工程师：详解单节锂离子电池电量计的相关设计技术

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。

相关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。这个限制最重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，假如能更进一步的估算出看电影还可以看多长时间，打电话还可以打多长时间，甚至于要作视频会议还可以讲多长时间，玩游戏可以玩多长时间等等的时间估算，可以说是把电量计的功能提升到最高的境界。

下面我们就最重要的电量计技术做进一步分析：

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，重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。

相关于智能手机的时代，一颗满电的电池只能用个一天的状况，假如电量指示还有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。

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。方法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，要配合其他设备或采样数据进行修正使用。

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计算方法，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，这重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，这个时候假如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：

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；二是平板计算机/MID。针对这两个市场的应用，目前这两个区块的重要参考设计还是由Ap厂家来供应。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厂供应技术支持，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的方法，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的电量计方法，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法。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，供应电量计的功能，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。锂离子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。