MSPM0 L2 测量仪表解决方案指南

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摘要

本应用手册介绍了基于 MSPM0 的 2 级测量仪表解决方案。它可检测电压、电流和温度，从而直接计算荷电状态 (SOC)。本应用手册内容包括解决方案特性、硬件简介、GUI 简介、软件简介和评估。

本应用手册中讨论的工程配套资料可从以下 URL 下载：https://www.ti.com/cn/lit/zip/slaaef5。

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1 引言

这里有不同的基于 MSPM0 的测量仪表解决方案。表 1-1 快速比较了各个解决方案，方便客户选择合适的解决方案。本文档重点介绍具有不同设置的 MSPM0 测量仪表 L2 解决方案，包括

MSPM0L1306 测量仪表板 + 1 节 LiCO2 电池（节 5.1）
MSPM0G3507 Launchpad + BQ76952 EVM + 4 节 LiFePO4 电池（节 5.2）

表 1-1 MSPM0 测量仪表解决方案比较

	MSPM0 测量仪表 L1	MSPM0 测量仪表 L2
检测的参数	电压、温度	电压、温度、电流
输出关键参数	SOC	SOC、SOH、剩余容量、周期
使用的方法	电压测量	库仑计数 + 电压测量 + 空/满补偿 + 容量学习
适用应用	具有低 SOC 精度的输出阶跃数据	具有高 SOC 精度的输出百分比数据
适合的电池类型	LiCO2/LiMn2O4	LiCO2/LiMn2O4/LiFePO4

请注意，MSPM0 L2 测量仪表是纯软件代码。MCU 平台、AFE 或电池仅用来显示此算法的功能。其功能如下所示：

在 MCU 上电后工作，无需工厂校准或学习循环。
支持 SOC、SOH、容量和警告标志输出。
对电池化学参数输入的要求较低。
高精度和高可靠性

该解决方案由三部分组成：硬件、软件和 GUI。所有这些都可以在 https://www.ti.com/lit/zip/slaaef5 找到。您也可以在 SDK 下面找到典型用例的 MCU 代码 (mspm0_sdk_xxx\examples\nortos\LP_MSPM0xxxx\battery_gauge)。

硬件板用于检测电压、电流和温度，然后将其输入到算法中来计算 SOC。如需了解不同的硬件设置详情，请参阅节 5。
该软件工程包括使用的测量仪表算法、MCU 控制和 AFE 通信。有关算法的说明，请参阅节 2。有关典型的用例，请参阅节 5。
GUI 用 python 编写，可用于与测量仪表板通信、运行测试模式和执行数据分析。有关 GUI 介绍，请参阅节 3。

2 算法介绍

在以下部分中，在说明软件并详细介绍算法之前，先介绍了关于电池知识的基本概念、使用的算法以及如何获得所需的 SOC。

2.1 电池基础知识简介

测量仪表算法主要用于告诉用户电池的工作状况，并在输出最大容量和延长电池寿命之间达到平衡。此处显示了这两种条件下的基本控制策略和电池性能。

图 2-1 展示了单节 LiCO2 电池的电池放电模式以及我们要介绍的相关概念。红线表示开路电压 (OCV)，即在没有电流流动且电极电势处于平衡状态时正电极 (PE) 和负电极 (NE) 之间的电势差。在将电池静置 1-2 小时后，通常可以将 OCV 视为等于电池电压。蓝线表示运行时电芯电压 (Vcell)。由于电池具有内部电阻，因此在恒定负载下可看到 OCV 和 Vcell 之间会出现压降。

对于 LiCO2 电池，由于化学限制，需要设置完全充电电压阈值（例如 4.2V）和放电终止电压阈值（例如 3V），以避免对电池造成不可逆转的损坏。这意味着，对于不同的放电电流，您可以从电池中获得不同的容量。此外，因为当温度升高时 Rcell 会降低，输出容量也受到温度的影响。在这个测量仪表解决方案中，不可更改的容量称为 NomFullCap，它表示电极结构中的可移动锂离子，其数量不会随电芯使用温度或 C 率的变化而变化。可变容量称为 CusFullCap，这表示最终用户的可用容量，并且受电池运行条件和阈值设置的影响。

图 2-1 电池放电模式

图 2-2 展示了正常单节电池的电池充电模式。对于充电情况，可以简化为恒流 (CC) 窗口和恒压 (CV) 窗口。在充电结束时，如果充电电压是恒定的，电流将以指数级减少。如果电流变为 0，则获得 NomFullCap。但是，为了避免长时间等待，实际上设置了终止充电电流，例如 1/20 容量 (1/20C)，与 NomFullCap 相比，这会使 CusFullCap 略有减少。

图 2-2 电池充电模式

总之，NomFullCap 是从一个 OCV 到另一个 OCV 之间测得的，CusFullCap 是从一个 Vcell 到另一个 Vcell 之间测得的，因此 NomFullCap 始终大于 CusFullCap。

在这个测量仪表算法中，NomFullCap 范围基于 SOC-OCV 表 (CircuitParamsTable) 中每个保存的 OCV 范围。对于 CusFullCap 范围，它基于 MaxFullChgVoltThd 和 EmptyDhgVoltThd 设置，并且在自学后也会发生变化。为了留出一些裕度，建议将 NomFullCap 的 OCV 范围设置为略大于 CusFullCap 的电压范围。

2.2 不同的 SOC 和使用的公式

上一节介绍了有关容量和 OCV 的基本理念。以下各节介绍最终用户最终需要的充电状态 (SOC)。还可以使用公式来帮助您了解 SOC 的概念差异。

2.2.1 NomAbsSoc 计算

如果您使用 NomFullCap 作为可用容量相对于满电量电池容量的归一化因子，则将获得归一化的绝对充电状态 (NomAbsSoc)。这表示可移动锂离子在负电极固体颗粒中的剩余百分比。在此算法中，使用两种策略来计算 NomAbsSoc，下一节将对此进行讨论。第一种是具有 OCV 校准功能的库仑计。第二种是电池模型滤波器。