第四章阻抗跟踪技术的优势

下面我们就来介绍TI的电量监测技术（我们叫做阻抗跟踪技术）和它的优势。

电量监测

–基于电压的电量监测：可在无负载条件下提供准确的监测

–基于库仑计数的电量监测：可在有负载条件下提供准确的监测

–整合了基于电压和基于电流之监测方法的优势

–实时阻抗测量

–采用开路电压和阻抗信息来计算给定平均负载条件下的剩余运行时间。

刚才讲到基于电压的电量监测技术可以在没有负载的条件下提供比较准确的电量监测，基于库仑计数的电量监测可以在有负载提供准确的电量监测，我们的阻抗跟踪技术其实整合了电压和电流方法监测的优点，它为什么能够得到2种方法的优点呢？因为它实时的测量电池的阻抗，它没有去找一个电池阻抗的公式然后对一些因数进行补偿，它是找到了一个实时测量阻抗的方法，因为它是实时测量出来的，就没必要去根据模型来对它进行补偿。在知道电池阻抗的情况下，可以根据开路电压和阻抗信息来估算在给定的电流下面系统或者电池能够提供多长运行时间或者提供多少容量给系统运行。这个公式在这个地方就更加细化了一点，也就是说电池的端电压等于电池的开路电压减去内阻上面的压降，内阻上面的压降主要是由于电池的内阻造成的，内阻这个地方是有温度、容量百分比、年限3个因数共同决定的，但是如果你要用一个公式来表示这个内阻的话，就会相当复杂，而且效果也不理想。我们的办法其实是对阻抗进行实时的测定。

OCV = f (SOC, T) 曲线的比较

阻抗测定这东西基本的思路是怎么样的呢？电池的电压我们在实际使用的过程当中，电池端电压会随着很多情况发生改变，刚才已经讲过了，电池的端电压可能会随着电流的大小发生改变，电池的端电压当然也会随着容量百分比发生变化，在同样的百分比，同样的电流下，电池的端电压可能还和温度有关系，和电池的老化程度还有关系，但是这只是我们看到的表面现象，其实更本质的来说电池内部的开路电压曲线或者说电池的电动势它是跟这些外面的因数对它的影响相对来说不是那么明显，可以找到一些共同性的东西，不同厂商生产的电池在给定的测试条件下，比如说在同样的温度下，这个曲线误差是很小的。这条曲线是我们综合了5家电池制造商做出来的电池测出来的开路曲线，大家看到这些开路曲线基本上是一致的，那么它们是在同样的温度下测出来的曲线，因为它是开路电压，也谈不上电流，当然它的测定过程也是相当繁琐的，因为它要得到电流近似为0的状态下的开路曲线，它的测试过程还是比较繁琐的，在这条曲线上我们可以看出，这条曲线基本上不会随着制造商不同发生变化，制作赏因为工艺不同可能阻抗上会有比较大的变化，但这条开路电压曲线基本上大家都是一致的，大多数的电压偏移小于5mV，由这个电压来进行SOC的预测误差一般在%之内，所以一旦找到这样的曲线，对不同的电芯供应商做出来的电池就可以用同样的曲线来进行计算，这个曲线的计算可以知道电池的开路电压，可以反过去查出电池的容量百分比，主要就是这样一个曲线。知道电池电容容量百分比之后，知道电池的化学容量或者满充容量，就可以知道它剩多少mAh的电量，那就可以算出运行多长时间，后续的容量百分比可以进一步的计算出来。

下面这张图是误差的放大图，这个误差在整个放电过程当中，这边是一个电压误差，包括测定设备的影响，这个误差在±15mV之间，这样的误差大概在容量的误差、SOC的计算误差是在±%之内，为什么呢？因为这个地方的电压误差还跟仪器的测量精度有关系，仪器的测量精度这些都考虑进来之后，所造成的容量百分比误差在%之内。

怎样测量 OCV ?

怎样测量阻抗?

