阻抗跟踪的好处

我是 David Maxwell，我又来到这里 为您介绍单节电池电量 监测 101 的第 3 部分。 我们在前面 讨论了电池 基础知识，然后我们 讨论了锂离子电池的 经典电量监测方法， 即电压方法和库仑 计数方法。 我们已讨论了它们 所具有的一些问题， 现在我们要 讨论 Impedance Track 如何解决这些 问题以及它可以 为您带来的 一些好处。 基于电压的监测计 在没有负载的情况下 表现很好，库仑计数监测计 在有负载的情况下表现很好， 不过即使这样， 也存在一些问题。 Impedance Track 结合了 这两者的优势， 并添加了实时 阻抗测量功能， 这就是其名称 阻抗跟踪的 由来。 它会随时间、随电池间的 差异跟踪阻抗，最重要的是， 会随着电池的 老化跟踪阻抗， 因为每个电池都会 以不同的速度出现 老化情况。 Impedance Track 算法实质上 是一种预测性算法， 它会计算您所需的 任何负载下的 剩余运行时间。 它会将开路电压 测量和阻抗信息 以及库仑计数 结合在一起， 来预测任何 温度、任何负载下 还剩余多少 容量，并且即使 在电池老化时 也能够保持 其精度。 那么，简单地说， 这就是 Impedance Track 解决该变化电阻 问题的方法，我们 已看到变化的电阻会 为经典的电量监测方法 带来许多问题。 让我们快速看看 几个不同制造商的 电池的开路电压 分布，这些电池是 标准的氧化钴锂 化学电池，最大充电 电压为 4.2 伏。 如果您将其重叠在一起，您可以 看到它们通常非常相似。 可能有一些差异， 并且它们会有很多 新配方和新改进。 但该分布是存储 在 Impedance Track 监测计中的分布， 可以根据您的 电池更改，以便您 可以在适当的时候 使用开路电压， 以预测任何给定 温度下的荷电状态。 还应注意，开路 电压也是温度的 函数。 当温度降低时， 电池中的电势 将增大，因此 在低温时电压 会稍微高一点。 在高温时， 电压会稍微 低一点。 因此，您不仅 需要一个特定 温度下的静态 电压表，而且 还需要知道它在其他 温度下是如何变化的。 因此，只要您的电池 与特定的分布相匹配， 您就会具有 很小的电压偏差， 您的平均误差 可能就非常小。 您可以为 大量不同的 电池使用该 同一化合物 ID， 或者如果您处于 不同的电压曲线 系列中，则可能需要改用 不同的化合物 ID，具体 取决于您的监测计。 当我们讨论基于电压的 电量监测时，我们 讨论了电池 瞬态响应挑战， 当您移除 负载后，电压 不会立即 恢复到稳定 状态。 化合物需要一些 时间来恢复到 放松状态。 您需要在此时 进行测量，那么 Impedance Track 算法能够很好地 处理该情况，它知道 需要等待多长时间， 何时进行测量， 以及它会在何时稳定。 此处也给出了 基于电压的 方法的好处，即无需 进行自放电估算。 您无需进行估算， 而估算会带来一些 固有的误差。 您可以直接测量 电压， 并可在 SOC 随着 时间的推移而降低时 获知它。 现在，这里是有关 Impedance Track 的要点。 这是测量 阻抗的方法。 那么，我曾提到过， 在监测计内部，我们 有一个固定的表，它是 取决于荷电状态和 温度的 OCV。 然后，当它 具有负载时， IT 算法会执行 实时电压测量。 它将执行库仑计数， 以跟踪荷电状态。 那么，我们在前面看到过该方程。 电压将是您的 OCV 减去您的 IR 压降。 因此监测计可以 测量负载电压， 它在这里，位于 方程的左侧。 它将测量电流 并执行库仑计数。 那么它将沿着该曲线 向下跟踪其路径， 因此在任何 给定的时间， 它都可以执行反向 查找，以计算 OCV 值。 那么，这意味着，假设我们 从一个满电量电池开始。 没有电流。 电压为 4.2 伏。 我们知道，我们将从 100% 的荷电状态开始。 嗯，然后我们 开始放电，然后 电压将下降。 我们将对库仑值进行计数， 因此我们将沿着这里跟踪 我们的路径。 我们知道，例如，我们已经 对电池容量的 25% 进行了 计数。 