배터리 게이지의 기능

배터리 게이지는 전류 및 전압 측정을 사용하여 충전 상태, 성능 상태 및 남은 용량과 같은 필수 매개 변수를 계산합니다. 기존의 Impedance Track™ 기술 기반 배터리 게이지는 배터리 부하가 느리게 변화한다고 가정합니다. 이는 배터리가 방전되는 동안 정확하게 저항을 측정하여 고정밀의 실시간 충전 상태 추정값을 계산하는 방식입니다. 그림 1에 표시된 것처럼 배터리를 저주파 RC(저항 커패시터) 모델로 모델링하는 것은 이러한 천천히 변화하는 배터리 부하에 충분합니다. 그러나 가변 또는 고주파 부하 전류가 흐르는 최신 애플리케이션은 정확한 충전 상태 추정을 유지하기 위해 더 포괄적인 모델과 적응형 알고리즘이 필요합니다.

그림 1 저주파 RC 배터리 모델

Dynamic Z-Track 알고리즘은 BQ41Z90 및 BQ41Z50와 같은 장치를 위해 설계된 배터리 게이징 방법입니다. 기존 Impedance Track 알고리즘의 후속 기술로서, BQ40Z50 및 BQ34Z100과 같은 장치에서 작동하는 Dynamic Z-Track 알고리즘은 동적 부하 전류 조건에서 충전 상태, 성능 상태 및 남은 용량을 정확하게 추정하도록 해 줍니다.

비정상적이거나 고주파 부하가 배터리에 가해지면, Impedance Track 게이지의 기존 RC 모델은 배터리 저항을 정확하게 갱신하기 어려워집니다. 이에 반해 Dynamic Z-Track 알고리즘은 전압 과도를 시뮬레이션하고 동적 전류 프로필에 맞게 조정하는 광대역 과도 모델을 구현합니다. 이 접근 방식을 사용하면 전류가 안정적이지 않은 경우에도 실시간 저항 추정측이 가능합니다.

저항이 중요한 이유

저항 추적은 배터리의 전체 수명 기간 동안 가장 높은 정확도의 충전 상태를 계산하는 데 필수적입니다. 그림 2에 표시된 것처럼 배터리 셀의 저항은 배터리의 사이클 및 노후화에 따라 선형적으로 증가하며, 특정 전환점에 도달하면 수명이 다할 때까지 저항이 기하급수적으로 증가합니다. 저항도 온도에 따라 크게 변동합니다. 배터리 셀 저항과 온도는 온도가 낮을수록 저항이 커지는 반비례 관계를 가지므로 0% 충전 상태에 도달하기 전까지 배터리 셀이 제공할 수 있는 용량 또는 에너지가 낮아집니다.

그림 2 시간에 따른 리튬 이온 배터리 셀의 저항 변화

배터리 게이지가 저항을 업데이트할 수 없는 경우 충전 상태 계산 오류는 배터리 노후화에 비례하여 증가합니다. 충전 상태 및 남은 용량 추정과 관련된 이 오류로 인해 추정할 수 없고 비정상적인 부하에서 저항 업데이트 없이는 정확도가 최대 60% 또는 최저 10%에 달할 수 있습니다. 그림 3에 표시된 것처럼 충전 상태가 갑자기 감소하면서 최종 사용자가 이러한 문제를 경험할 수 있으며 용량이 과대평가되어 장치가 예기치 않게 종료될 수도 있습니다.

그림 3 남은 용량 추정 비교: 1.75C 부하에서의 Impedance Track 기술 및 Dynamic Z-Track 기술 대 저항 업데이트 미적용 예

사용 사례의 예

한 사람이 전기 자전거를 타고 집으로 가고 있다고 가정합니다. 남은 충전 상태가 30%인 것을 확인하고 집에 가기 전에 식료품 가게에 들르기로 결정합니다. 가게에 도착했을 때 충전 상태는 15%였지만, 집에 돌아오는 중 충전 상태가 12%에서 0%로 떨어져 전기 자전거의 작동이 갑자기 멈췄습니다. 이제 자전거 운전자는 페달을 직접 돌려 집까지 가거나 택시를 불러야 합니다.

Dynamic Z-Track 알고리즘은 이러한 상황을 방지합니다. 기존 배터리 게이지와 달리 TI의 Dynamic Z-Track 기술은 추정할 수 없는 부하에서도 최대 99%의 충전 상태 정확도를 제공하여 제조업체에서 배터리 크기를 최적화하고 배터리 작동 시간을 최대 30%까지 확장할 수 있도록 지원합니다. 이를 통해 궁극적으로 최종 사용자에게 드론, 전기 자전거, 노트북 및 휴대용 의료 기기와 같은 까다로운 애플리케이션에서 더 신뢰할 수 있는 성능을 제공할 수 있습니다.

결론

추정하기 어려운 배터리 부하로 인해 까다로운 설계 과제가 주어지지만, 시스템 신뢰성의 한계나 최종 사용자 경험을 반드시 좌우하는 것은 아닙니다. Dynamic Z-Track 알고리즘과 같은 툴을 사용하면 배터리 전원 장치가 간단하게 작동하는 설계를 구현할 수 있습니다. 바로 드론이 예상치 못한 추락 없이 비행을 완료하고 전기 자전거가 작동 중단 없이 탑승자를 집까지 데려다 주는 미래입니다.

추가 리소스

Impedance Track 기술 및 Dynamic Z-Track 기술의 작동 방식에 대한 자세한 내용은 다음 애플리케이션 노트를 참조하세요.

• Dynamic Z-Track™ 기술: 동적 부하 애플리케이션을 위한 고급 배터리 게이징 알고리즘.
• BQ2750x 제품군의 Impedance Track 배터리 연료 게이징 알고리즘 이론 및 구현.

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