对于传统电池容量学习的问题

需要采用许多的测试设备并花费大量的时间。

用户有可能永远无法实现电池的完全放电以学习容量。

在不学习的情况下，每充电 10 次监测误差就将增加 1%。

在未完全放电的情况下学习 Qmax

积分模式与相关模式之间的合作

阻抗跟踪电量监测计

Ø 优点

-整合了基于电压和库仑计数这两种电量监测方法各自的优势

-在小电流 (OCV) 和大负载电流时均可提供准确监测

-弃用不准确的自放电模型（采用 OCV 读取）

-对于新电池和老化电池可提供非常准确的电量监测

-容量学习无需满充电和完全放电

第五章电量监测

电量监测的好处

您将看到的电量监测好处是：可向用户报告电池运行时间、可提供更好的电源管理、能够在电池耗尽之前自动地保存用户数据、以及可获得尽可能长的运行时间。

对于移动计算而言，按序关断具有基本重要性——每台笔记本 PC 都有一个电池电量监测计，而其中的 90% 使用了 TI 的电量监测芯片，原因即在于此。

运行时间的延长源于电源管理、关断点的预测准确度以及根据电池阻抗—容量改变关断电压。

Ø 运行时间比较示例--- ImpedanceTrackTM 监测计关断与OCV 关断点的比较

-不具备准确监测计的系统简单地在某个固定电压下关断

-智能手机、平板电脑、便携式医疗、数码相机等需要备用电池能量来完成关断任务

-许多设备都在或时关断，以顾及备用容量最差的情况

在此比较当中使用的是关断监测计将计算剩余容量并改变关断电压，直到在所有情况下均确切地留有备用容量为止；

使用10 mAH 备用容量；

电池的温度和老化状况是变化的；

带可变混合负载的新电池

带可变混合负载的旧电池

这张图也是一样的，这张图不是一个新电池，相对来讲是一个比较旧的电池。它也是放到关断和在剩10mAh容量的时候关断，再这种情况下它的时间大概增加了58% 。

低温条件下带可变混合负载的新电池

这是在低温下的情况，低温下时间延长的效应更明显，因为低温下的内阻增加了很大，在这里使用的时间延长了121% 。

低温条件下带可变混合负载的旧电池

在这种测试条件下它的负载电流变化更大，这种情况下它甚至可以延长到290%，为什么呢？因为如果在低温下在这个地方它就要关机了，这个时间相当短，刚开始放电还没放多久就要关机了，那么如果用了阻抗跟踪技术呢，可以继续放80多分钟才关机，因为只要保留10mAh容量关机就足够了，所以这可以延长很多时间，我不是绝对的根据电压做一个刚性的指标决定它要不要关机的，是根据剩余容量来决定要不要关机的，这样的话只有用阻抗跟踪技术才可以算出到多久必须关机，所以用阻抗跟踪技术可以大大的改善用户体验，用户体验在现在的便携式的消费类电子产品当中对扩大销量、带来竞争优势它是一个很重要的因数。

Ø 电量监测 – ImpedanceTrackTM 技术的优势

–动态（学习）能力

应用中的温度可变性：

IT 考虑到了由于温度的上升/下降所引起的电池阻抗变化；

IT 引入了热模拟以针对自发热进行调节；

负载变化：

IT 将跟踪由于高负载尖峰所引起的电压降；

–老化电池

IT 拥有针对因电池老化所致的可用容量变化进行调节的能力；

–延长运行时间

借助基于 IT 的监测计可采用较低的终止电压；

–灵活性

电池特性分析；

主机系统无需执行任何计算或监测算法；

刚才介绍的是比较直观的可以想到的一些优势，其实阻抗跟踪技术里面随着算法的不断改善在使用过程当中电池的温度不断的上升下降引起的阻抗变化加入了温度模型的估计，引入了热模拟来对电池的发热进行调节，而且对使用过程当中对负载的变化也做了一个学习，就是说一个用户的使用习惯下对一个用电设备，它的电流的变化是有一定的规律的，那么阻抗跟踪的芯片在使用过程当中它会慢慢去学习这个规律，掌握由于负载变化引起的电压降，这些压降其实对容量计算也是要考虑的，也要考虑这些因数的，当然之前也讲到对于老化的电池由于阻抗跟踪是实时的计算电池的阻抗的，它对老化的电池不需要用模型去进行估计，它是实测出来的阻抗，所以老化的影响相对来讲对它就比较小。由于它精确的计算容量，可以最大限度的延长使用时间，大家从刚才的那几张图上可以很明显的看到。有了阻抗跟踪的芯片我们的主机系统就不需要任何算法再去计算电池的容量，只需要简单的读取指定的寄存器就可以得到容量。有了阻抗跟踪技术你还可以对电池彻彻底底的进行一些分析，比如说电池的老化程度、电池的健康状况……等等。

