情况而变化。&
5、在轻负载时 (
精确的电池容量估计可由下列方法计算得出：
1、测量电池开路电压（在松弛状态下）&
2、监控负载时的电池电压曲线（找出电池阻抗）以及&
3、积分流入和流出电池的电流。&
采用完全相同的化学/阳极/阴极材料的锂离子电池具有非常相似的松弛电压/充电状态曲线。令人惊讶的是，其不会因电池制造的不同而不同。这就使我们可以确定电池的最大容量和电池的剩余容量。
例如，如果您已知：1)3.6V松弛电压与 10% 的充电状态密切相关；2)在充电过程中，电池电量监测计对 1000mA 的电流进行了积分；3)得出的 3.95V 开路电压与 93% 的充电状态密切相关，该电池的真实容量为 1206mAh (1000mA/83%)。利用 1A 电流进行充电时，如果电池电压从 3.6V 上升到 3.8V，那么在 10% 充电状态和室温条件下 DC 阻抗为 0.2 Q。如果系统可以容许的最小电压为 3V，那么阻抗跟踪将会计算并报告在 10% 充电状态的 1A 负载条件下还有大约 7 分钟的剩余电池电量。&
在刚刚过去的几年里，电子硬件实施得到了发展。最初的芯片组是由三个独立的芯片组成：1)电池电量计微处理器；2)模拟前端 (AFE)；以及 3)二次过压保护器。微处理器对电流进行了积分并运行电池电量计监测算法，并且还直接与 AFE 通信。高压容限 AFE 利用集成的模数转换器 (ADC) 对电池电压进行了测量，提供了过流保护并进行电池平衡。两个芯片都能安全地独立运行。第三级保护来自一个独立的二次电压保护器，对于一个永久性错误条件，该保护器会触发一个化学保险丝（对于锂离子电池而言，过压是最危险的情况，因为其有可能会引起燃烧）。
最新一代锂离子电池容量指示器在一个塑料封装中集成了微控制器和 AFE 芯片，从而大大降低了系统级复杂性和板级空间要求。与电池电量监测计的通信是通过 SMBus 标准协议完成的（SMBuS 基于 I2C 通信协议）。
阻抗跟踪技术实际上就是一种更低成本的电池解决方案实施，该技术无需使用电池自动记忆周期功能。对于所有大容量电池而言，实现该功能都要花费数小时的时间。现在，所有下线的电池都利用一个称为&黄金图像&的工具进行了编程。在工程评估阶段就完成了该文件的创建。该阻抗跟踪算法将一直适合电池的状态，因此电池在现场的第一次放电期间，阻抗跟踪会在电池的第一个 40% 放电或充电中精确记忆真正的电池组容量。之后，所报告的电池容量精确度将达到 99%。&
阻抗跟踪电池电量测量技术可以使医疗工程组织利用比以往稳定的备用电池设计出的生命支持设备和便携式设备更加可靠。更重要的是，该技术不但提供了大大改进的电量监测计监测精度，而且还去除了 7% 估计剩余电量所必需的&复位&环节（在生命支持医疗应用中，该环节并不合乎实际）。其无需全面过分设计 (over-engineer) 电池容量来满足特定的备用期限，并且在生产阶段无需重复每一个电池组从而提供了更低成本的解决方案。&
了解并跟踪单个电池阻抗是精确预测剩余电量的关键。如前所述，最重要的电池老化效应是由于高温以及以高于其最高额定电压进行充电引起的，甚至以高于额定电压 50mV 的电压进行充电也可能会使电池的使用寿命缩短一半。锂离子电池内部阻抗会在正常使用充/放电周期内增加（老化），并且阻抗在低温时会大大增加（而不会缩短使用寿命）。&
阻抗跟踪算法的自适应特性通过监控松弛和负载状态下的电池电压，并积分充/放电过程中的电流来监控这些老化因子。由于是连续监控，所以没有必要对阻抗进行&猜测&，因此在整个电池使用寿命内都可以精确地计算真正的电池容量。
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应用与方案分类
&&& 目前，处理器性能的主要衡量指标是时钟& & 磷酸铁锂电池应用中的阻抗跟踪电池电量计技术
