摘要

隨著工業(yè)和個(gè)人電子產(chǎn)品配備更先進(jìn)的技術(shù)，給電池帶來(lái)的負(fù)載也越來(lái)越不可預(yù)測(cè)，因此需要更可靠且更智能的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)。無(wú)論是新興人工智能 (AI) 增強(qiáng)型設(shè)備還是無(wú)人機(jī)、動(dòng)力工具和機(jī)器人等成熟系統(tǒng)，電池都需要承受高度動(dòng)態(tài)的負(fù)載。設(shè)計(jì)人員依靠準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)來(lái)安全地關(guān)閉系統(tǒng)或防止意外欠壓，這些不可預(yù)測(cè)的負(fù)載給他們帶來(lái)了挑戰(zhàn)。無(wú)繩電鉆意外停機(jī)可能只會(huì)讓使用者感到沮喪，但無(wú)人機(jī)從天空墜落會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。

什么是動(dòng)態(tài)負(fù)載？

在深入探討用于監(jiān)測(cè)電池動(dòng)態(tài)負(fù)載的解決方案之前，我們首先需要定義什么是動(dòng)態(tài)負(fù)載。德州儀器 (TI) 將負(fù)載曲線分為了三類。第一類是恒流負(fù)載，是指電池持續(xù)輸出恒定電流。如圖 1 所示,電池持續(xù)放出 600mA。第二類是可變功率放電，指系統(tǒng)可以處于多種電源模式。如圖 2 所示，系統(tǒng)有性能模式、工作模式和待機(jī)模式三種不同的功耗模式。系統(tǒng)在三種模式間循環(huán)切換直至電池耗盡。最后一個(gè)類別是動(dòng)態(tài)負(fù)載。如圖 3 所示，動(dòng)態(tài)負(fù)載可能會(huì)設(shè)有預(yù)期最小和最大電流消耗，但實(shí)際負(fù)載可以在該區(qū)間內(nèi)任意波動(dòng)，且持續(xù)時(shí)間不可預(yù)測(cè)。動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線常見(jiàn)于負(fù)載完全由用戶控制的系統(tǒng)中，例如電動(dòng)自行車(chē)或無(wú)人機(jī)。

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的作用

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)使用電流和電壓測(cè)量值計(jì)算基本參數(shù)，例如荷電狀態(tài)、運(yùn)行狀況和剩余容量。傳統(tǒng)的基于Impedance Track技術(shù)的電池電量計(jì)假設(shè)電池負(fù)載變化緩慢，這樣可以在電池放電時(shí)進(jìn)行精確的電阻測(cè)量，從而計(jì)算高精度的實(shí)時(shí)荷電狀態(tài)預(yù)測(cè)。將電池建模為低頻電阻電容 (RC) 模型（如圖 1 所示）足以應(yīng)對(duì)這些緩慢變化的電池負(fù)載。然而，具有可變或高頻負(fù)載電流的新型應(yīng)用需要更全面的模型和自適應(yīng)算法，以便保持準(zhǔn)確的荷電狀態(tài)估算。

圖 1：低頻 RC 電池模型

Dynamic Z-Track算法是專為BQ41Z90和BQ41Z50等器件設(shè)計(jì)的電池電量監(jiān)測(cè)方法。作為在BQ40Z50和BQ34Z100等器件中運(yùn)行的傳統(tǒng)Impedance Track算法的后繼產(chǎn)品，Dynamic Z-Track算法可在動(dòng)態(tài)負(fù)載電流條件下準(zhǔn)確估算電池的荷電狀態(tài)、運(yùn)行狀況和剩余容量。

當(dāng)不穩(wěn)定的負(fù)載或高頻負(fù)載影響電池時(shí)，Impedance Track電量監(jiān)測(cè)計(jì)的傳統(tǒng)電池 RC 建模會(huì)失去分辨率，無(wú)法更新電池電阻。Dynamic Z-Track算法實(shí)現(xiàn)了寬帶瞬態(tài)模型，該模型可模擬電壓瞬變并適應(yīng)動(dòng)態(tài)電流曲線。即使電流不穩(wěn)定，該方法也能實(shí)時(shí)估算電阻。

電阻的重要性

為了在電池的整個(gè)使用壽命期間提供超高精度的荷電狀態(tài)計(jì)算，跟蹤電阻至關(guān)重要。如圖 2 所示，電池電芯的電阻隨電池的循環(huán)和老化而線性增加，直到達(dá)到某個(gè)拐點(diǎn)，從該拐點(diǎn)開(kāi)始，電阻將呈指數(shù)級(jí)增加，直到電池壽命結(jié)束。該電阻也會(huì)隨溫度變化而顯著波動(dòng)。電池電芯電阻與溫度成反比關(guān)系，溫度越低，電阻越高，電池在達(dá)到 0% 荷電狀態(tài)之前可提供的容量或能量便越低。