因此我们知道我们 处于该点，就在这里。 我们可以反向计算 此时的 OCV 值，并在 我们的方程中使用该值。 如果我们解该方程以求得 电池的电阻，那么我们可以 使用我们的表来获知 OCV。 我们知道电池 在具有负载时的 电压，因为我们 要立即测量它。 并且我们知道 此时的电流。 这意味着我们可以使用 欧姆定律来计算电池的 电阻。 因此我们知道在该 特定时间的电阻值。 我们可以在放电时 继续测量它。 我们可以将其存储 在我们的表中，该表 是荷电状态的函数。 我们还知道它如何 随温度的变化而变化。 Impedance Track 可以为您带来的 另一个好处是 您不必通过执行 完全放电和完全 充电来获知电池容量。 对于该示例， 我们将讨论 在以前，当电池中 有电量监测计时， 在提供电池之前 它们是如何校准的。 通常，您必须 将其完全放电， 然后将其充满电， 以便监测计获知 完整的电池 容量是多少 。 然后，所有 电池，所有 锂离子电池 以 50% 的容量 进行提供，以实现 安全性和耐用性。 如果您以 50% 的容量来 保存它，则可以减缓老化。 因此，这显然是一个要在 生产中执行的很长的过程。 因此，对于大多数电池制造商而言， 如果它们在电池内部提供了电量监测计， 那么它们都愿意跳过该过程。 但是，即使在您的最终 用户使用它的情况下， 您也不希望他们必须 定期完全放电，以便 监测计能够在电池随时间的 推移而变弱时获知电池容量。 那么，让我们来 看看 Impedance Track 如何解决该问题。 我们在前面的 部分中介绍的 Qmax 是最大电池 化合物容量，一切 都是相对于它而言的。 那么，当它随时间的推移而变弱时， 您如何在不必从充满电转换到 完全放电或从完全放电转换到 充满电的情况下来获知该信息呢？ 由于 Impedance Track 能够定期获得这些 高度精确的电压， 因此它可以将其用作 参考点，然后对在它们之间 通过的电流进行积分。 那么，让我们来 使用将系统放电至 某个点的示例。 它已关闭。 电池电压放松， 监测计测量该电压。 现在，它知道非常 精确的荷电状态， 我们将在下面的这个 方程中将其称其为 SOC1。 然后，对其进行充电，比如 大约充电至容量的 50%。 然后它再次关闭， 并且获取另一个 电压测量值。 我们将使用它 来计算 SOC2。 因此，如果我们 从 25% 变为 75%， 现在我们具有 50% 的变化量，然后 我们对它在这 两点之间的电流 进行积分。 因此，我们知道 -- 假设在从 25% 变为 75% 的过程中 电流为 500 毫安， 那么我们知道总容量 应为 1000 毫安时。 我们要将我们 看到的值乘以 相应的比例， 以估算电池的 总容量。 在该示例中，我们 展示了充电方向。 它在放电方向上 也能正常工作。 如果您具有 放松的电压 测量值，则放电，对电流 进行积分，然后获取 另一个放松的 电压测量值。 然后您可以按照 同样的方法估算 Qmax。 这是一个有关 Impedance Track 算法 所执行的操作的 简化视图，不必 完全满足这些条件。 您可能会进行 间歇性放电和 充电，因为在实际操作中不会 总是满足该特定的条件。 但它可以向您 展示有关如何 在无须执行完全放电的 情况下获知 Qmax 的思想。 让我们来看看 Impedance Track 如何 在典型的系统中将电压 相关性方法和电流积分 方法结合在一起。 在电压轴上， 这显然不是 单节电池。 这是多节串联电池， 但相同的原理在这里 也适用。 那么，粉色曲线 是电池电压， 蓝色曲线 是您的电流。 那么，您可以看到 它在这里放电， 粉色电压在 逐渐增大， 即使左侧轴上的 电流在逐渐减小 变弱也是如此， 直到它关闭， 然后放松一段时间。 在该放松 过程中， 监测计将有机会 获取 OCV 测量值 并更新 DOD。 然后在该蓝色区域中 放电开始执行。 在放电过程中， 监测计将进行 库仑计数，以记录 它所处的 DOD 或 SOC。 然后它会定期 计算每个点的 电阻并更新 其存储在 非易失性 存储器中的表。 