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TI的阻抗跟踪电池电量计技术是一种功能强大的自适应算法，其会记住电池特性随时间的变化情况。将这种算法与电池组具体的化学属性结合可以非常准确地知道电池的充电状态 (SOC)，从而延长电池组使用寿命。
然而，更新电池总化学容量(Qmax)相关信息要求具备某些条件。磷酸铁锂(LiFePO4)电池的极端稳定电压状态下要完成这项工作变得较为困难（请参见图1），特别是如果无法对电池完全放电且让其休息数小时那就更加困难了。图 1显示了典型开路电压 (OCV) 特性与钴酸锂 (LiCoO2) 和磷酸铁锂 (LiFePO4)电池化学属性放电深度 (DOD) 的关系。本文主要讨论参考文献1和参考文献2的阻抗跟踪技术。
TI建议所有磷酸铁锂电池都使用阻抗跟踪3 (IT3) 算法。IT3对早期阻抗跟踪算法的改进包括：
●通过更好的温度补偿实现更佳的低温性能
●更多滤波，以防止出现SOC容量跳跃
●更高的精度，用于磷酸铁锂电池的非理想OCV读取
●保守的剩余容量估算，以及额外的负载选择配置
IT3包括在TI的bq20z4x、bq20z6x和bq2电量监测计中（所列并非全部）。
Qmax更新的典型条件
阻抗跟踪算法将Qmax定义为电池的总化学容量，其以毫安小时(mAh)计算。一次正确的Qmax更新，必须满足下列两个条件：
1、 两个OCV测量必须在不合格电压范围以外进行，基于TI确定的电池化学身份(ID)编码。只能对一块闲置电池（没有进行数小时的充电或者放电）进行OCV测量。
参考文献3列出了一些不合格电压范围，其中一些显示在表1中。我们可以看到，就化学ID编码100而言，如果任何电池电压超出3737mV或者低于3800mV则不允许进行OCV测量。实际上，这就是OCV测量获得最佳精确度的“禁用”范围。虽然本文给出了SOC百分比，但电量计仅根据电压来确定不合格范围。 2、 最小通过电荷量必须由电量计进行综合。默认情况下，其为总电池容量的37%。为了进行浅放电Qmax更新，这一通过电荷百分比可以降低至10%。这种降低的代价是SOC精确度的损失，但在其它他无法更新Qmax的系统中是容许的。
既然我们理解了浅放电Qmax更新的要求，那么让我们来看一个数据闪存参数的例子，我们需要在一个更低容量电池组配置中对其进行修改。默认阻抗跟踪算法基于典型笔记本电脑电池组，该电池组拥有2个并联组，每组3节串联电池，即3s2p配置结构。每组有2200-mAh容量，因此总容量为4400hAh。磷酸铁锂电池的容量约为其一半，因此如果以3s1p配置使用它们，则总电池组容量为1100mAh。如果使用像这样的更小容量电池组，需要在TI的电量计评估软件中对具体的数据闪存参数进行微调，以获得最佳的性能。本文剩下部分将介绍这一过程。
来看一下一个使用A123系统TM1100-mAh 18650磷酸铁锂/碳精棒电池的3s1p配置电池组。这种电池类型的TI化学ID编码为404。这种电池将用于50℃左右正常温度的存储系统中。放电率为1C，且一个5-mΩ检测电阻器用于电量计，目的是进行库仑计数。
如表1所示，化学ID 404的OCV测量的不合格电压范围为3274mV（最小值，即 ~34% SOC）到 3351mV（最大值，即 ~93% SOC）。大多数磷酸铁锂电池都有非常宽的不合格电压范围（参见化学ID 409进行对比）。然而，根据具体的电池特性，为浅放电Qmax更新找出一个更高的最小不合格电压是可能的。化学ID为404时，将这一值升高至3322mV是可能的，从而允许 mV的浅放电Qmax更新窗口（请参见图2）。设计人员可以使用这种中间范围低误差窗口，实现数据闪存修改。由于仅能对高和低不合格电压范围进行设定，因此主系统必须保证在 3309mV 以下不会进行更低的OCV测量。（随着关联误差的增长，OCV测量误差在mV之间急剧增加。）虽然仅有一个13-mV窗口在更低OCV测量时起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其对应于一个70%到64%的SOC范围。
