单节锂电池电量计相关技术概述

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单节锂电池电量计相关技术概述

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6 R4 I3 d" F: A7 t& z# m% w2 V2 s随着智能手机(Smart Phone)、平板计算机及MID在等手持及便携式设备在市场上的大量推广销售, 再加上各类型的应用程序(APP)的多样性及可用性越来越丰富, 致使相关的手持及便携式设备的配置越来越豪华, 例如更快、更多核的应用处理机, 更大的内存, 更高分辨率的显示屏、更高级的触控控制, 再加上许许多多为了让应用程序(APP)更好用的器件, 如卫星定位、无线上网/蓝牙、3D陀螺仪、及相关的元器件, 让一个全计算机功能可以在一个手持或便携式设备上实现。

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相对于电子及半导体技术的进步, 手持及便携式设备却有着体积及重量等的物理性极限。这个限制最主要的就是给了手持及便携式设备的能量储存设备, 也就是电池的大小及重量加上了限制。当然电池电能容量的大小, 跟手持及便携式设备的续航力有直接的相关性, 然而这一方面主题的探讨, 不在此过度的探讨。

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既然电池电能容量是固定的(当然这只是针对固定的一个时间而言, 随着长期的使用, 电池存在老化的问题；也就是可以使用的电能容量相较于新电池时来的少)。电量计存在的目的, 就是不管在哪一个电池使用的时间点, 可以精确的估算出电池剩余电量, 更进一步的, 依据目前设备的能耗状况, 估算出剩余可用时间。从使用者角度来看, 如果能更进一步的估算出看电影还可以看多久, 打电话还可以打多久, 甚至于要作视频会议还可以讲多久, 玩游戏可以玩多久等等的时间估算, 可以说是把电量计的功能提升到最高的境界。

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下面我们就最主要的电量计技术做进一步分析：

主要电量计技术分析：

1.电压查表法来计算剩余电量

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自从手持及便携式设备被开发出来, 电池技术就被广泛使用在这些装置上。在实际运用的角度来看, 电池剩余电量的精度, 一直是使用者要求的重点之一, 任何人都不希望看到剩余电料显示还有30%, 可是下一秒钟或是接一个电话, 或是打开相机准备照相, 结果却是断电收场。当然这种状况在早期feature phone时代是经常发生, 主要是因为当时设备的功能单纯, 能耗相对的也较少, 一颗满电的电池芯用个3~5天都不是问题。所以当时的电量计的式设计很简单, 就是用量测电压, 透过查表、或是简单的计算来决定剩余电量。

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相对于智能手机的时代, 一颗满电的电池只能用个一天的状况, 如果电量指示还有30%, 下一个动作却让设备直接断电, 恐怕消费者都没法接受。

电压查表法的优点是成本低最低, 能耗也很低。缺点是精度也最相对较低, 且SOC会随着负载的变化而上下跳动, 当电池老化之后, 这种跳变的现象会更加明显。

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2.库仑计

库仑计, 顾名思义, 就是电池电荷的累计。通过检流电阻检测充放电电流, 冲进去的电量就是电池的容量。总容量减去放出的容量就是电池剩余容量。

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此方法实现相对简单, 且原理容易理解, 是目前使用比较多的一种计算方法, 但是, 并无法作为真正的电池电量计算使用。方案最大的问题在于两点, 一是累计误差, 随着时间的推进, 误差会越来越大；二是电池的充入电量和放出电量是不相等的, 在不同的负载、温度等条件下, 容量差别更大, 最典型的就是常温满电的电池在低温下只能放出很少的电量。

所以, 库仑计一般只是作为电量计算的辅助工具, 需要配合其他设备或采样数据进行修正使用。

3.透过检测电压, 电流及温度, 加上算法来计算剩余电量

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这是比较典型的电量计算方案, 正常使用条件下通过库仑计计算电量, 在特定条件下通过电压或温度进行补偿。对新电池来说可以比较精确的计算出剩余电量, 可是当电池老化之后精度就逐步降低, 这主要是因为库仑计的计算基础事先要了解目前电池的总容量, 再依据量测到的当前的电压、电流以及温度, 来计算用掉的容量之后, 估算出剩余电量。可是当电池老化之后, 随之而来的就是总容量变少, 这个时候如果还是用新电池的总容量当成计算的基础, 剩余电量的计算误差就会越来越大。