那么它会在该放电 期间获知电阻， 因为它会随时间的推移 而变化并且各节电池之间 也有差异。 因此它在放电 期间会变得更精确， 即使放电正在 发生也是如此。 然后，当放电 停止时，电池 电压会缓慢地 重新放松至 稳定值，监测计会 进行另一次电压测量。 如果出现任何 库仑计数错误， 则由这里的电压 测量对其进行更正。 由于我们在放电 之前和放电之后 进行了电压 测量，并且我们 对这两次电压 测量之间的库仑值 进行了计数，因此我们 现在可以更新 Qmax。 那么，我们已在放电期间 更新了我们的电阻。 我们已根据旧值 更新了我们的 Qmax， 以作为放电前后的测量值。 那么，它正是通过 这种方法将电压 更正和电流积 分结合在一起， 以持续更新荷电 状态并更新其预测， 并且在其获知 电阻时提高精度。 那么，在 Impedance Track 电量监测计幻灯片中， 我们仅展示了 优点，这与以前的 方法不同，以前的方法 同时具有缺点和优点。 我们同时具有基于 电压的方法和库仑 计数方法的优点。 这意味着无论 是您具有小电流 或没有电流并且 使用开路电压测量， 还是您具有大负载 电流，它都起作用。 那么，它可以在 各种负载下工作。 您不必使用 自放电建模。 您可以使用 OCV 读数在电池闲置时 进行更新。 无论您的电池是 新电池还是已老化的 电池，它都能够 同样出色地工作。 电池会以不同的 速度老化，具体 取决于它们的使用 环境，因此您无法对 老化进行建模。 更新它的唯一方法 是通过 Impedance Track 直接测量 电池的电阻 并定期更新 Qmax。 要获知 Qmax， 您无需充满电。 您无需完全放电。 它如何执行其学习是 一个轻松得多的话题。 那么，如果您有一个 Impedance Track 电量监测计， 那么以下是您 将得到的一些好处。 您将获得剩余的 运行时间， 这是其他方法 不能为您提供的， 因为它将执行 预测性算法。 随着它更新电阻， 温度发生变化 或者负载发生变化， 它可以更新运行 时间预测。 它将使您能够 在您的系统中 执行更智能的 电源管理，因为 您可以信任电量 监测计所显示的值。 您可以知道电池 电量何时为零。 您可以知道在任何给定的 时间您处于什么状态，以及 您的系统可以 作出更好的决定。 正如我们之前 提到的，它将为您 提供更长的运行 时间，不是通过提供 更多能量，也不是 通过使您的系统 更高效，而是通过 使您更智能地管理 电源，使您信任 精度，因此您可以 为您的关闭电压 提供更低的保护带， 还会为您提供 可变关闭电压， 具体取决于温度、 放电率和已使用的 时长，所有这些都 基于其在预测中 使用的测量值。 最终目的是为您 提供有序关闭。 您不希望您的用户 因遭遇突然的系统 关闭而措手不及。 您不希望这种情况 在您的 PC 上发生， 您也不希望它 在您的手机或 您正在使用的任何 便携式电子产品上发生， 因此及早的警告对于 有序关闭而言非常重要。 但与此同时， 您不希望 保护带过大，关闭过早， 从而浪费运行时间。 那么，让我们来看一个示例，该示例 为您展示了这种精确的监测如何 为您提供更多的运行时间。 许多系统可能 仅使用固定电压 作为其关闭点。 无论它们是否 使用监测计， 它们都可能会不必要地 选择很高的关闭电压， 因为它们不信任 其监测计或因为 它们希望对老化的 电池或低温电池 进行补偿。 许多系统需要一些 我们要将其称为 保留容量或保留能量的 额外关闭容量，以便 它们可以有序地 关闭，这有点像 您的笔记本电脑 告诉您是时候关机了， 将一些数据保存到 磁盘或闪存中，然后 它再关闭，以便您的 工作内容不会丢失。 对于大量的此类 系统，系统设计 人员会选择 3.5伏 或 3.6 伏，以便 他们可以涵盖 最坏的情况 并确保他们始终 能够有序关闭。 那么，例如这就是 我们在此处使用的值。 然后监测计将 计算任何特定 条件下的剩余 容量并提示 关闭电压，直到 恰好剩余保留容量。 那么，我们要将 使用该固定电压 与使用监测计的预测作为 可变关闭电压进行比较。 