磷酸铁锂电池具有非常长的松弛时间，因此我们可以将数据闪存参数“OCV 等待时间”增加至 18000 秒（5 小时）。由于电池的正常工作温度得到提高，因此参数“Q无效最大温度”应修改为55℃。另外，“Qmax最大时间”应修改为21600 秒（6 小时）。
要将Qmax通过电荷从37%降低至10%，需要修改“DOD最大容量误差”、“最大容量误差”和“Qmax滤波器”，因为它们都会影响OCV1和OCV2测量之间的不合格时间。“Qmax滤波器”是一个补偿因数，其根据通过电荷来改变Qmax。
设置这些参数的目的是基于测得的通过电荷获得1%以下的“最大容量误差”，包括ADC最大补偿误差（“CC 静带”）。但是，需要对这些值进行一些修改，以允许浅放电Qmax更新。
实例1max更新超时期间
要获得1000-mAh电池10-mΩ检测电阻器1%以下的累积误差，以及硬件设置10μV固定值的“CC 静带”，Qmax更新的超时期间由下列情况决定：
10 μV/10 mΩ = 1-mA 补偿电流。
1000-mAh 容量× 1% 允许误差=10-mAh 容量误差。
10-mAh 电容误差/1-mA 补偿电流=10 小时。
因此，从开始到结束，包括休息时间，仅有10小时可用于完成一次Qmax更新。10小时超时以后，一旦电量计进行其下一个正确OCV读取，计时器便会重新开始。
实例2:数据闪存参数修改
在使用带有一个5-mΩ检测电阻器的1100-mAh电池设计方案中，可以使用相同方法计算得到Qmax更新的超时期间：
10 μV/5 mΩ = 2-mA 补偿电流。
1100 mAh × 1% = 11 mAh。
11 mAh/2-mA 补偿电流= 5.5 小时。
这种情况下，需要放宽容量误差百分比，以增加Qmax超时。将“最大容量误差”（从1%的默认值）修改为3%，得到：
1.1 Ah × 3% = 33 mAh
其会增加 Qmax 不合格时间到：
33 mAh/2-mA 容量误差=16.5 小时。
需要将“DOD容量误差”设置为2倍“最大容量误差”，因此可以将其改为6%（默认值为2%）。
根据通过电荷的百分比，需要按比例减小“Qmax 滤波器”的默认值 96：
“Qmax 滤波器”=96/(37%/10%) = 96/3.7 = 26
表2显示了电量计评估软件中典型的数据闪存参数，必须对其进行修改以实现浅放电 Qmax 更新。这些特殊参数均为受保护（归为“隐藏”类），但可以由TI的应用人员解锁。本表格所用举例电池组为前面所述电池组，其为一种使用A123 1100-mAh 18650 LiFePO4/碳精棒电池（化学 ID 为 404）的 3s1p 电池组。
1、该参数在黄金影像 (golden image) 过程期间很重要。如果使用的是标准 4.2-V 锂离子电池，且仅将其充电至 4.1V 系统电平，则在电池充电至 4.2V 以后进行首次 Qmax 更新仍然必要，目的是满足 90%容量变化的要求。根据电量计设定的化学 ID 编码，对规定电池容量即“设计容量”和估计 DOD 的容量变化进行开始和结束点检查。
2、计算 Qmax 时，宽范围温度变化会引起误差。在高或低温下正常工作的系统中，对该参数进行修改是必要的。Qmax更新事件
下列事件描述了实例1和2所述数据闪存参数改变以后，实现一次Qmax更新的一种实用方法。
1、电池电压位于图 2 所示低关联误差窗口内时应该开始一次 Qmax 更新。设计人员的自有算法可用于将电池放电/充电至这一范围内。
