电池备份存储系统的电池电量监测考虑因素

   电池备份系统的精确电池电量监测需要加以特别考虑。使用TI带阻抗追踪™技术的电池电量计具有明显的优势，其在电池老化时并不要求电池组完全放电来完成自动记忆（计算电量）。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。若想查看根据电池化学性质确定的不合格Qmax更新电压范围Excel®文件，请访问http://www.ti.com/lit/zip/slua372    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。 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(~375μA)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“OperationCfgA”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“OperationCfgB”数据闪存寄存器中设置的固定位(NR=0)置位/pRESGpI。    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   MicrosunTechnologies公司的3s4p8.8-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67mAh的电量（67mAh/8819Qmax=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