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作者：德州儀器 隨著工業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，電池都需要承受高度動態的負載。設計人員依靠準確的電量監測來安全地關閉系統或防止意外欠壓，這些不可預測的負載給他們帶來了挑戰。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。 什么是動態負載？ 在深入探討用于監測電池動態負載的解決方案之前，我們首先需要定義什么是動態負載。德州儀器 (TI) 將負載曲線分為了三類。第一類是恒流負載，是指電池持續輸出恒定電流。如圖 1 所示,電池持續放出 600mA。第二類是可變功率放電，指系統可以處于多種電源模式。如圖 2 所示，系統有性能模式、工作模式和待機模式三種不同的功耗模式。系統在三種模式間循環切換直至電池耗盡。最后一個類別是動態負載。如圖 3 所示，動態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間內任意波動，且持續時間不可預測。動態負載曲線常見于負載完全由用戶控制的系統中，例如電動自行車或無人機。 
圖 1. 恒流放電負載曲線
圖 2. 可變功率模式負載曲線
圖 3. 動態負載曲線 電池電量監測計的作用是什么？ 電池電量監測計使用電流和電壓測量值計算基本參數，例如荷電狀態、運行狀況和剩余容量。傳統的基于 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預測。將電池建模為低頻電阻電容 (RC) 模型（如圖 4 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估算。
圖 4. 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測方法。作為在 BQ40Z50 和 BQ34Z100 等器件中運行的傳統 Impedance Track 算法的后繼產品，Dynamic Z-Track 算法可在動態負載電流條件下準確估算電池的荷電狀態、運行狀況和剩余容量。 當不穩定的負載或高頻負載影響電池時，Impedance Track 電量監測計的傳統電池 RC 建模會失去分辨率，無法更新電池電阻。Dynamic Z-Track 算法實現了寬帶瞬態模型，該模型可模擬電壓瞬變并適應動態電流曲線。即使電流不穩定，該方法也能實時估算電阻。 為什么電阻很重要？ 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計算，跟蹤電阻至關重要。如圖 5 所示，電池電芯的電阻隨電池的循環和老化而線性增加，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% 荷電狀態之前可提供的容量或能量便越低。
圖 5 . 鋰離子電池電芯的電阻隨時間出現的變化 如果電池電量監測計無法更新電阻，計算出的荷電狀態誤差會隨電池老化成比例增加。在不可預測且不穩定的負載中，如果不更新電阻，荷電狀態和剩余容量估算的誤差可高達 60% 或低至 10%。當荷電狀態突然降低時，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 6 所示。
圖 6 . 剩余容量估算比較：Impedance Track 技術和 Dynamic Z-Stack 技術與在 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，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，因為荷電狀態已從 12% 下降到 0%。現在，此人必須踩踏板回家或叫車。 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。巡航狀態下，隨著騎行者上下坡以及經過顛簸路段，電池電流消耗會持續在 10-20 安培之間波動。
圖 7 . 電動自行車的實際負載曲線 下圖 8 中展示了以毫歐為單位，Dynamic Z-Track 算法與傳統電池電量監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性，傳統的電池電量監測算法可能會在極端動態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。
圖 8 . 電動自行車實際負載曲線的電阻估算和精度 與傳統的電池電量監測計不同，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% 的電量狀態檢測精度，這使制造商能夠在保證性能的前提下優化電池尺寸，并將續航時間延長多達 30%。最終，用戶在無人機、電動自行車、筆記本電腦和便攜式醫療設備等高要求應用中，能獲得更穩定可靠的使用體驗。 結語 雖然動態負載特性會顯著增加電池系統設計的復雜度，但它不會成為系統可靠性或用戶體驗的障礙。像 Dynamic Z-Track 算法這樣的解決方案，能夠在真實、復雜、不可預測的負載條件下保持電量檢測的高精度，使設備在各種環境下依然保持穩定運行，例如無人機能夠順利完成飛行任務，不會在半空中意外斷電；電動自行車也能在不同溫度和電池老化情況下穩定運行。 其他資源 有關 Impedance Track 技術和 Dynamic Z-Track 技術工作原理的更多詳細信息、請參閱以下應用手冊： |
