第四章阻抗跟蹤技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

下面我們就來(lái)介紹TI的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)（我們叫做阻抗跟蹤技術(shù)）和它的優(yōu)勢(shì)。

電量監(jiān)測(cè)

–基于電壓的電量監(jiān)測(cè)：可在無(wú)負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)

–基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)：可在有負(fù)載條件下提供準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)

–整合了基于電壓和基于電流之監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)勢(shì)

–實(shí)時(shí)阻抗測(cè)量

–采用開(kāi)路電壓和阻抗信息來(lái)計(jì)算給定平均負(fù)載條件下的剩余運(yùn)行時(shí)間。

剛才講到基于電壓的電量監(jiān)測(cè)技術(shù)可以在沒(méi)有負(fù)載的條件下提供比較準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)，基于庫(kù)侖計(jì)數(shù)的電量監(jiān)測(cè)可以在有負(fù)載提供準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)，我們的阻抗跟蹤技術(shù)其實(shí)整合了電壓和電流方法監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)，它為什么能夠得到2種方法的優(yōu)點(diǎn)呢？因?yàn)樗鼘?shí)時(shí)的測(cè)量電池的阻抗，它沒(méi)有去找一個(gè)電池阻抗的公式然后對(duì)一些因數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，它是找到了一個(gè)實(shí)時(shí)測(cè)量阻抗的方法，因?yàn)樗菍?shí)時(shí)測(cè)量出來(lái)的，就沒(méi)必要去根據(jù)模型來(lái)對(duì)它進(jìn)行補(bǔ)償。在知道電池阻抗的情況下，可以根據(jù)開(kāi)路電壓和阻抗信息來(lái)估算在給定的電流下面系統(tǒng)或者電池能夠提供多長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間或者提供多少容量給系統(tǒng)運(yùn)行。這個(gè)公式在這個(gè)地方就更加細(xì)化了一點(diǎn)，也就是說(shuō)電池的端電壓等于電池的開(kāi)路電壓減去內(nèi)阻上面的壓降，內(nèi)阻上面的壓降主要是由于電池的內(nèi)阻造成的，內(nèi)阻這個(gè)地方是有溫度、容量百分比、年限3個(gè)因數(shù)共同決定的，但是如果你要用一個(gè)公式來(lái)表示這個(gè)內(nèi)阻的話(huà)，就會(huì)相當(dāng)復(fù)雜，而且效果也不理想。我們的辦法其實(shí)是對(duì)阻抗進(jìn)行實(shí)時(shí)的測(cè)定。

OCV = f (SOC, T) 曲線(xiàn)的比較

阻抗測(cè)定這東西基本的思路是怎么樣的呢？電池的電壓我們?cè)趯?shí)際使用的過(guò)程當(dāng)中，電池端電壓會(huì)隨著很多情況發(fā)生改變，剛才已經(jīng)講過(guò)了，電池的端電壓可能會(huì)隨著電流的大小發(fā)生改變，電池的端電壓當(dāng)然也會(huì)隨著容量百分比發(fā)生變化，在同樣的百分比，同樣的電流下，電池的端電壓可能還和溫度有關(guān)系，和電池的老化程度還有關(guān)系，但是這只是我們看到的表面現(xiàn)象，其實(shí)更本質(zhì)的來(lái)說(shuō)電池內(nèi)部的開(kāi)路電壓曲線(xiàn)或者說(shuō)電池的電動(dòng)勢(shì)它是跟這些外面的因數(shù)對(duì)它的影響相對(duì)來(lái)說(shuō)不是那么明顯，可以找到一些共同性的東西，不同廠商生產(chǎn)的電池在給定的測(cè)試條件下，比如說(shuō)在同樣的溫度下，這個(gè)曲線(xiàn)誤差是很小的。這條曲線(xiàn)是我們綜合了5家電池制造商做出來(lái)的電池測(cè)出來(lái)的開(kāi)路曲線(xiàn)，大家看到這些開(kāi)路曲線(xiàn)基本上是一致的，那么它們是在同樣的溫度下測(cè)出來(lái)的曲線(xiàn)，因?yàn)樗情_(kāi)路電壓，也談不上電流，當(dāng)然它的測(cè)定過(guò)程也是相當(dāng)繁瑣的，因?yàn)樗玫诫娏鹘茷?的狀態(tài)下的開(kāi)路曲線(xiàn)，它的測(cè)試過(guò)程還是比較繁瑣的，在這條曲線(xiàn)上我們可以看出，這條曲線(xiàn)基本上不會(huì)隨著制造商不同發(fā)生變化，制作賞因?yàn)楣に嚥煌赡茏杩股蠒?huì)有比較大的變化，但這條開(kāi)路電壓曲線(xiàn)基本上大家都是一致的，大多數(shù)的電壓偏移小于5mV，由這個(gè)電壓來(lái)進(jìn)行SOC的預(yù)測(cè)誤差一般在%之內(nèi)，所以一旦找到這樣的曲線(xiàn)，對(duì)不同的電芯供應(yīng)商做出來(lái)的電池就可以用同樣的曲線(xiàn)來(lái)進(jìn)行計(jì)算，這個(gè)曲線(xiàn)的計(jì)算可以知道電池的開(kāi)路電壓，可以反過(guò)去查出電池的容量百分比，主要就是這樣一個(gè)曲線(xiàn)。知道電池電容容量百分比之后，知道電池的化學(xué)容量或者滿(mǎn)充容量，就可以知道它剩多少mAh的電量，那就可以算出運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間，后續(xù)的容量百分比可以進(jìn)一步的計(jì)算出來(lái)。

