單節鋰電池電量計相關(guān)技術(shù)概述

相對于電子及半導體技術(shù)的進(jìn)步, 手持及便攜式設備卻有著(zhù)體積及重量等的物理性極限。這個(gè)限制最主要的就是給了手持及便攜式設備的能量?jì)Υ嬖O備, 也就是電池的大小及重量加上了限制。當然電池電能容量的大小, 跟手持及便攜式設備的續航力有直接的相關(guān)性, 然而這一方面主題的探討, 不在此過(guò)度的探討。

既然電池電能容量是固定的(當然這只是針對固定的一個(gè)時(shí)間而言, 隨著(zhù)長(cháng)期的使用, 電池存在老化的問(wèn)題；也就是可以使用的電能容量相較于新電池時(shí)來(lái)的少)。電量計存在的目的, 就是不管在哪一個(gè)電池使用的時(shí)間點(diǎn), 可以精確的估算出電池剩余電量, 更進(jìn)一步的, 依據目前設備的能耗狀況, 估算出剩余可用時(shí)間。從使用者角度來(lái)看, 如果能更進(jìn)一步的估算出看電影還可以看多久, 打電話(huà)還可以打多久, 甚至于要作視頻會(huì )議還可以講多久, 玩游戲可以玩多久等等的時(shí)間估算, 可以說(shuō)是把電量計的功能提升到最高的境界。

下面我們就最主要的電量計技術(shù)做進(jìn)一步分析：

主要電量計技術(shù)分析：

1.電壓查表法來(lái)計算剩余電量

自從手持及便攜式設備被開(kāi)發(fā)出來(lái), 電池技術(shù)就被廣泛使用在這些裝置上。在實(shí)際運用的角度來(lái)看, 電池剩余電量的精度, 一直是使用者要求的重點(diǎn)之一, 任何人都不希望看到剩余電料顯示還有30%, 可是下一秒鐘或是接一個(gè)電話(huà), 或是打開(kāi)相機準備照相, 結果卻是斷電收場(chǎng)。當然這種狀況在早期feature phone時(shí)代是經(jīng)常發(fā)生, 主要是因為當時(shí)設備的功能單純, 能耗相對的也較少, 一顆滿(mǎn)電的電池芯用個(gè)3~5天都不是問(wèn)題。所以當時(shí)的電量計的式設計很簡(jiǎn)單, 就是用量測電壓, 透過(guò)查表、或是簡(jiǎn)單的計算來(lái)決定剩余電量。

相對于智能手機的時(shí)代, 一顆滿(mǎn)電的電池只能用個(gè)一天的狀況, 如果電量指示還有30%, 下一個(gè)動(dòng)作卻讓設備直接斷電, 恐怕消費者都沒(méi)法接受。

電壓查表法的優(yōu)點(diǎn)是成本低最低, 能耗也很低。缺點(diǎn)是精度也最相對較低, 且SOC會(huì )隨著(zhù)負載的變化而上下跳動(dòng), 當電池老化之后, 這種跳變的現象會(huì )更加明顯。

2.庫侖計

庫侖計, 顧名思義, 就是電池電荷的累計。通過(guò)檢流電阻檢測充放電電流, 沖進(jìn)去的電量就是電池的容量?？側萘繙p去放出的容量就是電池剩余容量。

此方法實(shí)現相對簡(jiǎn)單, 且原理容易理解, 是目前使用比較多的一種計算方法, 但是, 并無(wú)法作為真正的電池電量計算使用。方案最大的問(wèn)題在于兩點(diǎn), 一是累計誤差, 隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn), 誤差會(huì )越來(lái)越大；二是電池的充入電量和放出電量是不相等的, 在不同的負載、溫度等條件下, 容量差別更大, 最典型的就是常溫滿(mǎn)電的電池在低溫下只能放出很少的電量。

所以, 庫侖計一般只是作為電量計算的輔助工具, 需要配合其他設備或采樣數據進(jìn)行修正使用。

3.透過(guò)檢測電壓, 電流及溫度, 加上算法來(lái)計算剩余電量

這是比較典型的電量計算方案, 正常使用條件下通過(guò)庫侖計計算電量, 在特定條件下通過(guò)電壓或溫度進(jìn)行補償。對新電池來(lái)說(shuō)可以比較精確的計算出剩余電量, 可是當電池老化之后精度就逐步降低, 這主要是因為庫侖計的計算基礎事先要了解目前電池的總容量, 再依據量測到的當前的電壓、電流以及溫度, 來(lái)計算用掉的容量之后, 估算出剩余電量?？墒钱旊姵乩匣? 隨之而來(lái)的就是總容量變少, 這個(gè)時(shí)候如果還是用新電池的總容量當成計算的基礎, 剩余電量的計算誤差就會(huì )越來(lái)越大。

