单节锂电池电量计相关技术概述

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。

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。

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。

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

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。

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。

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。

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

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

(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。

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

市场应用状况分析

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。

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。

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。

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。