【導(dǎo)讀】在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電池的性能表現(xiàn)直接影響用戶體驗(yàn)。然而，不同類(lèi)型的負(fù)載對(duì)電池提出了不同的要求。其中，動(dòng)態(tài)負(fù)載因其不可預(yù)測(cè)的特性，成為電池管理系統(tǒng)中的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。那么，什么是動(dòng)態(tài)負(fù)載？它為何如此重要？

根據(jù)德州儀器的分類(lèi)，負(fù)載曲線主要分為三種：

恒流負(fù)載

恒流負(fù)載是指電池持續(xù)輸出恒定電流。例如，在圖1所示的曲線中，電池始終以600mA的電流放電。這種負(fù)載模式簡(jiǎn)單且易于管理，常見(jiàn)于一些基礎(chǔ)電子設(shè)備中。

圖 1. 恒流放電負(fù)載曲線

可變功率放電

可變功率放電模式下，系統(tǒng)可以在多種功耗狀態(tài)之間切換。例如，圖2展示了一個(gè)系統(tǒng)在性能模式、工作模式和待機(jī)模式之間循環(huán)切換，直至電池耗盡。這種負(fù)載模式對(duì)電池管理的要求更高，但仍具有一定的規(guī)律性。

圖 2. 可變功率模式負(fù)載曲線

動(dòng)態(tài)負(fù)載

動(dòng)態(tài)負(fù)載的特點(diǎn)是電流消耗在最小值和最大值之間任意波動(dòng)，且持續(xù)時(shí)間和變化模式不可預(yù)測(cè)。如圖3所示，動(dòng)態(tài)負(fù)載常見(jiàn)于用戶行為直接決定功耗的設(shè)備中，例如電動(dòng)自行車(chē)、無(wú)人機(jī)等。

圖 3. 動(dòng)態(tài)負(fù)載曲線

動(dòng)態(tài)負(fù)載的挑戰(zhàn)與電池電量監(jiān)測(cè)

電池電量監(jiān)測(cè)計(jì)的核心任務(wù)是實(shí)時(shí)計(jì)算電池的荷電狀態(tài)、健康狀態(tài)和剩余容量。傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)技術(shù)如Impededance Track?假設(shè)負(fù)載變化緩慢，通過(guò)低頻RC電池模型（圖4）估算電池電阻。然而，在動(dòng)態(tài)負(fù)載場(chǎng)景下，這種模型難以準(zhǔn)確捕捉電池的實(shí)時(shí)狀態(tài)。

圖 4. 低頻 RC 電池模型

例如，當(dāng)電動(dòng)自行車(chē)頻繁加速、減速或爬坡時(shí)，電池電流會(huì)劇烈波動(dòng)（圖7）。傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)技術(shù)可能因無(wú)法及時(shí)更新電阻數(shù)據(jù)，導(dǎo)致荷電狀態(tài)估算誤差高達(dá)60%。用戶可能會(huì)在顯示剩余15%電量時(shí)突然遭遇設(shè)備斷電，如圖6所示。

圖 5 . 電動(dòng)自行車(chē)的實(shí)際負(fù)載曲線

圖 6 . 剩余容量估算比較：Impedance Track 技術(shù)和 Dynamic Z-Stack 技術(shù)與在 1.75C 負(fù)載下的無(wú)電阻更新對(duì)比

動(dòng)態(tài)負(fù)載下的解決方案：Dynamic Z-Track算法

為了解決動(dòng)態(tài)負(fù)載帶來(lái)的挑戰(zhàn)，德州儀器推出了Dynamic Z-Track算法。該算法通過(guò)寬帶瞬態(tài)模型模擬電壓瞬變，能夠適應(yīng)高頻、不穩(wěn)定的電流變化。即使負(fù)載劇烈波動(dòng)，它也能實(shí)時(shí)估算電池電阻，確保荷電狀態(tài)的精度保持在99%以上。電阻的準(zhǔn)確跟蹤對(duì)電池壽命管理至關(guān)重要。如圖7所示，電池電阻隨使用時(shí)間和溫度變化而顯著改變。如果監(jiān)測(cè)計(jì)未能及時(shí)更新電阻數(shù)據(jù)，荷電狀態(tài)的誤差會(huì)隨電池老化而放大。

圖 7 . 鋰離子電池電芯的電阻隨時(shí)間出現(xiàn)的變化

實(shí)際應(yīng)用與用戶體驗(yàn)

以電動(dòng)自行車(chē)為例，用戶可能在途中查看電量顯示為30%，決定繞道去商店。然而，若電池管理系統(tǒng)未能應(yīng)對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)載，用戶可能在使用中遭遇電量從12%驟降至0%的尷尬情況（圖8）。這不僅影響用戶體驗(yàn)，還可能引發(fā)安全問(wèn)題。通過(guò)Dynamic Z-Track技術(shù)，制造商能夠在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療設(shè)備等高要求應(yīng)用中優(yōu)化電池尺寸，并將續(xù)航時(shí)間延長(zhǎng)多達(dá)30%。用戶最終獲得的是更可靠、更持久的電池性能。

圖 8 . 電動(dòng)自行車(chē)實(shí)際負(fù)載曲線的電阻估算和精度

動(dòng)態(tài)負(fù)載的不可預(yù)測(cè)性對(duì)電池管理提出了更高要求。傳統(tǒng)技術(shù)在此場(chǎng)景下表現(xiàn)乏力，而新一代算法如Dynamic Z-Track通過(guò)實(shí)時(shí)電阻估算和自適應(yīng)模型，顯著提升了電量監(jiān)測(cè)的精度。對(duì)于消費(fèi)者而言，這意味著更少的意外關(guān)機(jī)和更長(zhǎng)的設(shè)備使用時(shí)間。未來(lái)，隨著動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用的普及，電池管理技術(shù)的進(jìn)步將繼續(xù)推動(dòng)電子設(shè)備性能的邊界。

動(dòng)態(tài)負(fù)載的不可預(yù)測(cè)性對(duì)電池管理提出了更高要求。傳統(tǒng)技術(shù)在此場(chǎng)景下表現(xiàn)乏力，而新一代算法如Dynamic Z-Track通過(guò)實(shí)時(shí)電阻估算和自適應(yīng)模型，顯著提升了電量監(jiān)測(cè)的精度。對(duì)于消費(fèi)者而言，這意味著更少的意外關(guān)機(jī)和更長(zhǎng)的設(shè)備使用時(shí)間。未來(lái)，隨著動(dòng)態(tài)負(fù)載應(yīng)用的普及，電池管理技術(shù)的進(jìn)步將繼續(xù)推動(dòng)電子設(shè)備性能的邊界。