这个方式的优点是期初精度很高, 缺点有：

(a)元器件成本相对较高, 同时需要额外的制程及设备来进行检流电阻的校正, 以及对电池的全充放电来估算初期电池总容量。

(b)随着电池老化, 误差会随之增加。

(c)方案本身的能耗比较于电压检测方案要高很多。

4.针对电压检测方案的优化

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(a)这个方案主要是针对长期精度进行优化, 最主要的步骤就是在电量计芯片内, 针对现在使用的电池芯建模, 由于理论上电池无论是新的还是老化之后, 其OCV（开路电压）曲线都是相同。因此建立了电池模型就有实际剩余电量的参考依据, 同时还把因为大电流放电温升的因素考虑进来, 以提升长期电量计算精度。可是这个方案是在大部分应用中, 精度都可以维持在正常范围内。

(b)除此以外, 也有厂商针对上述缺点, 在电量计内加上自我学习校准的演算功能, 来应对老化的影响, 以保持长期剩余电量的精度。

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5.针对普通电流检测方案的优化

由于普通电流检测方案的长期精度误差很大, 因此有厂家建立了“内阻追踪(Impedance Track)”的技术, 根据内阻的变化决定电池老化的程度, 来修正剩余电量计算的精度。

电量计技术比较

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市场应用状况分析

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由于国内手持及便携设备大体可以分成两个部份, 一是智能手机, 二式平板计算机/MID。针对这两个市场的应用, 目前这两个区块的主要参考设计还是由AP厂家来提供。例如智能手机的Qualcomm, Broadcom, MTK, nVIdia, Samsung, Hisilicon(海思)等, 以及平板计算机/MID的全志, 炬力, 瑞芯微, 中星微等。

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由于国内大部的手持及便携式设备厂家在开发新的产品时, 都必须仰赖AP厂提供技术支持, 所以对原厂的参考设计, 除了布线之外, 对元器件的使用大多不做更动。所以只要原厂的参考设计用了某一厂家的电量计, 或是如Qualcomm, Broadcom, MTK等用了自己PMIC内的库仑计, 再通过AP的计算来实现电量计功能。目前在市场上由于苹果手机及平板的原始设计用的是TI的方案, 所以在市场上, TI可以说是在电量计耕耘最久, 市场占有率最大的厂商。其次是由于Samsung大量采用Maxim的电量计方案, 所以Maxim可以说是保有电量计市场二哥的位置。

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其余的无论是把库仑计放在PMIC内, 亦或是如Cellwise的加上自学习功能的电量计, 都是最近这两年进到市场的方案。之所以会有这个趋势, 最重要的原因是消费者开始要求设备的电量指示的精度。这个要求反应在所有手持及便携式设备的操作系统(iOS, Android, Windows Phone), 还有各类的APP上。由这个趋势也可以清楚的看出, 电量计在手持及便携式设备上所扮演的角色也越来越重要了。

结语

电量计在手持及便携式设备, 尤其是智能手机及平板计算机/MID应用的重要性随着AP厂家把库仑计加入PMIC, 提供电量计的功能, 已经被突显出来了。可是这只是起步, 由于电量计是在手持及便携式设备内最了解电池的芯片, 因此如何透过这个特点, 延长电池的使用寿命, 会是下一个可以延续的应用。

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更进一步的是, 在手持及便携式设备的应用中, 智能手机及平板计算机/MID只是其中的一环。锂电池的应用必须要有精确电量计的应用, 会随时被开发出来, 现在可见的是在消费市场上的便携式移动电源就是一个很好的例子。不具备电量计的移动电源售价大概都在美金100元以下, 可是像Lifetrons销售的移动电源, 由于带有00~99的电量指示, 可以将售价订在美金240元。这个差异不代表电量计的价格, 但却代表消费者心目中电量计的价值。

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