下面這張圖是誤差的放大圖，這個(gè)誤差在整個(gè)放電過(guò)程當(dāng)中，這邊是一個(gè)電壓誤差，包括測(cè)定設(shè)備的影響，這個(gè)誤差在±15mV之間，這樣的誤差大概在容量的誤差、SOC的計(jì)算誤差是在±%之內(nèi)，為什么呢？因?yàn)檫@個(gè)地方的電壓誤差還跟儀器的測(cè)量精度有關(guān)系，儀器的測(cè)量精度這些都考慮進(jìn)來(lái)之后，所造成的容量百分比誤差在%之內(nèi)。

怎樣測(cè)量 OCV ?

怎樣測(cè)量阻抗?

對(duì)于傳統(tǒng)電池容量學(xué)習(xí)的問(wèn)題

需要采用許多的測(cè)試設(shè)備并花費(fèi)大量的時(shí)間。

用戶(hù)有可能永遠(yuǎn)無(wú)法實(shí)現(xiàn)電池的完全放電以學(xué)習(xí)容量。

在不學(xué)習(xí)的情況下，每充電 10 次監(jiān)測(cè)誤差就將增加 1%。

在未完全放電的情況下學(xué)習(xí) Qmax

積分模式與相關(guān)模式之間的合作

阻抗跟蹤電量監(jiān)測(cè)計(jì)

? 優(yōu)點(diǎn)

-整合了基于電壓和庫(kù)侖計(jì)數(shù)這兩種電量監(jiān)測(cè)方法各自的優(yōu)勢(shì)

-在小電流 (OCV) 和大負(fù)載電流時(shí)均可提供準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)

-棄用不準(zhǔn)確的自放電模型（采用 OCV 讀?。?/p>

-對(duì)于新電池和老化電池可提供非常準(zhǔn)確的電量監(jiān)測(cè)

-容量學(xué)習(xí)無(wú)需滿(mǎn)充電和完全放電

第五章電量監(jiān)測(cè)

電量監(jiān)測(cè)的好處

您將看到的電量監(jiān)測(cè)好處是：可向用戶(hù)報(bào)告電池運(yùn)行時(shí)間、可提供更好的電源管理、能夠在電池耗盡之前自動(dòng)地保存用戶(hù)數(shù)據(jù)、以及可獲得盡可能長(zhǎng)的運(yùn)行時(shí)間。

對(duì)于移動(dòng)計(jì)算而言，按序關(guān)斷具有基本重要性——每臺(tái)筆記本 PC 都有一個(gè)電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)，而其中的 90% 使用了 TI 的電量監(jiān)測(cè)芯片，原因即在于此。

運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)源于電源管理、關(guān)斷點(diǎn)的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度以及根據(jù)電池阻抗—容量改變關(guān)斷電壓。