2、本实例中，为了进入该有效测量范围（化学ID为404），所有电池电压都必须大于或者等于3309mV，且小于或者等于3322mV。如果常规放电期间电池电压恰好位于有效范围以外，则在18000秒设定“OCV等待时间”以前必须开始另一个放电或者充电周期。如果6小时10分钟以后，所有电池电压均在mV范围内，则进行了一次正确的OCV测量。
3、下一步是对电池完全放电。一旦电池充满（即100% SOC），其在进行第二次OCV测量以前应该再休息6小时10分钟。之后，Qmax值被更新。如果充电进行了约2小时，则超时期间至少需要8小时。由实例2中16.5小时超时期间的计算，我们知道时间绰绰有余，额外多出8.5小时的缓冲时间。
4、电量计处在开启模式下时向电量计发布一条ResetCommand (0x41)，可以重置OCV计时器。
表3显示了使用举例电池组配置时如描述的那样循环操作电池所得到的结果。
TI的阻抗跟踪技术是一种非常精确的算法，用于通过电池使用时间来确定电池SOC。在一些磷酸铁锂电池应用中，利用一段时间的闲置来对电池进行完全放电是不可能的，因此研究一种Qmax更新的浅放电方法是必要的。本文介绍了实现一次浅放电Qmax更新需要考虑的因素和数据闪存编程配置。对这些参数的修改，必须由TI应用人员根据系统配置和要求批准之后才能进行。 原帖：&;
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作者：Keith James Keller，德州仪器 (TI) 模　发布时间：　来源：　
TI 的阻抗跟踪 TM 电池电量计技术是一种功能强大的自适应算法，其会记住电池特性随时间的变化情况。将这种算法与电池组具体的化学属性结合可以非常准确地知道电池的充电状态 (SOC)，从而延长电池组使用寿命。然而，更新电
TI 的阻抗跟踪 TM 电池电量计技术是一种功能强大的自适应算法，其会记住电池特性随时间的变化情况。将这种算法与电池组具体的化学属性结合可以非常准确地知道电池的充电状态 (SOC)，从而延长电池组使用寿命。然而，更新电池总化学容量 (Qmax) 相关信息要求具备某些条件。磷酸铁锂(LiFePO4) 电池的极端稳定电压状态下要完成这项工作变得较为困难（请参见图1），特别是如果无法对电池完全放电且让其休息数小时那就更加困难了。图 1显示了典型开路电压 (OCV) 特性与钴酸锂 (LiCoO2) 和磷酸铁锂 (LiFePO4)电池化学属性放电深度 (DOD) 的关系。本文主要讨论参考文献 1 和参考文献2 的阻抗跟踪技术。图 1 基于 DOD 的电池 OCV 测量TI 建议所有磷酸铁锂电池都使用阻抗跟踪 3 (IT3) 算法。IT3 对早期阻抗跟踪算法的改进包括：通过更好的温度补偿实现更佳的低温性能更多滤波，以防止出现 SOC 容量跳跃更高的精度，用于磷酸铁锂电池的非理想 OCV 读取保守的剩余容量估算，以及额外的负载选择配置IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq2 电量监测计中（所列并非全部）。Qmax 更新的典型条件阻抗跟踪算法将 Qmax 定义为电池的总化学容量，其以毫安小时 (mAh) 计算。一次正确的 Qmax 更新，必须满足下列两个条件：1、 两个 OCV 测量必须在不合格电压范围以外进行，基于 TI 确定的电池化学身份 (ID) 编码。只能对一块闲置电池（没有进行数小时的充电或者放电）进行 OCV 测量。参考文献 3 列出了一些不合格电压范围，其中一些显示在表 1 中。我们可以看到，就化学 ID 编码 100 而言，如果任何电池电压超出 3737mV或者低于 3800mV 则不允许进行 OCV 测量。实际上，这就是 OCV 测量获得最佳精确度的&禁用&范围。虽然本文给出了 SOC 百分比，但电量计仅根据电压来确定不合格范围。