這個(gè)方式的優(yōu)點(diǎn)是期初精度很高, 缺點(diǎn)有：

(a)元器件成本相對較高, 同時(shí)需要額外的制程及設備來(lái)進(jìn)行檢流電阻的校正, 以及對電池的全充放電來(lái)估算初期電池總容量。

(b)隨著(zhù)電池老化, 誤差會(huì )隨之增加。

(c)方案本身的能耗比較于電壓檢測方案要高很多。

4.針對電壓檢測方案的優(yōu)化

(a)這個(gè)方案主要是針對長(cháng)期精度進(jìn)行優(yōu)化, 最主要的步驟就是在電量計芯片內, 針對現在使用的電池芯建模, 由于理論上電池無(wú)論是新的還是老化之后, 其OCV（開(kāi)路電壓）曲線(xiàn)都是相同。因此建立了電池模型就有實(shí)際剩余電量的參考依據, 同時(shí)還把因為大電流放電溫升的因素考慮進(jìn)來(lái), 以提升長(cháng)期電量計算精度?？墒沁@個(gè)方案是在大部分應用中, 精度都可以維持在正常范圍內。

(b)除此以外, 也有廠(chǎng)商針對上述缺點(diǎn), 在電量計內加上自我學(xué)習校準的演算功能, 來(lái)應對老化的影響, 以保持長(cháng)期剩余電量的精度。

5.針對普通電流檢測方案的優(yōu)化

由于普通電流檢測方案的長(cháng)期精度誤差很大, 因此有廠(chǎng)家建立了“內阻追蹤(Impedance Track)”的技術(shù), 根據內阻的變化決定電池老化的程度, 來(lái)修正剩余電量計算的精度。

電量計技術(shù)比較

市場(chǎng)應用狀況分析

由于國內手持及便攜設備大體可以分成兩個(gè)部份, 一是智能手機, 二式平板計算機/MID。針對這兩個(gè)市場(chǎng)的應用, 目前這兩個(gè)區塊的主要參考設計還是由AP廠(chǎng)家來(lái)提供。例如智能手機的Qualcomm, Broadcom, MTK, nVIdia, Samsung, Hisilicon(海思)等, 以及平板計算機/MID的全志, 炬力, 瑞芯微, 中星微等。

由于國內大部的手持及便攜式設備廠(chǎng)家在開(kāi)發(fā)新的產(chǎn)品時(shí), 都必須仰賴(lài)AP廠(chǎng)提供技術(shù)支持, 所以對原廠(chǎng)的參考設計, 除了布線(xiàn)之外, 對元器件的使用大多不做更動(dòng)。所以只要原廠(chǎng)的參考設計用了某一廠(chǎng)家的電量計, 或是如Qualcomm, Broadcom, MTK等用了自己PMIC內的庫侖計, 再通過(guò)AP的計算來(lái)實(shí)現電量計功能。目前在市場(chǎng)上由于蘋(píng)果手機及平板的原始設計用的是TI的方案, 所以在市場(chǎng)上, TI可以說(shuō)是在電量計耕耘最久, 市場(chǎng)占有率最大的廠(chǎng)商。其次是由于Samsung大量采用Maxim的電量計方案, 所以Maxim可以說(shuō)是保有電量計市場(chǎng)二哥的位置。

其余的無(wú)論是把庫侖計放在PMIC內, 亦或是如Cellwise的加上自學(xué)習功能的電量計, 都是最近這兩年進(jìn)到市場(chǎng)的方案。之所以會(huì )有這個(gè)趨勢, 最重要的原因是消費者開(kāi)始要求設備的電量指示的精度。這個(gè)要求反應在所有手持及便攜式設備的操作系統(iOS, Android, Windows Phone), 還有各類(lèi)的APP上。由這個(gè)趨勢也可以清楚的看出, 電量計在手持及便攜式設備上所扮演的角色也越來(lái)越重要了。

結語(yǔ)

電量計在手持及便攜式設備, 尤其是智能手機及平板計算機/MID應用的重要性隨著(zhù)AP廠(chǎng)家把庫侖計加入PMIC, 提供電量計的功能, 已經(jīng)被突顯出來(lái)了?？墒沁@只是起步, 由于電量計是在手持及便攜式設備內最了解電池的芯片, 因此如何透過(guò)這個(gè)特點(diǎn), 延長(cháng)電池的使用壽命, 會(huì )是下一個(gè)可以延續的應用。

更進(jìn)一步的是, 在手持及便攜式設備的應用中, 智能手機及平板計算機/MID只是其中的一環(huán)。鋰電池的應用必須要有精確電量計的應用, 會(huì )隨時(shí)被開(kāi)發(fā)出來(lái), 現在可見(jiàn)的是在消費市場(chǎng)上的便攜式移動(dòng)電源就是一個(gè)很好的例子。不具備電量計的移動(dòng)電源售價(jià)大概都在美金100元以下, 可是像Lifetrons銷(xiāo)售的移動(dòng)電源, 由于帶有00~99的電量指示, 可以將售價(jià)訂在美金240元。這個(gè)差異不代表電量計的價(jià)格, 但卻代表消費者心目中電量計的價(jià)值。