磷酸铁锂电池电量计的注意事项

某些高 C 速率应用由磷酸铁锂（LiFeP04 或 LFP）电池供电。在电量计量方面，这些电池类型需要特别小心。本应用笔记介绍了这些电池类型的独特功能，并使用为LFP电池配置的电量计算法分享测试结果。

介绍

全球锂离子（Li+）电池的使用量每年都在继续增长。这些电池具有高能量密度、低自放电率和可忽略不计的记忆效应。市场上有许多Li+电池的变体，每种都有自己独特的特性。这些电池可以根据其化学成分组合成类型。每种化学类型在为特定应用提供电力方面都有自己的优点和缺点。表1显示了Li+电池的主要类型。本应用笔记重点介绍磷酸铁锂（LFP）电池，重点介绍燃料计量考虑因素，以提高精度。

电池化学	描述
钴酸锂	LCO是当今最常用的Li+电池类型之一。由于其非常高的能量密度，它被用作能量电池。它的功率密度有限，生产中使用的材料相对昂贵，尤其是钴。
锂锰氧化物	改性活生物体比土地租赁物更稳定。它用于高功率电池，但能量密度较低。为了提高性能，改性活生物体可与NMC化学相结合。
锂镍锰钴氧化物 （NMC）	NMC提供高容量和功率，可与改性活生物体电池结合使用以获得更好的稳定性。
锂镍钴铝氧化物（NCA）	与具有LCO化学性质的电池类似，NCA主要用于需要高能量密度的应用。
钛酸锂 （LTO）	LTO是最安全的Li+化学品之一。这些电池可以快速充电，使用寿命长，并且可以在很宽的温度范围内工作。这些电池相对昂贵且比能量低。
磷酸铁锂（LiFePO4 或 LFP）	LFP是最安全的Li+化学品之一，以具有非常平坦的电压放电曲线而闻名。磷酸铁锂用于这些电池的阴极，而碳用于阳极。与其他化学物质相比，这些电池通常具有低容量和较高的自放电。它们可以在比大多数Li+电池更宽的温度范围内使用。

磷酸铁锂电池—入门

优势

与铅酸和其他类型的锂电池相比，LFP电池在热和化学上更稳定。即使在过充电或短路等故障条件下，它们也不会燃烧，并且不容易发生热失控。与其他Li+电池相比，电池还可以在更宽的温度范围内使用：-40°C至+ 70°C.与LCO，LMO，NMC和NCA电池的典型次低于1000次循环相比，LFP电池还提供更长的循环寿命，从1000到2000次循环。LFP电池可以长时间暴露在高压下，压力比其他化学物质低得多。它们可以放电到非常高的25C速率。相比之下，其他Li+电池通常在1C以下放电，尽管在某些极端情况下，它们可能会在高达10C的温度下放电。

缺点

LFP电池的标称电压较低，为3.2V，这意味着比能量低于LCO，LMO，NMC和NCA电池的3.6V至3.8V标称范围。细胞对水分和水也很敏感。当这些电池与水直接接触时，会导致阴极中活性材料的损失，从而降低材料的能量密度。因此，只有在严格的质量控制下制造的高质量电池才能承受适度的外部湿度条件。就像具有其他化学物质的电池一样，LFP电池在较冷的温度下往往表现更差。

典型应用

LFP电池用于各种高C速率应用。一些例子包括小型电动汽车、电动绿色割草机、剪刀式升降机、垃圾车、机器人、家庭储能、混合动力发电机和卡车 APU 系统。这种电池类型的其他应用包括天气监测设备、海洋浮标、石油和天然气管道设备、车牌监控设备、深度探测器、桨板和游乐场设备。

监测磷酸铁锂电池的挑战

LFP电池具有非常平坦的放电曲线和迟滞，这使得监测这些电池非常困难。图1显示了LFP电池的典型放电曲线。在某些地区，随着电池长时间放电，电压几乎不会下降。图2显示了LFP电池的迟滞和相关的充电状态（SOC）误差。相比之下，图3显示了NCA电池的典型放电曲线，其中电压在放电过程中显着下降。

图1.磷酸铁锂电池的典型放电曲线。

图2.LFP 细胞滞后和相关 SOC 误差为 35%。

图3.NCA电池的典型放电曲线。

其他具有与LFP电池相似的电池化学物质包括磷酸钴锂（LiCoPO4）、硫酸铁氟化锂（LiFeSO4F）和磷酸锰锂（LiMnPO4).