表 1 摘选自参考文献 3，其根据 Qmax 更新的化学属性列出不合格的电压范围2、 最小通过电荷量必须由电量计进行综合。默认情况下，其为总电池容量的37%。为了进行浅放电 Qmax 更新，这一通过电荷百分比可以降低至 10%。这种降低的代价是 SOC 精确度的损失，但在其它他无法更新 Qmax 的系统中是容许的。既然我们理解了浅放电 Qmax 更新的要求，那么让我们来看一个数据闪存参数的例子，我们需要在一个更低容量电池组配置中对其进行修改。默认阻抗跟踪算法基于典型笔记本电脑电池组，该电池组拥有 2 个并联组，每组 3 节串联电池，即 3s2p 配置结构。每组有 2200-mAh 容量，因此总容量为 4400hAh。磷酸铁锂电池的容量约为其一半，因此如果以 3s1p 配置使用它们，则总电池组容量为1100mAh。如果使用像这样的更小容量电池组，需要在 TI 的电量计评估软件中对具体的数据闪存参数进行微调，以获得最佳的性能。本文剩下部分将介绍这一过程。实例计算来看一下一个使用 A123 系统 TM1100-mAh 18650 磷酸铁锂/碳精棒电池的3s1p 配置电池组。这种电池类型的 TI 化学 ID 编码为 404。这种电池将用于50&C 左右正常温度的存储系统中。放电率为 1C，且一个 5-m&O 检测电阻器用于电量计，目的是进行库仑计数。如表 1 所示，化学 ID 404 的 OCV 测量的不合格电压范围为 3274mV（最小值，即 ~34% SOC）到 3351mV（最大值，即 ~93% SOC）。大多数磷酸铁锂电池都有非常宽的不合格电压范围（参见化学 ID 409 进行对比）。然而，根据具体的电池特性，为浅放电 Qmax 更新找出一个更高的最小不合格电压是可能的。化学 ID 为 404 时，将这一值升高至 3322mV 是可能的，从而允许 3309 到3322 mV 的浅放电 Qmax 更新窗口（请参见图 2）。设计人员可以使用这种中间范围低误差窗口，实现数据闪存修改。由于仅能对高和低不合格电压范围进行设定，因此主系统必须保证在 3309mV 以下不会进行更低的 OCV 测量。（随着关联误差的增长，OCV 测量误差在 3274 和 3309mV 之间急剧增加。）虽然仅有一个 13-mV 窗口在更低 OCV 测量时起作用（3322 & 3309 mV = 13 mV），但其对应于一个 70% 到 64% 的 SOC 范围。磷酸铁锂电池具有非常长的松弛时间，因此我们可以将数据闪存参数&OCV 等待时间&增加至 18000 秒（5 小时）。由于电池的正常工作温度得到提高，因此参数&Q 无效最大温度&应修改为 55&C。另外，&Qmax 最大时间&应修改为21600 秒（6 小时）。图 2 1-mV 电压误差的 SOC 关联误差要将 Qmax 通过电荷从 37% 降低至 10%，需要修改&DOD 最大容量误差&、&最大容量误差&和&Qmax 滤波器&，因为它们都会影响 OCV1 和 OCV2 测量之间的不合格时间。&Qmax 滤波器&是一个补偿因数，其根据通过电荷来改变 Qmax。设置这些参数的目的是基于测得的通过电荷获得 1% 以下的&最大容量误差&，包括 ADC 最大补偿误差（&CC 静带&）。但是，需要对这些值进行一些修改，以允许浅放电 Qmax 更新。
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如何对浅放电应用中TI阻抗跟踪电池电量计进行微调
