工程师：详解单节锂电池电量计的相关设计技术

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：

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。

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。

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：

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。