未得到使用的电池容量的含义

电池成本：每 100mAh 容量的平均成本为美元；

较低的终止电压 (TV) = 较大的电池容量；

对于新电池，TV 降低 500mV 可增加大约 5% 的容量 → 就 1500mAh 电池而言节省了约美元；

对于老化电池，TV 降低 500mV 可增加大约 50% 的容量 → 可节省约美元（就1500mAh 电池而言）并延长运行时间；

为制造商提供了节省成本的机会，同时还延长了最终用户的电池运行时间；

还有一个优势在什么地方呢？就是随着阻抗跟踪技术的使用，电池的容量得到更准确的计算，在电池容量更准确的计算的情况下，其实这个电量计就可以给你带来成本上的节省了。对电池来讲，通常100mAh的容量它的成本大概在美元左右。举一个例子，由于降低放电终止电压来得到较大的电池容量，这里的TV值就是放电的终止电压，降低500mV大约可以增加5%的容量，比如说本来的降低3V，这500mV这个容量可以增加5%，就1500mAh的电池它其实大概就节省了5%，75mAh的容量，这个时候就是帮你省掉了美金。

当然这个只是美金，但随着电池的老化而言降低500mV增加的容量就不是5%了，而是50%，这样的话节省的大概是1美元，当然这是对1500mAh容量而言，随着电池容量越来越大，因为现在的智能设备耗电量越来越高，所以会越来越大，那么这个节省的钱就越来越多。

由于监测不准确而造成的损失

– 假设客户每天进行一次充放电 → 3 个月的使用时间 = 90 天，大约充电 90 次 → 电池内部阻抗几乎增加一倍 → 出现电池老化的情况；

– 未采用阻抗跟踪的监测计 → 由于电池逐步老化的原因而产生了不准确的监测结果→ 短得多的运行时间乃至发生系统崩溃；

– 运营商的电池质保期可能为一年甚至两年；

– 客户由于故障监测结果的缘故而将整部设备退货 → 质保期内的退货将使公司蒙受经济损失；

– 基于阻抗跟踪的监测计能够延长电池运行时间，并避免发生因故障监测结果所致的一些代价高昂的退货；

所以客户在设计系统的时候不能光考虑到一个芯片带来的多少成本，也应该考虑到它为你选用电池降低了多少成本，因为有了阻抗跟踪技术这种比较准确的电量计算芯片，选用的电池容量就可以比较精确一点，不需要留有过多的余量，由于监测不准给客户带来的损失这在现实生活当中有很多。举个例子来讲，如果客户每天进行充放电，3个月时间大概是90天，大概充电90次，电池内阻就要增加1倍，这个时候说100次电池就会老化1倍，如果你没有采用阻抗跟踪的电量监测计，那个时候电池的阻抗增加了1倍，会造成电量计算的误差，由于它原有的电量计是按照比较小的内阻来计算电量的，实际的内阻已经增加了1倍了，那么它计算出来的内阻势必会有比较大的误差。它会造成一种什么情况呢？它会告诉你比较多的运行时间，但实际的运行时间比这小得多，结果造成突然关机，这个突然关机对系统的影响是很大的，我们的笔记本电脑突然关机可能造成系统的崩溃，那么用户的感觉就是这个电池的使用时间大大的缩短了，而这个缩短可能不是由于电池的老化造成的。

电池的保质期可能为1~2年，那么这个地方才使用了3个月的时间，就出现了系统突然崩溃这种状况，客户可能会由此要求退货，那么这样反而会造成公司的经济损失，所以这个是举个例子来讲，由于电量计不准造成经济损失。