? 運(yùn)行時(shí)間比較示例--- ImpedanceTrackTM 監(jiān)測(cè)計(jì)關(guān)斷與OCV 關(guān)斷點(diǎn)的比較

-不具備準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)計(jì)的系統(tǒng)簡(jiǎn)單地在某個(gè)固定電壓下關(guān)斷

-智能手機(jī)、平板電腦、便攜式醫(yī)療、數(shù)碼相機(jī)等需要備用電池能量來(lái)完成關(guān)斷任務(wù)

-許多設(shè)備都在 或 時(shí)關(guān)斷，以顧及備用容量最差的情況

在此比較當(dāng)中使用的是 關(guān)斷監(jiān)測(cè)計(jì)將計(jì)算剩余容量并改變關(guān)斷電壓，直到在所 有情況下均確切地留有備用容量為止；

使用10 mAH 備用容量；

電池的溫度和老化狀況是變化的；

帶可變混合負(fù)載的新電池

帶可變混合負(fù)載的舊電池

這張圖也是一樣的，這張圖不是一個(gè)新電池，相對(duì)來(lái)講是一個(gè)比較舊的電池。它也是放到關(guān)斷和在剩10mAh容量的時(shí)候關(guān)斷，再這種情況下它的時(shí)間大概增加了58% 。

低溫條件下帶可變混合負(fù)載的新電池

這是在低溫下的情況，低溫下時(shí)間延長(zhǎng)的效應(yīng)更明顯，因?yàn)榈蜏叵碌膬?nèi)阻增加了很大，在這里使用的時(shí)間延長(zhǎng)了121% 。

低溫條件下帶可變混合負(fù)載的舊電池

在這種測(cè)試條件下它的負(fù)載電流變化更大，這種情況下它甚至可以延長(zhǎng)到290%，為什么呢？因?yàn)槿绻诘蜏叵略谶@個(gè)地方它就要關(guān)機(jī)了，這個(gè)時(shí)間相當(dāng)短，剛開(kāi)始放電還沒(méi)放多久就要關(guān)機(jī)了，那么如果用了阻抗跟蹤技術(shù)呢，可以繼續(xù)放80多分鐘才關(guān)機(jī)，因?yàn)橹灰Ａ?0mAh容量關(guān)機(jī)就足夠了，所以這可以延長(zhǎng)很多時(shí)間，我不是絕對(duì)的根據(jù)電壓做一個(gè)剛性的指標(biāo)決定它要不要關(guān)機(jī)的，是根據(jù)剩余容量來(lái)決定要不要關(guān)機(jī)的，這樣的話(huà)只有用阻抗跟蹤技術(shù)才可以算出到多久必須關(guān)機(jī)，所以用阻抗跟蹤技術(shù)可以大大的改善用戶(hù)體驗(yàn)，用戶(hù)體驗(yàn)在現(xiàn)在的便攜式的消費(fèi)類(lèi)電子產(chǎn)品當(dāng)中對(duì)擴(kuò)大銷(xiāo)量、帶來(lái)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)它是一個(gè)很重要的因數(shù)。

? 電量監(jiān)測(cè) – ImpedanceTrackTM 技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

