隨著工業(yè)和個(gè)人電子產(chǎn)品采用更先進(jìn)的技術(shù)，它們會(huì)給電池帶來(lái)越來(lái)越難以預(yù)測(cè)的負(fù)載，因此需要更可靠、更智能的電池電量計(jì)。無(wú)論是在新興的人工智能 (AI) 增強(qiáng)型設(shè)備中，還是在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)工具和機(jī)器人等成熟系統(tǒng)中，電池都會(huì)經(jīng)歷高度動(dòng)態(tài)的負(fù)載曲線(xiàn)。這些不可預(yù)測(cè)的負(fù)載給依賴(lài)精確測(cè)量來(lái)安全關(guān)閉系統(tǒng)或防止意外斷電的設(shè)計(jì)人員帶來(lái)了挑戰(zhàn)。雖然無(wú)繩電鉆的意外關(guān)機(jī)可能只會(huì)讓用戶(hù)感到不爽，但無(wú)人機(jī)從空中墜落卻會(huì)帶來(lái)嚴(yán)重的安全風(fēng)險(xiǎn)。
電池電量計(jì)的作用是什么？
電池電量計(jì)使用電流和電壓測(cè)量來(lái)計(jì)算基本參數(shù)，例如充電狀態(tài)、健康狀態(tài)和剩余容量。傳統(tǒng)的基于 Impedance Track技術(shù)的電池電量計(jì)假設(shè)電池負(fù)載變化緩慢，這使得能夠在電池放電時(shí)進(jìn)行精確的電阻測(cè)量，從而計(jì)算出高精度的實(shí)時(shí)充電狀態(tài)預(yù)測(cè)。如圖 1 所示，將電池建模為低頻電阻-電容 (RC) 模型足以應(yīng)對(duì)這些緩慢變化的電池負(fù)載。然而，對(duì)于負(fù)載電流可變或高頻的新型應(yīng)用，需要更全面的模型和自適應(yīng)算法來(lái)保持準(zhǔn)確的充電狀態(tài)估算。
低頻 RC 電池
動(dòng)態(tài) Z-Track 算法是一種專(zhuān)為 BQ41Z90 和 BQ41Z50 等器件設(shè)計(jì)的電池計(jì)量方法。作為傳統(tǒng)阻抗跟蹤算法（在 BQ40Z50 和 BQ34Z100 等器件中運(yùn)行）的繼承者，動(dòng)態(tài) Z-Track 算法可在動(dòng)態(tài)負(fù)載電流條件下提供準(zhǔn)確的電池充電狀態(tài)、健康狀態(tài)和剩余容量估算。
當(dāng)不穩(wěn)定或高頻負(fù)載影響電池時(shí)，阻抗跟蹤測(cè)量?jī)x對(duì)電池的傳統(tǒng) RC 建模將無(wú)法更新電池電阻。動(dòng)態(tài) Z-Track 算法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)寬帶瞬態(tài)模型，該模型可以模擬電壓瞬態(tài)并適應(yīng)動(dòng)態(tài)電流曲線(xiàn)。即使電流不穩(wěn)定，這種方法也能實(shí)時(shí)估算電阻。
為什么電阻如此重要？
跟蹤電阻對(duì)于在電池的整個(gè)使用壽命期間提供最高精度的荷電狀態(tài)計(jì)算至關(guān)重要。如圖 2 所示，電池單元的電阻會(huì)隨著電池的循環(huán)和老化而線(xiàn)性增加，直到達(dá)到某個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)，在此轉(zhuǎn)折點(diǎn)處，電阻會(huì)呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，直至電池壽命結(jié)束。電阻也會(huì)隨溫度而發(fā)生顯著波動(dòng)。電池單元的電阻與溫度呈反比關(guān)系，溫度越低，電阻越高；因此，電池單元在達(dá)到 0% 荷電狀態(tài)之前所能提供的容量或能量就越低。
鋰離子電池單元的電阻隨時(shí)間的變化
當(dāng)電池電量計(jì)無(wú)法更新電阻時(shí)，計(jì)算出的荷電狀態(tài)誤差會(huì)隨著電池老化而成比例增長(zhǎng)。在不可預(yù)測(cè)且不穩(wěn)定的負(fù)載下，如果不進(jìn)行電阻更新，充電狀態(tài)和剩余容量估算的誤差最高可達(dá) 60%，最低可達(dá) 10%。最終用戶(hù)會(huì)遇到這種情況，因?yàn)槌潆姞顟B(tài)會(huì)突然下降，設(shè)備可能會(huì)因容量估計(jì)過(guò)高而意外關(guān)機(jī)，如圖 3 所示。
剩余容量估算比較：Impedance Track 技術(shù)、動(dòng)態(tài) Z-Track 技術(shù)與無(wú)電阻更新（1.75C 負(fù)載）
一個(gè)例子
假設(shè)一個(gè)人騎著電動(dòng)自行車(chē)回家。他查看了充電狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)剩余 30%，于是決定回家前繞道去趟雜貨店。當(dāng)他們到達(dá)商店時(shí)，電量顯示剩余 15%，但在回家的路上，電動(dòng)自行車(chē)突然停止供電，因?yàn)殡娏繌?12% 降至 0%�，F(xiàn)在，騎車(chē)人要么騎車(chē)回家，要么叫車(chē)。
動(dòng)態(tài) Z-Track 算法可以避免這種情況。與傳統(tǒng)的電池電量計(jì)不同，TI 的動(dòng)態(tài) Z-Track 技術(shù)即使在不可預(yù)測(cè)的負(fù)載下也能提供高達(dá) 99% 的電量狀態(tài)精度，使制造商能夠優(yōu)化電池尺寸并將電池運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)多達(dá) 30%。這最終為最終用戶(hù)在無(wú)人機(jī)、電動(dòng)自行車(chē)、筆記本電腦和便攜式醫(yī)療儀器等高要求應(yīng)用中提供更可靠的性能。
總結(jié)
雖然不可預(yù)測(cè)的負(fù)載電池負(fù)載雖然是重大的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，但它們并不一定限制系統(tǒng)的可靠性或最終用戶(hù)體驗(yàn)。動(dòng)態(tài) Z-Track 算法等工具有助于實(shí)現(xiàn)電池供電設(shè)備輕松運(yùn)行的設(shè)計(jì)——未來(lái)無(wú)人機(jī)可以順利完成飛行，不會(huì)意外降落，電動(dòng)自行車(chē)也能安全送用戶(hù)回家。 |