我们会说， 该系统仅需要 10 毫安时就可以 执行有序关闭。 在接下来的几张 幻灯片中，我们 将向您展示电池的不同温度和 不同使用时间并比较这两种方法。 在第一张幻灯片中， 我们有一个新电池， 我们将展示 可变负载。 因此您可以在这里 看到电池电压， 没有负载，然后有轻 负载，然后有重负载。 然后它分别在没有负载、 有轻负载和有重负载的 情况下放松。 然后它重复该 轻负载、重负载、 无负载序列，直到您 达到关闭系统的时间。 那么，如果我们 在室温下使用 一个新电池，并且您 使用固定的 3.5 伏作为 您的关闭点，那么您 可能会在这里关闭， 您将运行两个小时。 但是，如果您信任 您的监测计会为您 提供足够的警告 时间来进行关闭 并且您知道您的系统 实际上可以在 3 伏下关闭， 这就是它要关闭的 电压，并且您需要 10 毫安时的警告，以便 您可以执行该关闭， 那么 Impedance Track 监测计将在大约 3.3 伏时向您 发出警告， 这意味着您会获得 168 分钟的运行时间。 因此，通过降低 室温下新电池的 终止电压， 您使用相同的 电池、相同的 系统将运行 时间增加了 40%。 这正是因为您可以 信任监测计会在您的 实际最终关闭点 之前及早向您 发出警告。 让问题变得 更复杂一点， 假设这是一个具有更高 内部阻抗的旧电池。 这意味着当您具有 负载时，电压将 下降得更多。 因此，在这些 重负载期间， 您可能会更早地 达到 3.5 伏。 您应该记得，对于新电池， 它持续运行了 120 分钟。 现在我们只能运行 90 分钟。 但是，如果您仍使用 Impedance Track 监测计， 那么您知道它将在您 达到 3 伏之前还剩 10 毫安时向您发出警告。 您仍会获得 142 分钟的运行时间。 与新电池相比， 减少的时间并不算长。 因此您不必通过 使用该过高的电压 来实现保护带。 那么，我们现在通过 使用 Impedance Track 监测计 而不是仅使用具有固定关闭 电压的监测计将运行时间增加了 58%。 我们要处理的 下一个变量是温度。 该因素的影响甚至 比旧电池更大。 那么，我们返回到 新电池，但温度很低， 只有零度。 我们仍希望监测计在 我们达到 3 伏之前剩余 10 毫安时的时候通知我们。 在这里，对于该低温电池， 我们几乎获得了 120 分钟的 运行时间。 但您可以看到，对于 电池而言，低温比变旧 糟糕得多。 那么，如果您要 在 3.5 伏关闭， 那么您只能获得 53 分钟的运行时间。 如果这是您的 负载分布，那么 您也会在突然 达到该值时感到 吃惊。 那么，如果您允许您的 监测计及早向您发出 警告并实现低得多的 终止电压，那么差异会很大。 那么，让我们将这两者综合 在一起，看看极端的情况。 我们具有一个处于零 摄氏度的旧电池，并使用 相同的负载分布。 旧电池具有 更高的内部阻抗。 低温电池具有 更高的内部阻抗。 您将这两者综合 在一起，可以看到 即使在第一次 深度放电时，您 也会达到 3.5 伏的 终止电压，获得 21 分钟的运行时间， 而在电池是新电池 并且处于室温条件下时 该方法可以为您提供 120 分钟的运行时间。 使用 Impedance Track， 一直降至 3 伏 并在剩余 10 毫安时的时候 及早发出警告，它将在 3.061 伏时向您发出警告。 您知道，您仍具有 10 毫安时的电量 来完成您的关闭任务， 因此您的总运行时间 是 82 分钟。 这没有新的或处于 室温下的电池那么好， 但并不差。 这非常接近于处于 室温下的新电池情形。 对于该负载分布， 它提供的运行时间 绝对几乎是您 仅具有固定关闭 电压时的 3 倍。 那么，当我们说 Impedance Track 和精确 电量监测计可以使用 相同的电池为您的系统提供 更长的运行时间时， 就是这个意思。 我们将在 这里回顾 一下部分优点， 然后结束该部分。 它具有动态 学习功能。 它是唯一 可以随着 您的电池老化 进行学习的算法。 它还是唯一 可以在温度 变化时考虑 电池阻抗的 预测性算法。 