某些高 C 速率應(yīng)用由磷酸鐵鋰（LiFeP04 或 LFP）電池供電。在電量計(jì)量方面，這些電池類(lèi)型需要特別小心。本應(yīng)用筆記介紹了這些電池類(lèi)型的獨(dú)特功能，并使用為L(zhǎng)FP電池配置的電量計(jì)算法分享測(cè)試結(jié)果。

介紹

全球鋰離子（Li+）電池的使用量每年都在繼續(xù)增長(zhǎng)。這些電池具有高能量密度、低自放電率和可忽略不計(jì)的記憶效應(yīng)。市場(chǎng)上有許多Li+電池的變體，每種都有自己獨(dú)特的特性。這些電池可以根據(jù)其化學(xué)成分組合成類(lèi)型。每種化學(xué)類(lèi)型在為特定應(yīng)用提供電力方面都有自己的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。表1顯示了Li+電池的主要類(lèi)型。本應(yīng)用筆記重點(diǎn)介紹磷酸鐵鋰（LFP）電池，重點(diǎn)介紹燃料計(jì)量考慮因素，以提高精度。

磷酸鐵鋰電池—入門(mén)

優(yōu)勢(shì)

與鉛酸和其他類(lèi)型的鋰電池相比，LFP電池在熱和化學(xué)上更穩(wěn)定。即使在過(guò)充電或短路等故障條件下，它們也不會(huì)燃燒，并且不容易發(fā)生熱失控。與其他Li+電池相比，電池還可以在更寬的溫度范圍內(nèi)使用：-40°C至+ 70°C.與LCO，LMO，NMC和NCA電池的典型次低于1000次循環(huán)相比，LFP電池還提供更長(zhǎng)的循環(huán)壽命，從1000到2000次循環(huán)。LFP電池可以長(zhǎng)時(shí)間暴露在高壓下，壓力比其他化學(xué)物質(zhì)低得多。它們可以放電到非常高的25C速率。相比之下，其他Li+電池通常在1C以下放電，盡管在某些極端情況下，它們可能會(huì)在高達(dá)10C的溫度下放電。

缺點(diǎn)

LFP電池的標(biāo)稱(chēng)電壓較低，為3.2V，這意味著比能量低于LCO，LMO，NMC和NCA電池的3.6V至3.8V標(biāo)稱(chēng)范圍。細(xì)胞對(duì)水分和水也很敏感。當(dāng)這些電池與水直接接觸時(shí)，會(huì)導(dǎo)致陰極中活性材料的損失，從而降低材料的能量密度。因此，只有在嚴(yán)格的質(zhì)量控制下制造的高質(zhì)量電池才能承受適度的外部濕度條件。就像具有其他化學(xué)物質(zhì)的電池一樣，LFP電池在較冷的溫度下往往表現(xiàn)更差。

典型應(yīng)用

LFP電池用于各種高C速率應(yīng)用。一些例子包括小型電動(dòng)汽車(chē)、電動(dòng)綠色割草機(jī)、剪刀式升降機(jī)、垃圾車(chē)、機(jī)器人、家庭儲(chǔ)能、混合動(dòng)力發(fā)電機(jī)和卡車(chē) APU 系統(tǒng)。這種電池類(lèi)型的其他應(yīng)用包括天氣監(jiān)測(cè)設(shè)備、海洋浮標(biāo)、石油和天然氣管道設(shè)備、車(chē)牌監(jiān)控設(shè)備、深度探測(cè)器、槳板和游樂(lè)場(chǎng)設(shè)備。

監(jiān)測(cè)磷酸鐵鋰電池的挑戰(zhàn)

LFP電池具有非常平坦的放電曲線和遲滯，這使得監(jiān)測(cè)這些電池非常困難。圖1顯示了LFP電池的典型放電曲線。在某些地區(qū)，隨著電池長(zhǎng)時(shí)間放電，電壓幾乎不會(huì)下降。圖2顯示了LFP電池的遲滯和相關(guān)的充電狀態(tài)（SOC）誤差。相比之下，圖3顯示了NCA電池的典型放電曲線，其中電壓在放電過(guò)程中顯著下降。

圖1.磷酸鐵鋰電池的典型放電曲線。

圖2.LFP 細(xì)胞滯后和相關(guān) SOC 誤差為 35%。

圖3.NCA電池的典型放電曲線。

其他具有與LFP電池相似的電池化學(xué)物質(zhì)包括磷酸鈷鋰（LiCoPO4）、硫酸鐵氟化鋰（LiFeSO4F）和磷酸錳鋰（LiMnPO4).

精確的磷酸鐵鋰電池電量計(jì)

LFP電池具有極其平坦的電壓曲線，其中只有1%的SOC變化對(duì)應(yīng)于開(kāi)路電壓（OCV）曲線上僅幾毫伏的變化。此外，LFP細(xì)胞以其在OCV曲線中的滯后而聞名。幸運(yùn)的是，在監(jiān)測(cè)LFP細(xì)胞時(shí)，可以使用更高的技術(shù)來(lái)獲得更高的準(zhǔn)確性。例如，連續(xù)OCV預(yù)測(cè)算法（不需要松弛、滿(mǎn)載或空條件）與庫(kù)侖計(jì)數(shù)器相結(jié)合，與其他庫(kù)侖計(jì)數(shù)方法相比，電壓靈敏度大大降低。大多數(shù)替代方法需要觀察處于松弛狀態(tài)的電池，并根據(jù)測(cè)量的電壓進(jìn)行校正。在這種方法中，校正很少（每天幾次，而不是每分鐘許多小的校正），并且在校正過(guò)程中任何錯(cuò)誤的影響都很大。校正過(guò)程中的任何錯(cuò)誤通常會(huì)被凍結(jié)，因此會(huì)持續(xù)到下一次更正。正因?yàn)槿绱耍惴ǖ倪x擇及其電壓的使用對(duì)于LFP電池尤其重要。最佳算法通過(guò)始終為電壓校正提供較小的權(quán)重來(lái)最小化這些誤差。因此，它對(duì)電壓測(cè)量誤差的彈性要強(qiáng)得多。

