单节锂电池电量计相关技术概述

随着智能手机(Smartphone)、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featurephone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(ImpedanceTrack)”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,Windowsphone),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。