TI 推出新一代電量計(jì)芯片，全新自研技術(shù)有效應(yīng)對高倍率充放電

前言

當(dāng)前多種電子設(shè)備技術(shù)的增加，導(dǎo)致電池供電設(shè)備負(fù)載變得異常復(fù)雜，特別是在筆記本、醫(yī)療設(shè)備、無人機(jī)等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域產(chǎn)品例如筆記本在開啟高性能模式、無人機(jī)加速爬升等情況時(shí)，都會(huì)出現(xiàn)負(fù)載驟變，引起端電壓的大幅波動(dòng)，這都對電量估算提出了更高要求。

而傳統(tǒng)電量計(jì)芯片往往依賴穩(wěn)態(tài)電壓或低頻阻抗估測，在面對上述動(dòng)態(tài)工況時(shí)容易被瞬態(tài)壓降誤導(dǎo)，導(dǎo)致剩余電量與剩余時(shí)間的估算出現(xiàn)明顯偏差，從而引發(fā)提前關(guān)機(jī)或續(xù)航顯示不準(zhǔn)等問題。在醫(yī)療、工業(yè)或航拍等對可靠性和安全性要求高的領(lǐng)域，這類誤判不僅會(huì)影響用戶體驗(yàn)，更可能帶來安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失。

TI德州儀器近期針對這些問題，推出了新一代電池管理方案BQ41Z90和BQ41Z50，采用自研Dynamic Z-Track(IT-DZT) 算法，可有效解決高頻、脈沖負(fù)載、電池老化下的電量預(yù)測難題。

Dynamic Z-Track(IT-DZT) 算法

在介紹 TI 德州儀器新一代電池管理方案 BQ41Z90 和 BQ41Z50 這兩款產(chǎn)品之前，先來了解一下其特有的核心算法，即 Dynamic Z-Track(IT-DZT) 算法。

傳統(tǒng)的電量算法只看電池在安靜或慢變化時(shí)的電壓來判斷剩多少電，這在電流突然增大或減小時(shí)，比如無人機(jī)猛加油門、吸塵器瞬間高耗電，會(huì)被“騙”，即電壓短時(shí)間內(nèi)會(huì)掉下來，但不是電量少了，而是內(nèi)部有阻力把電壓拉低了。

Dynamic Z-Track就是多看了這段瞬間的變化，該算法將電池想成帶有內(nèi)部阻力和彈性的電路，能預(yù)測和分辨出哪部分電壓下降是電流變動(dòng)造成的瞬態(tài)變換，哪部分是真正的電量減少。這樣在出現(xiàn)大電流脈沖時(shí)，它不會(huì)把瞬時(shí)壓降誤當(dāng)成電量損失，而會(huì)實(shí)時(shí)校正剩余電量的估算。

而在電池循環(huán)與老化的過程中，Dynamic Z-Track算法會(huì)自適應(yīng)更新內(nèi)阻曲線和容量參數(shù)，從而抑制因壽命衰退而導(dǎo)致的剩余電量顯示誤差。這樣一來，在脈沖放電、快充/放切換或高倍率工況下，設(shè)備對“還能用多久”和“是否會(huì)突然關(guān)機(jī)”的預(yù)測就更加精準(zhǔn)，長期顯示也更穩(wěn)定，整機(jī)可靠性也隨之提高。

TI 德州儀器高度集成電量計(jì)

這次德州儀器推出的行業(yè)高度集成電量計(jì)共有兩款產(chǎn)品，分別是 BQ41Z90 與 BQ41Z50 兩款產(chǎn)品，均采用了自研的 Dynamic Z-Track（IT-DZT）算法，并在測量前端與系統(tǒng)集成上做了相應(yīng)強(qiáng)化。

其中 BQ41Z90 面向更高電壓與更大串?dāng)?shù)的電池包，集成了高精度的庫侖計(jì)與更高分辨率的采樣通道，同時(shí)把旁路均衡能力提升到更大電流等級以應(yīng)對容量不均與快速均衡需求。

而 BQ41Z50 采用更小的封裝，面向 2–4 節(jié)串聯(lián)電池應(yīng)用，在低功耗與集成度上進(jìn)行了優(yōu)化以滿足輕薄便攜型產(chǎn)品。