圖 2：鋰離子電池電芯的電阻隨時(shí)間出現(xiàn)的變化

如果電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)無(wú)法更新電阻，計(jì)算出的荷電狀態(tài)誤差會(huì)隨電池老化成比例增加。在不可預(yù)測(cè)且不穩(wěn)定的負(fù)載中，如果不更新電阻，荷電狀態(tài)和剩余容量估算的誤差可高達(dá) 60% 或低至 10%。當(dāng)荷電狀態(tài)突然降低時(shí)，終端用戶會(huì)遇到這種情況，并且器件可能會(huì)因容量高估而意外關(guān)閉，如圖 3 所示。

圖 3：剩余容量估算比較：Impedance Track 技術(shù)和 Dynamic Z-Track 技術(shù)與 1.75C 負(fù)載下的無(wú)電阻更新對(duì)比

使用案例示例

想象一下，有人騎著電動(dòng)自行車(chē)回家。此人查看了荷電狀態(tài)，看到剩余 30% 電量，于是決定先繞道去雜貨店再回家。當(dāng)此人到達(dá)雜貨店時(shí)，荷電狀態(tài)顯示剩余 15% 電量，但在回家的路上，電動(dòng)自行車(chē)突然停止供電，因?yàn)楹呻姞顟B(tài)已從 12% 下降到 0%?，F(xiàn)在，此人必須踩踏板回家或叫車(chē)。

Dynamic Z-Track算法可防止這種情況發(fā)生。與傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)不同，TI 的Dynamic Z-Track技術(shù)即使在不可預(yù)測(cè)的負(fù)載下也能提供高達(dá) 99% 的荷電狀態(tài)精度，使制造商能夠優(yōu)化電池尺寸，將電池運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)多達(dá) 30%。這樣可以在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療儀器等要求苛刻的應(yīng)用中為終端用戶提供更可靠的性能。

雖然看似電動(dòng)自行車(chē)電機(jī)在電池組上施加的是恒定的電流負(fù)載，但實(shí)際恰恰相反。如下圖 7 所示，車(chē)輛頻繁急停時(shí)電池組電流接近 0 安培；加速過(guò)程中電流則會(huì)迅速增加到 30 安培左右。巡航狀態(tài)下，隨著騎行者上下坡以及經(jīng)過(guò)顛簸路段，電池電流消耗會(huì)持續(xù)在 10-20 安培之間波動(dòng)。

下圖 8 中展示了以毫歐為單位，Dynamic Z-Track 算法與傳統(tǒng)電池電量監(jiān)測(cè)算法之間電阻測(cè)量精度（以毫歐為單位）上的對(duì)比，以及各算法與電池模型真實(shí)值之間的相對(duì)誤差百分比。由于電動(dòng)自行車(chē)負(fù)載曲線具有動(dòng)態(tài)性，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)算法可能會(huì)在極端動(dòng)態(tài)的負(fù)載下錯(cuò)誤估算電阻，從而導(dǎo)致如圖 6 所示的容量估算誤差。

與傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)不同，德州儀器 (TI) 的 Dynamic Z-Track 技術(shù)即使在不可預(yù)測(cè)的負(fù)載下也能提供高達(dá) 99% 的電量狀態(tài)檢測(cè)精度，這使制造商能夠在保證性能的前提下優(yōu)化電池尺寸，并將續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)多達(dá) 30%。最終，用戶在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療設(shè)備等高要求應(yīng)用中，能獲得更穩(wěn)定可靠的使用體驗(yàn)。

結(jié)語(yǔ)

雖然不可預(yù)測(cè)的電池負(fù)載是一項(xiàng)重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但并非必須以損害系統(tǒng)可靠性或最終用戶體驗(yàn)為代價(jià)。Dynamic Z-Track算法等工具有助于實(shí)現(xiàn)讓電池供電器件順暢運(yùn)作的設(shè)計(jì)，它們將塑造這樣一個(gè)未來(lái)：無(wú)人機(jī)可以在不意外著陸的情況下完成飛行，電動(dòng)自行車(chē)可以帶騎行車(chē)順利歸家。

關(guān)于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達(dá)克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導(dǎo)體公司，從事設(shè)計(jì)、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車(chē)、個(gè)人電子產(chǎn)品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設(shè)備等市場(chǎng)。我們致力于通過(guò)半導(dǎo)體技術(shù)讓電子產(chǎn)品更經(jīng)濟(jì)實(shí)用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎(chǔ)上，使我們的技術(shù)變得更可靠、更經(jīng)濟(jì)、更節(jié)能，從而實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體在電子產(chǎn)品領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。