單節(jié)鋰電池電量計(jì)相關(guān)技術(shù)概述

相對(duì)于電子及半導(dǎo)體技術(shù)的進(jìn)步, 手持及便攜式設(shè)備卻有著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(shè)備的能量?jī)?chǔ)存設(shè)備, 也就是電池的大小及重量加上了限制。當(dāng)然電池電能容量的大小, 跟手持及便攜式設(shè)備的續(xù)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(dāng)然這只是針對(duì)固定的一個(gè)時(shí)間而言, 隨著長(zhǎng)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(jì)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(jù)目前設(shè)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(jì)的功能提升到最高的境界。

下面我們就最主要的電量計(jì)技術(shù)做進(jìn)一步分析：

主要電量計(jì)技術(shù)分析：

1.電壓查表法來(lái)計(jì)算剩余電量

自從手持及便攜式設(shè)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(yùn)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(jī)準(zhǔn)備照相, 結(jié)果卻是斷電收?qǐng)?。?dāng)然這種狀況在早期feature phone時(shí)代是經(jīng)常發(fā)生, 主要是因?yàn)楫?dāng)時(shí)設(shè)備的功能單純, 能耗相對(duì)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(dāng)時(shí)的電量計(jì)的式設(shè)計(jì)很簡(jiǎn)單, 就是用量測(cè)電壓, 透過(guò)查表、或是簡(jiǎn)單的計(jì)算來(lái)決定剩余電量。

相對(duì)于智能手機(jī)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(shè)備直接斷電, 恐怕消費(fèi)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(duì)較低, 且SOC會(huì)隨著負(fù)載的變化而上下跳動(dòng), 當(dāng)電池老化之后, 這種跳變的現(xiàn)象會(huì)更加明顯。

2.庫(kù)侖計(jì)

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

此方法實(shí)現(xiàn)相對(duì)簡(jiǎn)單, 且原理容易理解, 是目前使用比較多的一種計(jì)算方法, 但是, 并無(wú)法作為真正的電池電量計(jì)算使用。方案最大的問(wèn)題在于兩點(diǎn), 一是累計(jì)誤差, 隨著時(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(fù)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(kù)侖計(jì)一般只是作為電量計(jì)算的輔助工具, 需要配合其他設(shè)備或采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行修正使用。

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

這是比較典型的電量計(jì)算方案, 正常使用條件下通過(guò)庫(kù)侖計(jì)計(jì)算電量, 在特定條件下通過(guò)電壓或溫度進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)新電池來(lái)說(shuō)可以比較精確的計(jì)算出剩余電量, 可是當(dāng)電池老化之后精度就逐步降低, 這主要是因?yàn)閹?kù)侖計(jì)的計(jì)算基礎(chǔ)事先要了解目前電池的總?cè)萘? 再依據(jù)量測(cè)到的當(dāng)前的電壓、電流以及溫度, 來(lái)計(jì)算用掉的容量之后, 估算出剩余電量?？墒钱?dāng)電池老化之后, 隨之而來(lái)的就是總?cè)萘孔兩? 這個(gè)時(shí)候如果還是用新電池的總?cè)萘慨?dāng)成計(jì)算的基礎(chǔ), 剩余電量的計(jì)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(duì)較高, 同時(shí)需要額外的制程及設(shè)備來(lái)進(jìn)行檢流電阻的校正, 以及對(duì)電池的全充放電來(lái)估算初期電池總?cè)萘俊?

(b)隨著電池老化, 誤差會(huì)隨之增加。

(c)方案本身的能耗比較于電壓檢測(cè)方案要高很多。

4.針對(duì)電壓檢測(cè)方案的優(yōu)化

(a)這個(gè)方案主要是針對(duì)長(zhǎng)期精度進(jìn)行優(yōu)化, 最主要的步驟就是在電量計(jì)芯片內(nèi), 針對(duì)現(xiàn)在使用的電池芯建模, 由于理論上電池?zé)o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(jù), 同時(shí)還把因?yàn)榇箅娏鞣烹姕厣囊蛩乜紤]進(jìn)來(lái), 以提升長(zhǎng)期電量計(jì)算精度。可是這個(gè)方案是在大部分應(yīng)用中, 精度都可以維持在正常范圍內(nèi)。