TI 的 TM 电池电量计技术是一种功能强大的自适应算法，其会记住电池特性随时间的变化情况。将这种算法与电池组具体的化学属性结合可以非常准确地知道电池的充电状态 (SOC)，从而延长电池组使用寿命。然而，更新电池总化学容量 (Qmax) 相关信息要求具备某些条件。磷酸铁锂(LiFePO4) 电池的极端稳定电压状态下要完成这项工作变得较为困难（请参见图1），特别是如果无法对电池完全放电且让其休息数小时那就更加困难了。图 1显示了典型开路电压 (OCV) 特性与钴酸锂 (LiCoO2) 和磷酸铁锂 (LiFePO4)电池化学属性放电深度 (DOD) 的关系。本文主要讨论参考文献 1 和参考文献2 的技术。图1：图1 基于 DOD 的电池 OCV 测量。TI 建议所有都使用 3 (IT3) 算法。IT3 对早期阻抗跟踪算法的改进包括：· 通过更好的温度补偿实现更佳的低温性能· 更多滤波，以防止出现 SOC 容量跳跃· 更高的精度，用于的非理想 OCV 读取· 保守的剩余容量估算，以及额外的负载选择配置IT3 包括在 TI 的 bq20z4x、bq20z6x 和 bq2 电量监测计中（所列并非全部）。Qmax 更新的典型条件阻抗跟踪算法将 Qmax 定义为电池的总化学容量，其以毫安小时 (mAh) 计算。一次正确的 Qmax 更新，必须满足下列两个条件：1、 两个 OCV 测量必须在不合格电压范围以外进行，基于 TI 确定的电池化学身份 (ID) 编码。只能对一块闲置电池（没有进行数小时的充电或者放电）进行 OCV 测量。参考文献 3 列出了一些不合格电压范围，其中一些显示在表 1 中。我们可以看到，就化学 ID 编码 100 而言，如果任何电池电压超出 3737mV或者低于 3800mV 则不允许进行 OCV 测量。实际上，这就是 OCV 测量获得最佳精确度的“禁用”范围。虽然本文给出了 SOC 百分比，但电量计仅根据电压来确定不合格范围。表 1 摘选自参考文献 3，其根据 Qmax 更新的化学属性列出不合格的电压范围。2、 最小通过电荷量必须由电量计进行综合。默认情况下，其为总电池容量的37%。为了进行浅放电 Qmax 更新，这一通过电荷百分比可以降低至 10%。这种降低的代价是 SOC 精确度的损失，但在其它他无法更新 Qmax 的系统中是容许的。既然我们理解了浅放电 Qmax 更新的要求，那么让我们来看一个数据闪存参数的例子，我们需要在一个更低容量电池组配置中对其进行修改。默认阻抗跟踪算法基于典型笔记本电脑电池组，该电池组拥有 2 个并联组，每组 3 节串联电池，即 3s2p 配置结构。每组有 2200-mAh 容量，因此总容量为 4400hAh。的容量约为其一半，因此如果以 3s1p 配置使用它们，则总电池组容量为1100mAh。如果使用像这样的更小容量电池组，需要在 TI 的电量计评估软件中对具体的数据闪存参数进行微调，以获得最佳的性能。本文剩下部分将介绍这一过程。实例计算来看一下一个使用 A123 系统 TM1100-mAh 18650 磷酸铁锂/碳精棒电池的3s1p 配置电池组。这种电池类型的 TI 化学 ID 编码为 404。这种电池将用于50°C 左右正常温度的存储系统中。放电率为 1C，且一个 5-mΩ 检测电阻器用于电量计，目的是进行库仑计数。如表 1 所示，化学 ID 404 的 OCV 测量的不合格电压范围为 3274mV（最小值，即 ~34% SOC）到 3351mV（最大值，即 ~93% SOC）。大多数磷酸铁锂电池都有非常宽的不合格电压范围（参见化学 ID 409 进行对比）。然而，根据具体的电池特性，为浅放电 Qmax 更新找出一个更高的最小不合格电压是可能的。化学 ID 为 404 时，将这一值升高至 3322mV 是可能的，从而允许 3309 到3322 mV 的浅放电 Qmax 更新窗口（请参见图 2）。设计人员可以使用这种中间范围低误差窗口，实现数据闪存修改。由于仅能对高和低不合格电压范围进行设定，因此主系统必须保证在 3309mV 以下不会进行更低的 OCV 测量。（随着关联误差的增长，OCV 测量误差在 3274 和 3309mV 之间急剧增加。）