接下來也將詳細(xì)介紹一下這兩款芯片，讓各位有個(gè)更加深入的了解。

TI BQ41Z50

BQ41Z50 是德州儀器為輕薄便攜與中小容量電池包設(shè)計(jì)的一顆高度集成電量計(jì)芯片，該芯片把測量前端、能量計(jì)量與在線阻抗跟蹤算法有效結(jié)合，旨在在高動(dòng)態(tài)負(fù)載場景下給出更穩(wěn)定可靠的剩余電量和健康度判斷。

BQ41Z50支持2-4 節(jié)串聯(lián)鋰離子/鋰聚合物/LFP電池，最高耐壓可達(dá) 40 V，內(nèi)置雙 16-bit的 Δ-Σ ADC 與集成庫侖計(jì)，可以以更低的噪聲與更高的分辨率同步采集電壓與電流信號，從而為算法提供更干凈、更精確的原始數(shù)據(jù)來源。同時(shí)該芯片的典型工作電流處于數(shù)百微安級，休眠與關(guān)斷態(tài)下的待機(jī)電流分別被控制到極低水平，有助于延長待機(jī)類產(chǎn)品的整機(jī)續(xù)航。

BQ41Z50 集成了Dynamic Z-Track（IT-DZT）算法能在電流突變、脈沖負(fù)載或快充/放切換等復(fù)雜工況下快速區(qū)分“瞬時(shí)被拉低的電壓”與“真正的電量損耗”，從而有效降低因瞬態(tài)壓降導(dǎo)致的剩余電量估算偏差與意外關(guān)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。配合25 mA片內(nèi)旁路均衡與完善的保護(hù)邏輯，BQ41Z50不僅能在短期內(nèi)保證電壓一致性，也能通過長期的在線阻抗追蹤來抑制因電池衰老帶來的估算漂移，提升整機(jī)長期可靠性。

BQ41Z50 采用 RSN32 封裝，集成了 OV/UV、OC、SCD、OT 等多重保護(hù)機(jī)制，并提供電芯旁路均衡與 JEITA 等溫度/充電管理策略支持，利于在快充與大電流脈沖場景下維持電芯一致性與壽命管理。同時(shí) TI德州儀器也提供了相關(guān)的參考設(shè)計(jì)、布局建議與通信接口等參數(shù)，支持 SMBus v3.2，通信速率最高可達(dá) 1 MHz，便于與現(xiàn)有 BMS、主控 MCU 及上位系統(tǒng)對接。

TI BQ41Z90

BQ41Z90 是一款面向中大容量電池包與復(fù)雜拓?fù)涞母叨燃呻姵匕芾砥鳎瑢樾柚С?3–16 串、包電壓可達(dá)約 80V 的系統(tǒng)而設(shè)計(jì)。

與面向輕薄便攜的 BQ41Z50 不同，BQ41Z90 在測量精度、均衡能力、功率與安全機(jī)制上做了全面放大，采用PVP64封裝，適配 BBU、輕型電動(dòng)車（LEV）、動(dòng)力工具、大功率無人機(jī)與工業(yè)/醫(yī)療便攜電源等更嚴(yán)苛的應(yīng)用場景，并集成了完整的電芯監(jiān)測通道與系統(tǒng)級驅(qū)動(dòng)/保護(hù)，可減少外部器件數(shù)目、縮短設(shè)計(jì)周期并提高系統(tǒng)可靠性。

在測量和庫侖計(jì)精度上，BQ41Z90使用了 18-bit 集成 Δ-Σ 庫侖計(jì)，可帶來更好的電量累積精度與噪聲余量，為 Dynamic Z-Track 提供更加干凈的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，有效降低因負(fù)載驟變引發(fā)的剩余電量估算誤差與意外關(guān)機(jī)風(fēng)險(xiǎn)。

BQ41Z90 提供高達(dá)每節(jié) 50 mA 的片內(nèi)旁路均衡能力，并集成高側(cè) NMOS 驅(qū)動(dòng)、電荷泵與預(yù)充/預(yù)放控制邏輯，支持復(fù)雜并聯(lián)包與獨(dú)立充電器的系統(tǒng)拓?fù)洹Ｍㄐ派现С指邘挼?SMBus/I2C，同時(shí)內(nèi)置豐富的診斷、日志與壽命記錄功能，便于線上運(yùn)維與預(yù)測性維護(hù)。