–動(dòng)態(tài)（學(xué)習(xí)）能力

應(yīng)用中的溫度可變性：

IT 考慮到了由于溫度的上升/下降所引起的電池阻抗變化；

IT 引入了熱模擬以針對(duì)自發(fā)熱進(jìn)行調(diào)節(jié)；

負(fù)載變化：

IT 將跟蹤由于高負(fù)載尖峰所引起的電壓降；

–老化電池

IT 擁有針對(duì)因電池老化所致的可用容量變化進(jìn)行調(diào)節(jié)的能力；

–延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間

借助基于 IT 的監(jiān)測(cè)計(jì)可采用較低的終止電壓；

–靈活性

電池特性分析；

主機(jī)系統(tǒng)無(wú)需執(zhí)行任何計(jì)算或監(jiān)測(cè)算法；

剛才介紹的是比較直觀的可以想到的一些優(yōu)勢(shì)，其實(shí)阻抗跟蹤技術(shù)里面隨著算法的不斷改善在使用過(guò)程當(dāng)中電池的溫度不斷的上升下降引起的阻抗變化加入了溫度模型的估計(jì)，引入了熱模擬來(lái)對(duì)電池的發(fā)熱進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且對(duì)使用過(guò)程當(dāng)中對(duì)負(fù)載的變化也做了一個(gè)學(xué)習(xí)，就是說(shuō)一個(gè)用戶(hù)的使用習(xí)慣下對(duì)一個(gè)用電設(shè)備，它的電流的變化是有一定的規(guī)律的，那么阻抗跟蹤的芯片在使用過(guò)程當(dāng)中它會(huì)慢慢去學(xué)習(xí)這個(gè)規(guī)律，掌握由于負(fù)載變化引起的電壓降，這些壓降其實(shí)對(duì)容量計(jì)算也是要考慮的，也要考慮這些因數(shù)的，當(dāng)然之前也講到對(duì)于老化的電池由于阻抗跟蹤是實(shí)時(shí)的計(jì)算電池的阻抗的，它對(duì)老化的電池不需要用模型去進(jìn)行估計(jì)，它是實(shí)測(cè)出來(lái)的阻抗，所以老化的影響相對(duì)來(lái)講對(duì)它就比較小。由于它精確的計(jì)算容量，可以最大限度的延長(zhǎng)使用時(shí)間，大家從剛才的那幾張圖上可以很明顯的看到。有了阻抗跟蹤的芯片我們的主機(jī)系統(tǒng)就不需要任何算法再去計(jì)算電池的容量，只需要簡(jiǎn)單的讀取指定的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟蹤技術(shù)你還可以對(duì)電池徹徹底底的進(jìn)行一些分析，比如說(shuō)電池的老化程度、電池的健康狀況……等等。

未得到使用的電池容量的含義

電池成本：每 100mAh 容量的平均成本為 美元；

較低的終止電壓 (TV) = 較大的電池容量；

對(duì)于新電池，TV 降低 500mV 可增加大約 5% 的容量 → 就 1500mAh 電池而言節(jié)省了約 美元；

對(duì)于老化電池，TV 降低 500mV 可增加大約 50% 的容量 → 可節(jié)省約 美元（就1500mAh 電池而言）并延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間；

為制造商提供了節(jié)省成本的機(jī)會(huì)，同時(shí)還延長(zhǎng)了最終用戶(hù)的電池運(yùn)行時(shí)間；

還有一個(gè)優(yōu)勢(shì)在什么地方呢？就是隨著阻抗跟蹤技術(shù)的使用，電池的容量得到更準(zhǔn)確的計(jì)算，在電池容量更準(zhǔn)確的計(jì)算的情況下，其實(shí)這個(gè)電量計(jì)就可以給你帶來(lái)成本上的節(jié)省了。對(duì)電池來(lái)講，通常100mAh的容量它的成本大概在美元左右。舉一個(gè)例子，由于降低放電終止電壓來(lái)得到較大的電池容量，這里的TV值就是放電的終止電壓，降低500mV大約可以增加5%的容量，比如說(shuō)本來(lái)的降低3V，這500mV這個(gè)容量可以增加5%，就1500mAh的電池它其實(shí)大概就節(jié)省了5%，75mAh的容量，這個(gè)時(shí)候就是幫你省掉了美金。

當(dāng)然這個(gè)只是美金，但隨著電池的老化而言降低500mV增加的容量就不是5%了，而是50%，這樣的話(huà)節(jié)省的大概是1美元，當(dāng)然這是對(duì)1500mAh容量而言，隨著電池容量越來(lái)越大，因?yàn)楝F(xiàn)在的智能設(shè)備耗電量越來(lái)越高，所以會(huì)越來(lái)越大，那么這個(gè)節(jié)省的錢(qián)就越來(lái)越多。

由于監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確而造成的損失

– 假設(shè)客戶(hù)每天進(jìn)行一次充放電 → 3 個(gè)月的使用時(shí)間 = 90 天，大約充電 90 次 → 電池內(nèi)部阻抗幾乎增加一倍 → 出現(xiàn)電池老化的情況；

