Applicazioni dove le correnti richieste alla batteria variano in maniera imprevedibile o ad alta frequenza richiedono un modello più completo e un algoritmo adattivo per mantenere stime accurate dello stato di carica.
La tecnologia Dynamic Z-Track offre agli utenti prestazioni più affidabili in applicazioni impegnative come droni, bici elettriche, laptop e strumentazione medica portatile.
Con l’introduzione di tecnologie sempre più avanzate nell’elettronica industriale e personale, si creano carichi sempre più imprevedibili sulle batterie, rendendo necessario un misuratore di carica più affidabile e intelligente. Che si tratti di dispositivi emergenti dotati di intelligenza artificiale (IA) o di sistemi consolidati come droni, utensili elettrici e robotica, le batterie sono soggette a profili di carico altamente dinamici.
Questi carichi imprevedibili rappresentano una sfida per i progettisti che si affidano a misurazioni accurate per spegnere i sistemi in modo sicuro o prevenire cali di tensione imprevisti. Mentre uno spegnimento imprevisto di un trapano a batteria può solo frustrare l’utente, un drone che cade dal cielo rappresenta un serio rischio per la sicurezza.
A cosa serve un misuratore di carica?
I misuratori di carica calcolano parametri essenziali come lo stato di carica, lo stato di salute e la capacità residua utilizzando misurazioni di corrente e tensione. I misuratori di batteria tradizionali basati sulla tecnologia Impedance Track presuppongono che il carico della batteria vari lentamente, il che consente misurazioni accurate della resistenza durante la scarica della batteria per calcolare una previsione dello stato di carica in tempo reale ad alta precisione. La modellazione della batteria come un modello resistore-condensatore (RC) a bassa frequenza, come mostrato in Figura 1, è sufficiente per questi carichi di batteria a lenta variazione. Tuttavia, le applicazioni più recenti con correnti di carico variabili o ad alta frequenza richiedono un modello più completo e un algoritmo adattivo per mantenere stime accurate dello stato di carica.
Figura 1. Modello di batteria RC a bassa frequenza.
L’algoritmo Dynamic Z-Track è un metodo di misurazione della batteria progettato per dispositivi Texas Instruments come BQ41Z90 e BQ41Z50. Successore del tradizionale algoritmo Impedance Track, utilizzato in dispositivi come BQ40Z50 e BQ34Z100, l’algoritmo Dynamic Z-Track fornisce stime accurate dello stato di carica, dello stato di salute e della capacità residua delle batterie in condizioni di carico-corrente dinamico.
Quando un carico irregolare o ad alta frequenza influisce sulla batteria, la tradizionale modellazione RC della batteria di un misuratore di impedenza perde risoluzione nell’aggiornamento della resistenza della batteria. L’algoritmo Dynamic Z-Track implementa un modello transitorio a banda larga che simula i transitori di tensione e si adatta ai profili di corrente dinamici. Questo approccio consente stime della resistenza in tempo reale anche quando la corrente non è stabile.
Perché la resistenza è importante?
La resistenza di tracciamento è essenziale per fornire la massima precisione nel calcolo dello stato di carica per l’intera durata della batteria. Come mostrato in Figura 2, la resistenza di una cella della batteria aumenta linearmente con il ciclo di carica e l’invecchiamento della batteria, fino a raggiungere un certo punto di svolta in cui la resistenza aumenta esponenzialmente verso la fine della sua vita. La resistenza fluttua anche significativamente con la temperatura. Esiste una relazione inversa tra la resistenza della cella della batteria e la temperatura: minore è la temperatura, maggiore è la resistenza; di conseguenza, minore è la capacità o l’energia che la cella della batteria può fornire prima di raggiungere uno stato di carica dello 0%.
Figura 2. Variazione della resistenza di una cella di una batteria agli ioni di litio nel tempo.
Quando l’indicatore della batteria non riesce ad aggiornare la resistenza, l’errore calcolato sullo stato di carica aumenta proporzionalmente all’invecchiamento della batteria. Questo errore nella stima dello stato di carica e della capacità residua può raggiungere il 60% o il 10% senza aggiornamenti della resistenza in presenza di carichi imprevedibili e irregolari. L’utente finale riscontra questo problema quando lo stato di carica diminuisce improvvisamente e il dispositivo potrebbe spegnersi inaspettatamente a causa di una sovrastima della capacità, come mostrato in Figura 3.
Figura 3. Confronto tra la stima della capacità residua: tecnologia Impedance Track e tecnologia Dynamic Z-Track rispetto a nessun aggiornamento della resistenza con un carico di 1.75C.
Esempio di caso d’uso
Immaginiamo che una persona stia tornando a casa con una bicicletta elettrica. Controlla lo stato di carica, vede che la carica rimanente è del 30% e decide di fare una deviazione per andare al supermercato prima di tornare a casa. All’arrivo al negozio, lo stato di carica indica il 15% di carica residua, ma sulla via del ritorno, la bici elettrica smette improvvisamente di erogare energia perché lo stato di carica è sceso dal 12% allo 0%. A questo punto, il ciclista deve tornare a casa pedalando o richiedere un passaggio.
L’algoritmo Dynamic Z-Track previene questa situazione. A differenza dei misuratori di batteria convenzionali, la tecnologia Dynamic Z-Track di TI offre una precisione dello stato di carica fino al 99% anche in presenza di carichi imprevedibili, consentendo ai produttori di ottimizzare le dimensioni della batteria e prolungarne l’autonomia fino al 30%. Questo, in definitiva, offre agli utenti finali prestazioni più affidabili in applicazioni impegnative come droni, bici elettriche, laptop e strumentazione medica portatile.
Conclusione
Sebbene i carichi imprevedibili della batteria rappresentino una sfida progettuale significativa, non devono necessariamente condizionare l’affidabilità del sistema o l’esperienza dell’utente finale. Strumenti come l’algoritmo Dynamic Z-Track consentono di progettare dispositivi alimentati a batteria che funzionano senza problemi: un futuro in cui i droni completano i loro voli senza atterraggi imprevisti e le e-bike riportano i ciclisti a casa senza problemi.
Risorse aggiuntive
Per informazioni più dettagliate sul funzionamento della tecnologia Impedance Track e della tecnologia Dynamic Z-Track, consultare le seguenti note applicative:
- Dynamic Z-Track™ Technology: An Advanced Battery Gauging Algorithm for Dynamic Load Applications.
- Theory and Implementation of Impedance Track Battery Fuel-Gauging Algorithm in BQ2750x Family.
