德州仪器 CEDV 电量计算法介绍

作者:Eason Yuan

  

1.     传统电量计介绍

随着市场清洁能源的需求以及应用市场的需要,锂电池在日常生活中有着越来越广泛的运用。为了实现对电芯电量的检测,在以往很多的应用场景下,通常采用电压测试法来预估锂离子电芯的电芯容量。但是随着对电量预估的精度要求的提高,加之电芯在不同温度和负载等应用情况下电压存在跳变,单纯地利用电压测量法来预估电量,已经不能满足精准测量电路的需求。

 

2.     什么是CEDV?   

CEDV是基于库仑积分的一种电量计量算法。比如BQ4050, BQ34110这些电量计都基于CEDV算法。CEDV是EDV的补偿,在了解CEDV之前,有必要介绍一下EDV。

I.  什么是EDV

EDV(end discharge voltage )如下图所示的电压和RM(电芯剩余容量)的对应曲线,是电芯快要耗尽的时候的电压值。之所以如此关注EDV,是因为在之前的对应电容量中电压值相对平坦不利于判断,故选择了低电量情况下,变化率较大的点作为EDV点。

图1 电芯OCV曲线与对应的EDV点 

如果我们可以精准地测量电芯的电压值,那么是否我们就可以保证我们可以精准判断EDV点呢?答案是否定的,由于电芯的电压特性曲线并不是一个固定的曲线。该曲线与电芯的负载、温度以及电芯的老化程度都相关,所以单单只根据EDV点预估,还是不够准确。

举一个简单的例子:

如下图中所示,在不同的负载模式下,电芯的放电曲线是不同的,如果使用同一套EDV标准去预估电量,必然会造成大负载情况的电量预估过于乐观,而在没有到达我们设定的EDV点,电量就已经耗尽。

图2 不同负载情况下对应的OCV曲线

同样的,如果在轻载模式放到接近电芯放电阈值,突然加入重载,会使得电芯电压低于警告值,造成系统异常关机不能正常关闭。类似的问题在温度突变的情况下也有可能出现。

II.   CEDV中EDV点是什么?

在TI带有CEDV算法的电量计芯片中,通常关注EDV2,EDV1,EDV0这3个点,一般而言这三个点分别对应着电芯容量7%,3%和0%。这3个EDV点是电芯放电接近临界点的时候的电压值,其数值大小 EDV2>EDV1>EDV0。

在TI的CEDV算法中,EDV2是对用户开放的 ,用户可以根据自己实际情况选择。这一点的选取需要注意:如果选择容量更高,那对应电压处于平坦区,电压偏差一点点其对应的容量偏差可能很大;如果选择的点过于靠后如果选择容量更低,那么FCC更新更难,因为FCC是要从满充放电到EDV2才会更新的,EDV2越低就越容易意外关机。 

EDV1是一个参考电压点,此时容量为3.125%×RSOC,可以简单理解为3%电芯容量的点。该点是系统进入sleep mode的阈值点,通常情况下系统在该点应该进入sleep模式,不能再支持系统的正常使用,尤其是无法支持系统的重载模式。

电芯通常不会放电放到EDV0点,电芯达到该点就会置位过放警报。在实际应用中,由于电芯过放会造成不可逆的电芯损坏,所以电量计会进入shutdown模式。

简而言之,EDV2、EDV1、EDV0都是电芯电量警报点,而且警报的力度依次加深。对于实际应用而言,需要合理设定EDV2,以保证EDV2到EDV0放电时候,电芯能够满足系统的供电要求。

III. CEDV是如何补偿EDV的?

通过上节的说明,我们可以知道对于电量计而言,固定的EDV并不能确定得到最优的运行时间。为了得到在所有的温度范围内和负载条件下,得到最优的运行时间和容量,需要进行相关的补偿运算,从而得到在瞬态的各项条件下,对应的EDV特点。而CEDV就是基于原始的EDV,并结合实际过程中的负载情况,温度条件,以及其他的相关的条件,得到的一套可以实时预估电芯电量的方法。该方法包括了对实际电芯测试数据的建模,并反馈CEDV参数给到用户,同时也包含了开发过程中电量计对周围环境和使用条件等的检测;综合以上条件,从而得到电芯的预估电量。

在CEDV开发过程中,TI有专门的CEDV参数的计算工具,具体详见

http://www.ti.com/tool/gpccedv?jktype=recommendedresults

IV. 利用GPC工具获取CEDV关键参数

CEDV的开发需要7个关键参数EMF,C0,C1,R0,R1,T0,TC;而GPC工具可以通过用户的电芯充放电数据计算出这几个关键性参数,并反馈给用户。

接下来会简述如何通过测试得到这些参数。

  1. 首先搭建好实验平台,将bqsudio和电量计连接好,用来log数据。同时连接好charger,测试实验平台是否可以进行正常充放电。
  2. 进行电芯的充放电循环,CEDV算法需要电芯进行至少6次重放电。需要在高温,常温,低温3种温度条件下,分别进行2种放电电流(0.3C和0.7C)的充放电,该6个完整的充放电过程都需要log数据。
  3. 进行充放电循环的核心是得到更准确的OCV曲线,故需要在充放电结束时候进行长时间静置。对于锂电池而言,充满电静置2小时,放电完成后静置2~5小时。
  4. 将这6组log好的数据整理好,然后整理好格式,上传到gpc工具。具体参考链接:http://www.ti.com/tool/GPCCEDV?keyMatch=cedv&tisearch=Search-EN-Everything#technicaldocuments

 

通过官网的工具,基于几组上传的测试数据就可以得到推荐的CEDV参数,其中CEDV关注的参数有EMF,C0,C1,R0,R1,T0,TC;其对应解释如下:

– EMF, C0, C1 adjust light load curve fit

• EMF scales amplitude of no-load voltage

• C0 adjusts shape of voltage vs RSOC

• C1 performs curve shift (adds to RSOC)

– R0, R1 adjust heavy load curve fit (impedance)

• R0 scales impedance

• R1 adjusts shape of impedance vs RSOC

– T0, TC adjust temperature coefficients (impedance)

• T0 adjusts temperature variation of impedance

• TC adds additional impedance increase at cold temperature

值得补充的是,TC是在低温条件下调整模型的参数,在低温测试不准确的情况下,优先调整TC的参数是更合理的。

 

3.     TI的CEDV电量计与IT算法电量计比较

CEDV电量计相对于IT算法的电量计,使用更加简单,也没有IT算法电量计的制作或者match CHEM ID的需求。具有较小的内存占用。但是,相对于IT算法的电量计,在低温或者老化情况下精度还是会低一些(虽然CEDV精度已经很高)。同时在生产时候,CEDV其要求测试的数据更多,需要占用更多的开发资源。