磷酸鐵鋰電池電量計的注意事項

某些高 C 速率應(yīng)用由磷酸鐵鋰（LiFeP04 或 LFP）電池供電。在電量計量方面，這些電池類型需要特別小心。本應(yīng)用筆記介紹了這些電池類型的獨特功能，并使用為LFP電池配置的電量計算法分享測試結(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。這些電池具有高能量密度、低自放電率和可忽略不計的記憶效應(yīng)。市場上有許多Li+電池的變體，每種都有自己獨特的特性。這些電池可以根據(jù)其化學成分組合成類型。每種化學類型在為特定應(yīng)用提供電力方面都有自己的優(yōu)點和缺點。表1顯示了Li+電池的主要類型。本應(yīng)用筆記重點介紹磷酸鐵鋰（LFP）電池，重點介紹燃料計量考慮因素，以提高精度。

磷酸鐵鋰電池—入門

優(yōu)勢

與鉛酸和其他類型的鋰電池相比，LFP電池在熱和化學上更穩(wěn)定。即使在過充電或短路等故障條件下，它們也不會燃燒，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電池還提供更長的循環(huán)壽命，從1000到2000次循環(huán)。LFP電池可以長時間暴露在高壓下，壓力比其他化學物質(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，它們可能會在高達10C的溫度下放電。

缺點

LFP電池的標稱電壓較低，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標稱范圍。細胞對水分和水也很敏感。當這些電池與水直接接觸時，會導(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汽車、電動綠色割草機、剪刀式升降機、垃圾車、機器人、家庭儲能、混合動力發(fā)電機和卡車 APU 系統(tǒng)。這種電池類型的其他應(yīng)用包括天氣監(jiān)測設(shè)備、海洋浮標、石油和天然氣管道設(shè)備、車牌監(jiān)控設(shè)備、深度探測器、槳板和游樂場設(shè)備。

監(jiān)測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)，隨著電池長時間放電，電壓幾乎不會下降。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

LFP電池具有極其平坦的電壓曲線，其中只有1%的SOC變化對應(yīng)于開路電壓（OCV）曲線上僅幾毫伏的變化。此外，LFP細胞以其在OCV曲線中的滯后而聞名。幸運的是，在監(jiān)測LFP細胞時，可以使用更高的技術(shù)來獲得更高的準確性。例如，連續(xù)OCV預(yù)測算法（不需要松弛、滿載或空條件）與庫侖計數(shù)器相結(jié)合，與其他庫侖計數(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)測量的電壓進行校正。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），并且在校正過程中任何錯誤的影響都很大。校正過程中的任何錯誤通常會被凍結(jié)，因此會持續(xù)到下一次更正。正因為如此，算法的選擇及其電壓的使用對于LFP電池尤其重要。最佳算法通過始終為電壓校正提供較小的權(quán)重來最小化這些誤差。因此，它對電壓測量誤差的彈性要強得多。

被測細胞

使用帶有庫侖計數(shù)的OCV算法，對標稱容量為2500mAh的ANR26650M1-B LFP電池進行了測試。

經(jīng)過精心調(diào)整的電量計已證明能夠提供出色的電量計精度。我們選擇了一種將電量計推向極端的測試模式，即電池連續(xù)使用而不會超過一周的滿電量或電量。監(jiān)測這種模式是非常具有挑戰(zhàn)性的，即使在非LFP細胞的情況下也是如此。圖4中的曲線顯示，在測試模式期間，SOC誤差優(yōu)于2%。

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

圖5.在連續(xù)使用的復(fù)雜情況下實現(xiàn)了準確的燃油計量，沒有超過一周的滿載或空載。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IC示例

該測試用例使用MAX17201電量計監(jiān)測LFP電池;MAX17201/MAX17211/MAX17205/MAX17215系列中的其它IC都會產(chǎn)生類似的結(jié)果。LFP 電池的 OCV-SOC 曲線比傳統(tǒng)的鋰鈷化學成分平坦得多，因此對算法對電池電壓和 OCV 的解釋具有更高的靈敏度。為了使電量計算法能夠隨著時間的推移實現(xiàn)準確的全容量測量，需要在禁止窗口之外計算電池的全容量，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計算，全容量學習使用充電會話和放電會話，僅在禁光窗外發(fā)生松弛（例如，20%至72%）時累積的放電會話。還必須有超過 2% 的 SOC 變化才能進行學習。

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。為防止錯誤學習，此區(qū)域不用于計算全部容量。

執(zhí)行以下步驟配置MAX17201模型儀表?支持LFP的m5系列：

將電池或電池數(shù)據(jù)發(fā)送給Maxim（通過您的現(xiàn)場應(yīng)用工程師）進行表征。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支持具有特殊型號配置的LFP電池。為了獲得良好的SOC準確性，有必要對所使用的特定LFP細胞進行表征和建模。這些IC為與LFP和其他“扁平”O(jiān)CV化學相關(guān)的挑戰(zhàn)提供了額外的算法支持。

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

將電池或電池數(shù)據(jù)發(fā)送給Maxim（通過您的現(xiàn)場應(yīng)用工程師）進行表征。特性數(shù)據(jù)應(yīng)由Maxim轉(zhuǎn)換為電池模型。

將0x0060寫入模型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)更多詳細信息，請參見MAX17055軟件實現(xiàn)指南和MAX1726x軟件實現(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，這些電池類型的精確電量計需要特別小心。本應(yīng)用筆記討論了使用OCV燃油計算法和庫侖計數(shù)的測試用例。這種類型的算法克服了其他電量計方法在LFP電池中遇到的一些精度挑戰(zhàn)。

審核編輯：郭婷