隨著工業(yè)和個人電子產(chǎn)品采用更先進(jìn)的技術(shù)，它們會給電池帶來越來越難以預(yù)測的負(fù)載，因此需要更可靠、更智能的電池電量計。無論是在新興的人工智能 (AI) 增強(qiáng)型設(shè)備中，還是在無人機(jī)、電動工具和機(jī)器人等成熟系統(tǒng)中，電池都會經(jīng)歷高度動態(tài)的負(fù)載曲線。這些不可預(yù)測的負(fù)載給依賴精確測量來安全關(guān)閉系統(tǒng)或防止意外斷電的設(shè)計人員帶來了挑戰(zhàn)。雖然無繩電鉆的意外關(guān)機(jī)可能只會讓用戶感到不爽，但無人機(jī)從空中墜落卻會帶來嚴(yán)重的安全風(fēng)險。
電池電量計的作用是什么？
電池電量計使用電流和電壓測量來計算基本參數(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)的電池電量計假設(shè)電池負(fù)載變化緩慢，這使得能夠在電池放電時進(jìn)行精確的電阻測量，從而計算出高精度的實時充電狀態(tài)預(yù)測。如圖 1 所示，將電池建模為低頻電阻-電容 (RC) 模型足以應(yīng)對這些緩慢變化的電池負(fù)載。然而，對于負(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)算法來保持準(zhǔn)確的充電狀態(tài)估算。
低頻 RC 電池
動態(tài) Z-Track 算法是一種專為 BQ41Z90 和 BQ41Z50 等器件設(shè)計的電池計量方法。作為傳統(tǒng)阻抗跟蹤算法（在 BQ40Z50 和 BQ34Z100 等器件中運行）的繼承者，動態(tài) Z-Track 算法可在動態(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，阻抗跟蹤測量儀對電池的傳統(tǒng) RC 建模將無法更新電池電阻。動態(tài) Z-Track 算法實現(xiàn)了一個寬帶瞬態(tài)模型，該模型可以模擬電壓瞬態(tài)并適應(yīng)動態(tài)電流曲線。即使電流不穩(wěn)定，這種方法也能實時估算電阻。
為什么電阻如此重要？
跟蹤電阻對于在電池的整個使用壽命期間提供最高精度的荷電狀態(tài)計算至關(guān)重要。如圖 2 所示，電池單元的電阻會隨著電池的循環(huán)和老化而線性增加，直到達(dá)到某個轉(zhuǎn)折點，在此轉(zhuǎn)折點處，電阻會呈指數(shù)級增長，直至電池壽命結(jié)束。電阻也會隨溫度而發(fā)生顯著波動。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間的變化
當(dāng)電池電量計無法更新電阻時，計算出的荷電狀態(tài)誤差會隨著電池老化而成比例增長。在不可預(yù)測且不穩(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%。最終用戶會遇到這種情況，因為充電狀態(tài)會突然下降，設(shè)備可能會因容量估計過高而意外關(guān)機(jī)，如圖 3 所示。
剩余容量估算比較：Impedance Track 技術(shù)、動態(tài) Z-Track 技術(shù)與無電阻更新（1.75C 負(fù)載）
一個例子
假設(shè)一個人騎著電動自行車回家。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，電量顯示剩余 15%，但在回家的路上，電動自行車突然停止供電，因為電量從 12% 降至 0%。現(xiàn)在，騎車人要么騎車回家，要么叫車。
動態(tài) Z-Track 算法可以避免這種情況。與傳統(tǒng)的電池電量計不同，TI 的動態(tài) Z-Track 技術(shù)即使在不可預(yù)測的負(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行時間延長多達(dá) 30%。這最終為最終用戶在無人機(jī)、電動自行車、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)測的負(fù)載電池負(fù)載雖然是重大的設(shè)計挑戰(zhàn)，但它們并不一定限制系統(tǒng)的可靠性或最終用戶體驗。動態(tài) Z-Track 算法等工具有助于實現(xiàn)電池供電設(shè)備輕松運行的設(shè)計——未來無人機(jī)可以順利完成飛行，不會意外降落，電動自行車也能安全送用戶回家。 |