– 未采用阻抗跟蹤的監(jiān)測(cè)計(jì) → 由于電池逐步老化的原因而產(chǎn)生了不準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)結(jié)果→ 短得多的運(yùn)行時(shí)間乃至發(fā)生系統(tǒng)崩潰；

– 運(yùn)營(yíng)商的電池質(zhì)保期可能為一年甚至兩年；

– 客戶(hù)由于故障監(jiān)測(cè)結(jié)果的緣故而將整部設(shè)備退貨 → 質(zhì)保期內(nèi)的退貨將使公司蒙受經(jīng) 濟(jì)損失；

– 基于阻抗跟蹤的監(jiān)測(cè)計(jì)能夠延長(zhǎng)電池運(yùn)行時(shí)間，并避免發(fā)生因故障監(jiān)測(cè)結(jié)果所致的一些代價(jià)高昂的退貨；

所以客戶(hù)在設(shè)計(jì)系統(tǒng)的時(shí)候不能光考慮到一個(gè)芯片帶來(lái)的多少成本，也應(yīng)該考慮到它為你選用電池降低了多少成本，因?yàn)橛辛俗杩垢櫦夹g(shù)這種比較準(zhǔn)確的電量計(jì)算芯片，選用的電池容量就可以比較精確一點(diǎn)，不需要留有過(guò)多的余量，由于監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)給客戶(hù)帶來(lái)的損失這在現(xiàn)實(shí)生活當(dāng)中有很多。舉個(gè)例子來(lái)講，如果客戶(hù)每天進(jìn)行充放電，3個(gè)月時(shí)間大概是90天，大概充電90次，電池內(nèi)阻就要增加1倍，這個(gè)時(shí)候說(shuō)100次電池就會(huì)老化1倍，如果你沒(méi)有采用阻抗跟蹤的電量監(jiān)測(cè)計(jì)，那個(gè)時(shí)候電池的阻抗增加了1倍，會(huì)造成電量計(jì)算的誤差，由于它原有的電量計(jì)是按照比較小的內(nèi)阻來(lái)計(jì)算電量的，實(shí)際的內(nèi)阻已經(jīng)增加了1倍了，那么它計(jì)算出來(lái)的內(nèi)阻勢(shì)必會(huì)有比較大的誤差。它會(huì)造成一種什么情況呢？它會(huì)告訴你比較多的運(yùn)行時(shí)間，但實(shí)際的運(yùn)行時(shí)間比這小得多，結(jié)果造成突然關(guān)機(jī)，這個(gè)突然關(guān)機(jī)對(duì)系統(tǒng)的影響是很大的，我們的筆記本電腦突然關(guān)機(jī)可能造成系統(tǒng)的崩潰，那么用戶(hù)的感覺(jué)就是這個(gè)電池的使用時(shí)間大大的縮短了，而這個(gè)縮短可能不是由于電池的老化造成的。

電池的保質(zhì)期可能為1~2年，那么這個(gè)地方才使用了3個(gè)月的時(shí)間，就出現(xiàn)了系統(tǒng)突然崩潰這種狀況，客戶(hù)可能會(huì)由此要求退貨，那么這樣反而會(huì)造成公司的經(jīng)濟(jì)損失，所以這個(gè)是舉個(gè)例子來(lái)講，由于電量計(jì)不準(zhǔn)造成經(jīng)濟(jì)損失。

總結(jié)

所以就便攜是電池產(chǎn)品而言，準(zhǔn)確的監(jiān)測(cè)計(jì)對(duì)于獲得長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間的重要性并不亞于降低設(shè)計(jì)方案的功耗和采用強(qiáng)健的電池。因?yàn)槟阋獜?qiáng)健的電池，你就要更多的mAh，這個(gè)實(shí)際上是要增加成本的。那如果用準(zhǔn)確的電量計(jì)，最大限度的算出系統(tǒng)可用的容量，這樣就可以用相當(dāng)來(lái)講容量比較低的電池，這樣可以帶來(lái)成本上的節(jié)省。

可用的電量計(jì)方案有很多，它們一般來(lái)講都是基于電壓監(jiān)測(cè)或者庫(kù)侖計(jì)數(shù)兩種方案的折中，很少用單純的電壓監(jiān)測(cè)或者單純的用庫(kù)侖計(jì)數(shù)。