BQ41Z50 與 BQ41Z90 均提供面向安全應(yīng)用的可選認(rèn)證與保護(hù)機(jī)制，即支持 ECC、SHA-1、SHA-2 等加密/認(rèn)證功能，以增強(qiáng)固件與數(shù)據(jù)的完整性與防篡改能力，可滿足對防偽、遠(yuǎn)程診斷與保修追溯有較高要求的產(chǎn)品。結(jié)合 TI 德州儀器為該產(chǎn)品提供的參考設(shè)計(jì)、評估板與固件配置工具，整機(jī)廠可以在較短開發(fā)周期內(nèi)完成器件上板、算法驗(yàn)證與系統(tǒng)適配，從而把“高動(dòng)態(tài)場景下的可信電量顯示”快速帶入量產(chǎn)產(chǎn)品。

用戶關(guān)注點(diǎn)

在用戶最關(guān)心的幾個(gè)維度上，這一代器件也做出了對應(yīng)的響應(yīng)。關(guān)于“負(fù)載驟變時(shí)能否準(zhǔn)確預(yù)測關(guān)機(jī)時(shí)間”，Dynamic Z-Track(IT-DZT) 結(jié)合低噪聲、高速采樣與實(shí)時(shí)阻抗追蹤，能夠更快地區(qū)分瞬態(tài)壓降與真實(shí)可用容量，從而有效降低錯(cuò)誤觸發(fā)保護(hù)的概率；

在安全性方面，產(chǎn)品均支持基于證書的閃存保護(hù)、ECC/SHA 等身份與加密機(jī)制，提升防偽與防篡改能力。

在工程對接層面，TI 為同類產(chǎn)品通常配套參考設(shè)計(jì)、評估板與固件配置工具，使得與現(xiàn)有 BMS、主控和通信總線（如 SMBus/I2C）兼容的整合工作更為順暢。

針對不同行業(yè)的合規(guī)需求，BQ41Z90 與 BQ41Z50 在設(shè)計(jì)上分別體現(xiàn)了面向高壓/工業(yè)場景與面向消費(fèi)便攜場景的適配策略，但最終投產(chǎn)與認(rèn)證適配仍需要廠商提供相應(yīng)的測試報(bào)告與認(rèn)證資料以供驗(yàn)證。

充電頭網(wǎng)總結(jié)

TI 德州儀器推出的 BQ41Z90 和 BQ41Z50 電池管理芯片，搭配自研 Dynamic Z-Track(IT-DZT) 算法，有效應(yīng)對了高動(dòng)態(tài)負(fù)載工況下電池電量估算的長期難題。該算法通過實(shí)時(shí)區(qū)分瞬態(tài)電壓跌落與真實(shí)容量損耗，有效提升了脈沖放電、快充快放及電池老化等復(fù)雜場景下的電量預(yù)測精度。同時(shí)兩款產(chǎn)品在不同應(yīng)用場景中實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)適配，BQ41Z50專注于輕薄便攜設(shè)備，在低功耗與高集成度方面實(shí)現(xiàn)優(yōu)化；BQ41Z90則面向高壓、多串電池組，提供更強(qiáng)的均衡能力與系統(tǒng)級保護(hù)功能，可滿足工業(yè)、醫(yī)療和高端消費(fèi)電子對可靠性及安全性的需求。

當(dāng)前電池應(yīng)用場景的正不斷擴(kuò)展，同時(shí)終端設(shè)備功耗動(dòng)態(tài)范圍也在進(jìn)一步加大，未來電池管理技術(shù)必將更加注重瞬態(tài)負(fù)載響應(yīng)速度、系統(tǒng)安全認(rèn)證機(jī)制以及基于人工智能的自適應(yīng)學(xué)習(xí)能力。面對這一趨勢，建議設(shè)計(jì)師在芯片選型階段優(yōu)先考量具備先進(jìn)動(dòng)態(tài)阻抗跟蹤算法的電量計(jì)方案，以此顯著提升設(shè)備在復(fù)雜工況下的運(yùn)行可靠性、安全性及續(xù)航預(yù)測準(zhǔn)確性，進(jìn)而增強(qiáng)終端產(chǎn)品的整體市場競爭力與用戶體驗(yàn)。