虽然仅有一个 13-mV 窗口在更低 OCV 测量时起作用（3322 – 3309 mV = 13 mV），但其对应于一个 70% 到 64% 的 SOC 范围。磷酸铁锂电池具有非常长的松弛时间，因此我们可以将数据闪存参数“OCV 等待时间”增加至 18000 秒（5 小时）。由于电池的正常工作温度得到提高，因此参数“Q 无效最大温度”应修改为 55°C。另外，“Qmax 最大时间”应修改为21600 秒（6 小时）。图 2 1-mV 电压误差的 SOC 关联误差。要将 Qmax 通过电荷从 37% 降低至 10%，需要修改“DOD 最大容量误差”、“最大容量误差”和“Qmax 滤波器”，因为它们都会影响 OCV1 和 OCV2 测量之间的不合格时间。“Qmax 滤波器”是一个补偿因数，其根据通过电荷来改变 Qmax。设置这些参数的目的是基于测得的通过电荷获得 1% 以下的“最大容量误差”，包括 ADC 最大补偿误差（“CC 静带”）。但是，需要对这些值进行一些修改，以允许浅放电 Qmax 更新。实例 1 Qmax 更新超时期间要获得 1000-mAh 电池 10-mΩ 检测电阻器 1% 以下的累积误差，以及硬件设置 10μV 固定值的“CC 静带”，Qmax 更新的超时期间由下列情况决定：10 μV/10 mΩ = 1-mA 补偿电流。1000-mAh 容量× 1% 允许误差=10-mAh 容量误差。10-mAh 电容误差/1-mA 补偿电流=10 小时。因此，从开始到结束，包括休息时间，仅有 10 小时可用于完成一次 Qmax 更新。10 小时超时以后，一旦电量计进行其下一个正确 OCV 读取，计时器便会重新开始。实例 2 数据闪存参数修改在使用带有一个 5-mΩ 检测电阻器的 1100-mAh 电池设计方案中，可以使用相同方法计算得到 Qmax 更新的超时期间：10 μV/5 mΩ = 2-mA 补偿电流。1100 mAh × 1% = 11 mAh。11 mAh/2-mA 补偿电流= 5.5 小时。这种情况下，需要放宽容量误差百分比，以增加 Qmax 超时。将“最大容量误差”（从 1% 的默认值）修改为 3%，得到：1.1 Ah × 3% = 33 mAh其会增加 Qmax 不合格时间到：33 mAh/2-mA 容量误差=16.5 小时。需要将“DOD 容量误差”设置为 2 倍“最大容量误差”，因此可以将其改为 6%（默认值为 2%）。根据通过电荷的百分比，需要按比例减小“Qmax 滤波器”的默认值 96：“Qmax 滤波器”=96/(37%/10%) = 96/3.7 = 26表 2 显示了电量计评估软件中典型的数据闪存参数，必须对其进行修改以实现浅放电 Qmax 更新。这些特殊参数均为受保护（归为“隐藏”类），但可以由 TI的应用人员解锁。本表格所用举例电池组为前面所述电池组，其为一种使用A123 1100-mAh 18650 LiFePO4/碳精棒电池（化学 ID 为 404）的 3s1p 电池组。表 2 根据系统使用情况可以由 TI 应用人员修改的一些受保护数据闪存参数。(1、 该参数在黄金影像 (golden image) 过程期间很重要。如果使用的是标准 4.2-V 锂离子电池，且仅将其充电至 4.1V 系统电平，则在电池充电至 4.2V 以后进行首次 Qmax 更新仍然必要，目的是满足 90%容量变化的要求。根据电量计设定的化学 ID 编码，对规定电池容量即“设计容量”和估计 DOD 的容量变化进行开始和结束点检查。2、 计算 Qmax 时，宽范围温度变化会引起误差。在高或低温下正常工作的系统中，对该参数进行修改是必要的。)Qmax 更新事件下列事件描述了实例 1 和 2 所述数据闪存参数改变以后，实现一次 Qmax 更新的一种实用方法。1、电池电压位于图 2
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