摘要

隨著工業(yè)和個人電子產品配備更先進的技術，給電池帶來的負載也越來越不可預測，因此需要更可靠且更智能的電池電量監(jiān)測計。無論是新興人工智能 (AI) 增強型設備還是無人機、動力工具和機器人等成熟系統(tǒng)，電池都需要承受高度動態(tài)的負載。設計人員依靠準確的電量監(jiān)測來安全地關閉系統(tǒng)或防止意外欠壓，這些不可預測的負載給他們帶來了挑戰(zhàn)。無繩電鉆意外停機可能只會讓使用者感到沮喪，但無人機從天空墜落會帶來嚴重的安全風險。

什么是動態(tài)負載？

在深入探討用于監(jiān)測電池動態(tài)負載的解決方案之前，我們首先需要定義什么是動態(tài)負載。德州儀器 (TI) 將負載曲線分為了三類。第一類是恒流負載，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。最后一個類別是動態(tài)負載。如圖 3 所示，動態(tài)負載可能會設有預期最小和最大電流消耗，但實際負載可以在該區(qū)間內任意波動，且持續(xù)時間不可預測。動態(tài)負載曲線常見于負載完全由用戶控制的系統(tǒng)中，例如電動自行車或無人機。

電池電量監(jiān)測計的作用

電池電量監(jiān)測計使用電流和電壓測量值計算基本參數(shù)，例如荷電狀態(tài)、運行狀況和剩余容量。傳統(tǒng)的基于Impedance Track技術的電池電量計假設電池負載變化緩慢，這樣可以在電池放電時進行精確的電阻測量，從而計算高精度的實時荷電狀態(tài)預測。將電池建模為低頻電阻電容 (RC) 模型（如圖 1 所示）足以應對這些緩慢變化的電池負載。然而，具有可變或高頻負載電流的新型應用需要更全面的模型和自適應算法，以便保持準確的荷電狀態(tài)估算。

圖 1：低頻 RC 電池模型

Dynamic Z-Track算法是專為BQ41Z90和BQ41Z50等器件設計的電池電量監(jiān)測方法。作為在BQ40Z50和BQ34Z100等器件中運行的傳統(tǒng)Impedance Track算法的后繼產品，Dynamic Z-Track算法可在動態(tài)負載電流條件下準確估算電池的荷電狀態(tài)、運行狀況和剩余容量。

當不穩(wěn)定的負載或高頻負載影響電池時，Impedance Track電量監(jiān)測計的傳統(tǒng)電池 RC 建模會失去分辨率，無法更新電池電阻。Dynamic Z-Track算法實現(xiàn)了寬帶瞬態(tài)模型，該模型可模擬電壓瞬變并適應動態(tài)電流曲線。即使電流不穩(wěn)定，該方法也能實時估算電阻。

電阻的重要性

為了在電池的整個使用壽命期間提供超高精度的荷電狀態(tài)計算，跟蹤電阻至關重要。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，直到達到某個拐點，從該拐點開始，電阻將呈指數(shù)級增加，直到電池壽命結束。該電阻也會隨溫度變化而顯著波動。電池電芯電阻與溫度成反比關系，溫度越低，電阻越高，電池在達到 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間出現(xiàn)的變化

如果電池電量監(jiān)測計無法更新電阻，計算出的荷電狀態(tài)誤差會隨電池老化成比例增加。在不可預測且不穩(wěn)定的負載中，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 60% 或低至 10%。當荷電狀態(tài)突然降低時，終端用戶會遇到這種情況，并且器件可能會因容量高估而意外關閉，如圖 3 所示。

圖 3：剩余容量估算比較：Impedance Track 技術和 Dynamic Z-Track 技術與 1.75C 負載下的無電阻更新對比

使用案例示例

想象一下，有人騎著電動自行車回家。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。當此人到達雜貨店時，荷電狀態(tài)顯示剩余 15% 電量，但在回家的路上，電動自行車突然停止供電，因為荷電狀態(tài)已從 12% 下降到 0%?，F(xiàn)在，此人必須踩踏板回家或叫車。

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)測計不同，TI 的Dynamic Z-Track技術即使在不可預測的負載下也能提供高達 99% 的荷電狀態(tài)精度，使制造商能夠優(yōu)化電池尺寸，將電池運行時間延長多達 30%。這樣可以在無人機、電動自行車、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療儀器等要求苛刻的應用中為終端用戶提供更可靠的性能。

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

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)測算法之間電阻測量精度（以毫歐為單位）上的對比，以及各算法與電池模型真實值之間的相對誤差百分比。由于電動自行車負載曲線具有動態(tài)性，傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測算法可能會在極端動態(tài)的負載下錯誤估算電阻，從而導致如圖 6 所示的容量估算誤差。

與傳統(tǒng)的電池電量監(jiān)測計不同，德州儀器 (TI) 的 Dynamic Z-Track 技術即使在不可預測的負載下也能提供高達 99% 的電量狀態(tài)檢測精度，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)航時間延長多達 30%。最終，用戶在無人機、電動自行車、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療設備等高要求應用中，能獲得更穩(wěn)定可靠的使用體驗。

結語

雖然不可預測的電池負載是一項重大的設計挑戰(zhàn)，但并非必須以損害系統(tǒng)可靠性或最終用戶體驗為代價。Dynamic Z-Track算法等工具有助于實現(xiàn)讓電池供電器件順暢運作的設計，它們將塑造這樣一個未來：無人機可以在不意外著陸的情況下完成飛行，電動自行車可以帶騎行車順利歸家。

關于德州儀器

德州儀器（TI）（納斯達克股票代碼：TXN）是一家全球性的半導體公司，從事設計、制造和銷售模擬和嵌入式處理芯片，用于工業(yè)、汽車、個人電子產品、企業(yè)系統(tǒng)和通信設備等市場。我們致力于通過半導體技術讓電子產品更經(jīng)濟實用，讓世界更美好。如今，每一代創(chuàng)新都建立在上一代創(chuàng)新的基礎上，使我們的技術變得更可靠、更經(jīng)濟、更節(jié)能，從而實現(xiàn)半導體在電子產品領域的廣泛應用。