被測(cè)細(xì)胞

使用帶有庫(kù)侖計(jì)數(shù)的OCV算法，對(duì)標(biāo)稱(chēng)容量為2500mAh的ANR26650M1-B LFP電池進(jìn)行了測(cè)試。

經(jīng)過(guò)精心調(diào)整的電量計(jì)已證明能夠提供出色的電量計(jì)精度。我們選擇了一種將電量計(jì)推向極端的測(cè)試模式，即電池連續(xù)使用而不會(huì)超過(guò)一周的滿(mǎn)電量或電量。監(jiān)測(cè)這種模式是非常具有挑戰(zhàn)性的，即使在非LFP細(xì)胞的情況下也是如此。圖4中的曲線顯示，在測(cè)試模式期間，SOC誤差優(yōu)于2%。

圖4.顯示電池電壓、電流、溫度和 SOC 誤差的測(cè)試模式。除第一個(gè)周期外，SOC誤差保持在2%以下。

圖5.在連續(xù)使用的復(fù)雜情況下實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確的燃油計(jì)量，沒(méi)有超過(guò)一周的滿(mǎn)載或空載。誤差保持在2%以下。

圖6.即使在-5°C下，SOC誤差也保持在2%以下。

用于磷酸鐵鋰電池的電量計(jì)IC示例

該測(cè)試用例使用MAX17201電量計(jì)監(jiān)測(cè)LFP電池;MAX17201/MAX17211/MAX17205/MAX17215系列中的其它IC都會(huì)產(chǎn)生類(lèi)似的結(jié)果。LFP 電池的 OCV-SOC 曲線比傳統(tǒng)的鋰鈷化學(xué)成分平坦得多，因此對(duì)算法對(duì)電池電壓和 OCV 的解釋具有更高的靈敏度。為了使電量計(jì)算法能夠隨著時(shí)間的推移實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的全容量測(cè)量，需要在禁止窗口之外計(jì)算電池的全容量，該窗口在OCV-SOC曲線中具有最平坦的區(qū)域和最大的滯后。為了使用MAX17201計(jì)算，全容量學(xué)習(xí)使用充電會(huì)話和放電會(huì)話，僅在禁光窗外發(fā)生松弛（例如，20%至72%）時(shí)累積的放電會(huì)話。還必須有超過(guò) 2% 的 SOC 變化才能進(jìn)行學(xué)習(xí)。

圖7顯示了LFP單元的OCV-SOC曲線，以及OCV禁止區(qū)域。

圖7.具有 OCV 禁止區(qū)的 LFP 單元的 OCV-SOC 曲線。為防止錯(cuò)誤學(xué)習(xí)，此區(qū)域不用于計(jì)算全部容量。

執(zhí)行以下步驟配置MAX17201模型儀表?支持LFP的m5系列：

將電池或電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給Maxim（通過(guò)您的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師）進(jìn)行表征。特性數(shù)據(jù)應(yīng)由Maxim轉(zhuǎn)換為電池模型。

在 nNVCfg1 （1B9h） 寄存器中將 enSC 設(shè)置為 1 以啟用 LFP 模式和窗口阻止。

加載電池模型的其余部分。

MAX17055和MAX17260/MAX17261/MAX17263支持具有特殊型號(hào)配置的LFP電池。為了獲得良好的SOC準(zhǔn)確性，有必要對(duì)所使用的特定LFP細(xì)胞進(jìn)行表征和建模。這些IC為與LFP和其他“扁平”O(jiān)CV化學(xué)相關(guān)的挑戰(zhàn)提供了額外的算法支持。

按照以下過(guò)程配置MAX17260/MAX17261/MAX17263和MAX17055，以支持LFP：

將電池或電池?cái)?shù)據(jù)發(fā)送給Maxim（通過(guò)您的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師）進(jìn)行表征。特性數(shù)據(jù)應(yīng)由Maxim轉(zhuǎn)換為電池模型。

將0x0060寫(xiě)入模型CFG （DBh） 寄存器以啟用 LFP 模式和窗口阻止。

加載電池模型的其余部分。有關(guān)更多詳細(xì)信息，請(qǐng)參見(jiàn)MAX17055軟件實(shí)現(xiàn)指南和MAX1726x軟件實(shí)現(xiàn)指南。

總結(jié)

LFP 電池是某些高 C 速率應(yīng)用的理想選擇;然而，這些電池類(lèi)型的精確電量計(jì)需要特別小心。本應(yīng)用筆記討論了使用OCV燃油計(jì)算法和庫(kù)侖計(jì)數(shù)的測(cè)試用例。這種類(lèi)型的算法克服了其他電量計(jì)方法在LFP電池中遇到的一些精度挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