第四章阻抗跟蹤技術的優(yōu)勢

下面我們就來介紹TI的電量監(jiān)測技術（我們叫做阻抗跟蹤技術）和它的優(yōu)勢。

電量監(jiān)測

–基于電壓的電量監(jiān)測：可在無負載條件下提供準確的監(jiān)測

–基于庫侖計數(shù)的電量監(jiān)測：可在有負載條件下提供準確的監(jiān)測

–整合了基于電壓和基于電流之監(jiān)測方法的優(yōu)勢

–實時阻抗測量

–采用開路電壓和阻抗信息來計算給定平均負載條件下的剩余運行時間。

剛才講到基于電壓的電量監(jiān)測技術可以在沒有負載的條件下提供比較準確的電量監(jiān)測，基于庫侖計數(shù)的電量監(jiān)測可以在有負載提供準確的電量監(jiān)測，我們的阻抗跟蹤技術其實整合了電壓和電流方法監(jiān)測的優(yōu)點，它為什么能夠得到2種方法的優(yōu)點呢？因為它實時的測量電池的阻抗，它沒有去找一個電池阻抗的公式然后對一些因數(shù)進行補償，它是找到了一個實時測量阻抗的方法，因為它是實時測量出來的，就沒必要去根據(jù)模型來對它進行補償。在知道電池阻抗的情況下，可以根據(jù)開路電壓和阻抗信息來估算在給定的電流下面系統(tǒng)或者電池能夠提供多長運行時間或者提供多少容量給系統(tǒng)運行。這個公式在這個地方就更加細化了一點，也就是說電池的端電壓等于電池的開路電壓減去內(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)阻這個地方是有溫度、容量百分比、年限3個因數(shù)共同決定的，但是如果你要用一個公式來表示這個內(nèi)阻的話，就會相當復雜，而且效果也不理想。我們的辦法其實是對阻抗進行實時的測定。

OCV = f (SOC, T) 曲線的比較

阻抗測定這東西基本的思路是怎么樣的呢？電池的電壓我們在實際使用的過程當中，電池端電壓會隨著很多情況發(fā)生改變，剛才已經(jīng)講過了，電池的端電壓可能會隨著電流的大小發(fā)生改變，電池的端電壓當然也會隨著容量百分比發(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系，和電池的老化程度還有關系，但是這只是我們看到的表面現(xiàn)象，其實更本質(zhì)的來說電池內(nèi)部的開路電壓曲線或者說電池的電動勢它是跟這些外面的因數(shù)對它的影響相對來說不是那么明顯，可以找到一些共同性的東西，不同廠商生產(chǎn)的電池在給定的測試條件下，比如說在同樣的溫度下，這個曲線誤差是很小的。這條曲線是我們綜合了5家電池制造商做出來的電池測出來的開路曲線，大家看到這些開路曲線基本上是一致的，那么它們是在同樣的溫度下測出來的曲線，因為它是開路電壓，也談不上電流，當然它的測定過程也是相當繁瑣的，因為它要得到電流近似為0的狀態(tài)下的開路曲線，它的測試過程還是比較繁瑣的，在這條曲線上我們可以看出，這條曲線基本上不會隨著制造商不同發(fā)生變化，制作賞因為工藝不同可能阻抗上會有比較大的變化，但這條開路電壓曲線基本上大家都是一致的，大多數(shù)的電壓偏移小于5mV，由這個電壓來進行SOC的預測誤差一般在%之內(nèi)，所以一旦找到這樣的曲線，對不同的電芯供應商做出來的電池就可以用同樣的曲線來進行計算，這個曲線的計算可以知道電池的開路電壓，可以反過去查出電池的容量百分比，主要就是這樣一個曲線。知道電池電容容量百分比之后，知道電池的化學容量或者滿充容量，就可以知道它剩多少mAh的電量，那就可以算出運行多長時間，后續(xù)的容量百分比可以進一步的計算出來。

下面這張圖是誤差的放大圖，這個誤差在整個放電過程當中，這邊是一個電壓誤差，包括測定設備的影響，這個誤差在±15mV之間，這樣的誤差大概在容量的誤差、SOC的計算誤差是在±%之內(nèi)，為什么呢？因為這個地方的電壓誤差還跟儀器的測量精度有關系，儀器的測量精度這些都考慮進來之后，所造成的容量百分比誤差在%之內(nèi)。

怎樣測量 OCV ?

怎樣測量阻抗?