(b)除此以外, 也有廠(chǎng)商針對(duì)上述缺點(diǎn), 在電量計(jì)內(nèi)加上自我學(xué)習(xí)校準(zhǔn)的演算功能, 來(lái)應(yīng)對(duì)老化的影響, 以保持長(zhǎng)期剩余電量的精度。

5.針對(duì)普通電流檢測(cè)方案的優(yōu)化

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

電量計(jì)技術(shù)比較

市場(chǎng)應(yīng)用狀況分析

由于國(guó)內(nèi)手持及便攜設(shè)備大體可以分成兩個(gè)部份, 一是智能手機(jī), 二式平板計(jì)算機(jī)/MID。針對(duì)這兩個(gè)市場(chǎng)的應(yīng)用, 目前這兩個(gè)區(qū)塊的主要參考設(shè)計(jì)還是由AP廠(chǎng)家來(lái)提供。例如智能手機(jī)的Qualcomm, Broadcom, MTK, nVIdia, Samsung, Hisilicon(海思)等, 以及平板計(jì)算機(jī)/MID的全志, 炬力, 瑞芯微, 中星微等。

由于國(guó)內(nèi)大部的手持及便攜式設(shè)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(duì)原廠(chǎng)的參考設(shè)計(jì), 除了布線(xiàn)之外, 對(duì)元器件的使用大多不做更動(dòng)。所以只要原廠(chǎng)的參考設(shè)計(jì)用了某一廠(chǎng)家的電量計(jì), 或是如Qualcomm, Broadcom, MTK等用了自己PMIC內(nèi)的庫(kù)侖計(jì), 再通過(guò)AP的計(jì)算來(lái)實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能。目前在市場(chǎng)上由于蘋(píng)果手機(jī)及平板的原始設(shè)計(jì)用的是TI的方案, 所以在市場(chǎng)上, TI可以說(shuō)是在電量計(jì)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(jì)方案, 所以Maxim可以說(shuō)是保有電量計(jì)市場(chǎng)二哥的位置。

其余的無(wú)論是把庫(kù)侖計(jì)放在PMIC內(nèi), 亦或是如Cellwise的加上自學(xué)習(xí)功能的電量計(jì), 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(shì), 最重要的原因是消費(fèi)者開(kāi)始要求設(shè)備的電量指示的精度。這個(gè)要求反應(yīng)在所有手持及便攜式設(shè)備的操作系統(tǒng)(iOS, Android, Windows Phone), 還有各類(lèi)的APP上。由這個(gè)趨勢(shì)也可以清楚的看出, 電量計(jì)在手持及便攜式設(shè)備上所扮演的角色也越來(lái)越重要了。

結(jié)語(yǔ)

電量計(jì)在手持及便攜式設(shè)備, 尤其是智能手機(jī)及平板計(jì)算機(jī)/MID應(yīng)用的重要性隨著AP廠(chǎng)家把庫(kù)侖計(jì)加入PMIC, 提供電量計(jì)的功能, 已經(jīng)被突顯出來(lái)了?？墒沁@只是起步, 由于電量計(jì)是在手持及便攜式設(shè)備內(nèi)最了解電池的芯片, 因此如何透過(guò)這個(gè)特點(diǎn), 延長(zhǎng)電池的使用壽命, 會(huì)是下一個(gè)可以延續(xù)的應(yīng)用。

更進(jìn)一步的是, 在手持及便攜式設(shè)備的應(yīng)用中, 智能手機(jī)及平板計(jì)算機(jī)/MID只是其中的一環(huán)。鋰電池的應(yīng)用必須要有精確電量計(jì)的應(yīng)用, 會(huì)隨時(shí)被開(kāi)發(fā)出來(lái), 現(xiàn)在可見(jiàn)的是在消費(fèi)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(jì)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(jì)的價(jià)格, 但卻代表消費(fèi)者心目中電量計(jì)的價(jià)值。