它还具有我们 未在这里介绍的 其他一些功能， 例如用于预测 电池自热的 散热建模。 它具有用于预测 电池的瞬态电压 响应的瞬态建模。 嗯，您可能还一直 在想，我在前一个 示例中仍需要 一些保护带， 因为我具有 非常尖的负载。 我们展示了非常稳定的负载。 我们具有 非常稳定的 轻负载，然后具有 非常稳定的重负载。 但是，即使您的 负载具有非常尖的 电流和电压 周期，监测计也会 学习这些尖峰并且 还会及早向您发出警告， 以便这些尖峰 不会因为降至 您的终止电压 以下而突然关闭 您的系统。 那么，再说一次，即使 您的系统具有非常尖的 负载分布，您仍 可以信任监测计。 针对正在老化的电池使用 Impedance Track 没有任何问题。 可以通过在 电池老化时 学习 Qmax 和电阻来 调节可用的容量。 它将增加您的 运行时间，因为 您可以使用更低的 终止电压，原因是 您可以信任监测计。 您可以信任它会 学习您的电池。 您可以信任 它会学习您的 系统负载分布并且 它会作出精确的预测。 它可以为您提供 最大的灵活性。 您可以在我们的 监测计中更新电池 化学成分，以匹配您的 特定电池并适合您的 系统特性。 因此，我们的监测计的 非易失性存储器中 有许多可以修改的 地方，以便非常灵活地 处理任何种类的情况、 任何种类的电池、任何 种类的系统。 它使您的主机 无需尝试执行 所有这些具有 内在不精确性 且花费处理 时间和功耗的 复杂计算或 监测算法， 这意味着 您的应用 处理器需要持续运行 以执行所有这些算法。 您可以让低功耗 电量监测计来处理 所有这一切，并在 必要时向系统中的 应用处理器发出警告。 让我们来看看 其他一些有关 当您在电池中保留 一些电量时的影响的 您注意事项，例如 由于您使用了过高的 终止电压。 只需在这里挑选 一些典型的数字， 对于您需要的 每个大 100 毫安时的 电池，您将支付 大约 0.15 美元。 因此，如果您可以 降低您的终止电压， 那么您将有效地 免费获得更大的 电池容量。 因此，如果您可以 将您的终止电压 降低 500 毫伏， 从 3.5 伏降至 3 伏， 那么您的电池容量 将增加大约 5%。 如果您要购买一个 1,500 毫安时的电池， 而不需要购买更大的 电池，那么这将为您 节省 0.10 美元。 对于已老化的电池， 节省的费用会更多。 如果您要尝试涵盖 已老化的电池的最坏 情况，并且您希望 购买比实际所需 更大的电池来处理 您的高终止电压， 那么您可能需要花费 额外的 1 美元才能获得 该足够大的电池。 因此，这可以为您节省在您的 新系统上花费的金钱。 这样，无需更大、 更笨重且更昂贵的 电池即可增加 最终用户的运行 时间。 如果您具有 不精确的监测计， 那么还会在其他方面产生 成本，而不仅是电池容量。 但是，如果您的用户 分布与这里的类似， 大约每天循环一次， 那么在 90 天之后， 您可以想象在 三个月中电池 阻抗几乎已经加倍，这样 用户就得到一个老化的电池。 如果您不使用 基于 Impedance Track、 可以跟踪电池 阻抗的监测计， 这意味着监测计每天 都会变得越来越不精确， 因此用户显然 会获得更短的 运行时间。 如果监测计 仍基于它是 新电池的假设 来作出预测， 那么您将在电池 电量耗尽时遭遇 系统崩溃。 因此，如果您的 系统具有一两年的 担保期，而用户 在这种情况下 使用它并遭遇 系统崩溃，那么 他们可能会由于 错误的监测结果 而将整个装置退货。 很显然，担保 退货会给公司 带来资金损失。 因此，Impedance Track 监测可以增加您的 运行时间，同时即使 在电池老化时也能 保持精度，以避免 担保退货并使用户 开心地使用系统。 我们有关单节电池电量监测 101 的介绍到此就结束了， 那么我们可以进行 如下总结：适用于 您的系统的精确监测计 与提高系统效率同样 重要，或者说与 采用更大的电池 同样重要。 在后续视频中， 我们将讨论 TI 提供的一些 不同的监测计， 以及一些 不同的折衷。 我们讨论了 电池组侧 与系统侧，然后 我们将在后续 视频中讨论各种 其他功能和其他变量。