對于傳統(tǒng)電池容量學習的問題

需要采用許多的測試設備并花費大量的時間。

用戶有可能永遠無法實現(xiàn)電池的完全放電以學習容量。

在不學習的情況下，每充電 10 次監(jiān)測誤差就將增加 1%。

在未完全放電的情況下學習 Qmax

積分模式與相關模式之間的合作

阻抗跟蹤電量監(jiān)測計

? 優(yōu)點

-整合了基于電壓和庫侖計數(shù)這兩種電量監(jiān)測方法各自的優(yōu)勢

-在小電流 (OCV) 和大負載電流時均可提供準確監(jiān)測

-棄用不準確的自放電模型（采用 OCV 讀取）

-對于新電池和老化電池可提供非常準確的電量監(jiān)測

-容量學習無需滿充電和完全放電

第五章電量監(jiān)測

電量監(jiān)測的好處

您將看到的電量監(jiān)測好處是：可向用戶報告電池運行時間、可提供更好的電源管理、能夠在電池耗盡之前自動地保存用戶數(shù)據(jù)、以及可獲得盡可能長的運行時間。

對于移動計算而言，按序關斷具有基本重要性——每臺筆記本 PC 都有一個電池電量監(jiān)測計，而其中的 90% 使用了 TI 的電量監(jiān)測芯片，原因即在于此。

運行時間的延長源于電源管理、關斷點的預測準確度以及根據(jù)電池阻抗—容量改變關斷電壓。

? 運行時間比較示例--- ImpedanceTrackTM 監(jiān)測計關斷與OCV 關斷點的比較

-不具備準確監(jiān)測計的系統(tǒng)簡單地在某個固定電壓下關斷

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

-許多設備都在 或 時關斷，以顧及備用容量最差的情況

在此比較當中使用的是 關斷監(jiān)測計將計算剩余容量并改變關斷電壓，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；

帶可變混合負載的新電池

帶可變混合負載的舊電池

這張圖也是一樣的，這張圖不是一個新電池，相對來講是一個比較舊的電池。它也是放到關斷和在剩10mAh容量的時候關斷，再這種情況下它的時間大概增加了58% 。

低溫條件下帶可變混合負載的新電池

這是在低溫下的情況，低溫下時間延長的效應更明顯，因為低溫下的內(nèi)阻增加了很大，在這里使用的時間延長了121% 。

低溫條件下帶可變混合負載的舊電池

在這種測試條件下它的負載電流變化更大，這種情況下它甚至可以延長到290%，為什么呢？因為如果在低溫下在這個地方它就要關機了，這個時間相當短，剛開始放電還沒放多久就要關機了，那么如果用了阻抗跟蹤技術呢，可以繼續(xù)放80多分鐘才關機，因為只要保留10mAh容量關機就足夠了，所以這可以延長很多時間，我不是絕對的根據(jù)電壓做一個剛性的指標決定它要不要關機的，是根據(jù)剩余容量來決定要不要關機的，這樣的話只有用阻抗跟蹤技術才可以算出到多久必須關機，所以用阻抗跟蹤技術可以大大的改善用戶體驗，用戶體驗在現(xiàn)在的便攜式的消費類電子產(chǎn)品當中對擴大銷量、帶來競爭優(yōu)勢它是一個很重要的因數(shù)。

? 電量監(jiān)測 – ImpedanceTrackTM 技術的優(yōu)勢

–動態(tài)（學習）能力

應用中的溫度可變性：

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自發(fā)熱進行調(diào)節(jié)；

負載變化：

IT 將跟蹤由于高負載尖峰所引起的電壓降；

–老化電池

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

–延長運行時間

借助基于 IT 的監(jiān)測計可采用較低的終止電壓；

–靈活性

電池特性分析；

主機系統(tǒng)無需執(zhí)行任何計算或監(jiān)測算法；

剛才介紹的是比較直觀的可以想到的一些優(yōu)勢，其實阻抗跟蹤技術里面隨著算法的不斷改善在使用過程當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，引入了熱模擬來對電池的發(fā)熱進行調(diào)節(jié)，而且對使用過程當中對負載的變化也做了一個學習，就是說一個用戶的使用習慣下對一個用電設備，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程當中它會慢慢去學習這個規(guī)律，掌握由于負載變化引起的電壓降，這些壓降其實對容量計算也是要考慮的，也要考慮這些因數(shù)的，當然之前也講到對于老化的電池由于阻抗跟蹤是實時的計算電池的阻抗的，它對老化的電池不需要用模型去進行估計，它是實測出來的阻抗，所以老化的影響相對來講對它就比較小。由于它精確的計算容量，可以最大限度的延長使用時間，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系統(tǒng)就不需要任何算法再去計算電池的容量，只需要簡單的讀取指定的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟蹤技術你還可以對電池徹徹底底的進行一些分析，比如說電池的老化程度、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）并延長運行時間；