精确的磷酸铁锂电池电量计

LFP电池具有极其平坦的电压曲线，其中只有1%的SOC变化对应于开路电压（OCV）曲线上仅几毫伏的变化。此外，LFP细胞以其在OCV曲线中的滞后而闻名。幸运的是，在监测LFP细胞时，可以使用更高的技术来获得更高的准确性。例如，连续OCV预测算法（不需要松弛、满载或空条件）与库仑计数器相结合，与其他库仑计数方法相比，电压灵敏度大大降低。大多数替代方法需要观察处于松弛状态的电池，并根据测量的电压进行校正。在这种方法中，校正很少（每天几次，而不是每分钟许多小的校正），并且在校正过程中任何错误的影响都很大。校正过程中的任何错误通常会被冻结，因此会持续到下一次更正。正因为如此，算法的选择及其电压的使用对于LFP电池尤其重要。最佳算法通过始终为电压校正提供较小的权重来最小化这些误差。因此，它对电压测量误差的弹性要强得多。

被测细胞

使用带有库仑计数的OCV算法，对标称容量为2500mAh的ANR26650M1-B LFP电池进行了测试。

经过精心调整的电量计已证明能够提供出色的电量计精度。我们选择了一种将电量计推向极端的测试模式，即电池连续使用而不会超过一周的满电量或电量。监测这种模式是非常具有挑战性的，即使在非LFP细胞的情况下也是如此。图4中的曲线显示，在测试模式期间，SOC误差优于2%。

图4.显示电池电压、电流、温度和 SOC 误差的测试模式。除第一个周期外，SOC误差保持在2%以下。

图5.在连续使用的复杂情况下实现了准确的燃油计量，没有超过一周的满载或空载。误差保持在2%以下。

图6.即使在-5°C下，SOC误差也保持在2%以下。

用于磷酸铁锂电池的电量计IC示例

该测试用例使用MAX17201电量计监测LFP电池;MAX17201/MAX17211/MAX17205/MAX17215系列中的其它IC都会产生类似的结果。LFP 电池的 OCV-SOC 曲线比传统的锂钴化学成分平坦得多，因此对算法对电池电压和 OCV 的解释具有更高的灵敏度。为了使电量计算法能够随着时间的推移实现准确的全容量测量，需要在禁止窗口之外计算电池的全容量，该窗口在OCV-SOC曲线中具有最平坦的区域和最大的滞后。为了使用MAX17201计算，全容量学习使用充电会话和放电会话，仅在禁光窗外发生松弛（例如，20%至72%）时累积的放电会话。还必须有超过 2% 的 SOC 变化才能进行学习。

图7显示了LFP单元的OCV-SOC曲线，以及OCV禁止区域。

图7.具有 OCV 禁止区的 LFP 单元的 OCV-SOC 曲线。为防止错误学习，此区域不用于计算全部容量。

执行以下步骤配置MAX17201模型仪表™支持LFP的m5系列：

将电池或电池数据发送给Maxim（通过您的现场应用工程师）进行表征。特性数据应由Maxim转换为电池模型。

在 nNVCfg1 （1B9h） 寄存器中将 enSC 设置为 1 以启用 LFP 模式和窗口阻止。

加载电池模型的其余部分。

MAX17055和MAX17260/MAX17261/MAX17263支持具有特殊型号配置的LFP电池。为了获得良好的SOC准确性，有必要对所使用的特定LFP细胞进行表征和建模。这些IC为与LFP和其他“扁平”OCV化学相关的挑战提供了额外的算法支持。

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

将电池或电池数据发送给Maxim（通过您的现场应用工程师）进行表征。特性数据应由Maxim转换为电池模型。

将0x0060写入模型CFG （DBh） 寄存器以启用 LFP 模式和窗口阻止。

加载电池模型的其余部分。有关更多详细信息，请参见MAX17055软件实现指南和MAX1726x软件实现指南。

总结

LFP 电池是某些高 C 速率应用的理想选择;然而，这些电池类型的精确电量计需要特别小心。本应用笔记讨论了使用OCV燃油计算法和库仑计数的测试用例。这种类型的算法克服了其他电量计方法在LFP电池中遇到的一些精度挑战。

审核编辑：郭婷