為制造商提供了節(jié)省成本的機會，同時還延長了最終用戶的電池運行時間；

還有一個優(yōu)勢在什么地方呢？就是隨著阻抗跟蹤技術的使用，電池的容量得到更準確的計算，在電池容量更準確的計算的情況下，其實這個電量計就可以給你帶來成本上的節(jié)省了。對電池來講，通常100mAh的容量它的成本大概在美元左右。舉一個例子，由于降低放電終止電壓來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，比如說本來的降低3V，這500mV這個容量可以增加5%，就1500mAh的電池它其實大概就節(jié)省了5%，75mAh的容量，這個時候就是幫你省掉了美金。

當然這個只是美金，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%，這樣的話節(jié)省的大概是1美元，當然這是對1500mAh容量而言，隨著電池容量越來越大，因為現(xiàn)在的智能設備耗電量越來越高，所以會越來越大，那么這個節(jié)省的錢就越來越多。

由于監(jiān)測不準確而造成的損失

– 假設客戶每天進行一次充放電 → 3 個月的使用時間 = 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)測計 → 由于電池逐步老化的原因而產(chǎn)生了不準確的監(jiān)測結果→ 短得多的運行時間乃至發(fā)生系統(tǒng)崩潰；

– 運營商的電池質(zhì)保期可能為一年甚至兩年；

– 客戶由于故障監(jiān)測結果的緣故而將整部設備退貨 → 質(zhì)保期內(nèi)的退貨將使公司蒙受經(jīng) 濟損失；

– 基于阻抗跟蹤的監(jiān)測計能夠延長電池運行時間，并避免發(fā)生因故障監(jiān)測結果所致的一些代價高昂的退貨；

所以客戶在設計系統(tǒng)的時候不能光考慮到一個芯片帶來的多少成本，也應該考慮到它為你選用電池降低了多少成本，因為有了阻抗跟蹤技術這種比較準確的電量計算芯片，選用的電池容量就可以比較精確一點，不需要留有過多的余量，由于監(jiān)測不準給客戶帶來的損失這在現(xiàn)實生活當中有很多。舉個例子來講，如果客戶每天進行充放電，3個月時間大概是90天，大概充電90次，電池內(nèi)阻就要增加1倍，這個時候說100次電池就會老化1倍，如果你沒有采用阻抗跟蹤的電量監(jiān)測計，那個時候電池的阻抗增加了1倍，會造成電量計算的誤差，由于它原有的電量計是按照比較小的內(nèi)阻來計算電量的，實際的內(nèi)阻已經(jīng)增加了1倍了，那么它計算出來的內(nèi)阻勢必會有比較大的誤差。它會造成一種什么情況呢？它會告訴你比較多的運行時間，但實際的運行時間比這小得多，結果造成突然關機，這個突然關機對系統(tǒng)的影響是很大的，我們的筆記本電腦突然關機可能造成系統(tǒng)的崩潰，那么用戶的感覺就是這個電池的使用時間大大的縮短了，而這個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，那么這個地方才使用了3個月的時間，就出現(xiàn)了系統(tǒng)突然崩潰這種狀況，客戶可能會由此要求退貨，那么這樣反而會造成公司的經(jīng)濟損失，所以這個是舉個例子來講，由于電量計不準造成經(jīng)濟損失。

總結

所以就便攜是電池產(chǎn)品而言，準確的監(jiān)測計對于獲得長運行時間的重要性并不亞于降低設計方案的功耗和采用強健的電池。因為你要強健的電池，你就要更多的mAh，這個實際上是要增加成本的。那如果用準確的電量計，最大限度的算出系統(tǒng)可用的容量，這樣就可以用相當來講容量比較低的電池，這樣可以帶來成本上的節(jié)省。

可用的電量計方案有很多，它們一般來講都是基于電壓監(jiān)測或者庫侖計數(shù)兩種方案的折中，很少用單純的電壓監(jiān)測或者單純的用庫侖計數(shù)。