隨著智能手機(jī)(Smartphone)、平板計(jì)算機(jī)及MID在等手持及便攜式設(shè)備在市場上的大量推廣銷售,再加上各類型的應(yīng)用程序(App)的多樣性及可用性越來越豐富,致使相關(guān)的手持及便攜式設(shè)備的配置越來越豪華,例如更快、更多核的應(yīng)用處理機(jī),更大的內(nèi)存,更高分辨率的顯示屏、更高級的觸控控制,再加上許許多多為了讓應(yīng)用程序(App)更好用的器件,如衛(wèi)星定位、無線上網(wǎng)/藍(lán)牙、3D陀螺儀、及相關(guān)的元器件,讓一個全計(jì)算機(jī)功能可以在一個手持或便攜式設(shè)備上實(shí)現(xiàn)。

相對于電子及半導(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。這個限制最主要的就是給了手持及便攜式設(shè)備的能量儲存設(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,不在此過度的探討。

既然電池電能容量是固定的(當(dāng)然這只是針對固定的一個時間而言,隨著長期的使用,電池存在老化的問題；也就是可以使用的電能容量相較于新電池時來的少)。電量計(jì)存在的目的,就是不管在哪一個電池使用的時間點(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,估算出剩余可用時間。從使用者角度來看,如果能更進(jìn)一步的估算出看電影還可以看多久,打電話還可以打多久,甚至于要作視頻會議還可以講多久,玩游戲可以玩多久等等的時間估算,可以說是把電量計(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.電壓查表法來計(jì)算剩余電量

自從手持及便攜式設(shè)備被開發(fā)出來,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電話,或是打開相機(jī)準(zhǔn)備照相,結(jié)果卻是斷電收場。當(dāng)然這種狀況在早期featurephone時代是經(jīng)常發(fā)生,主要是因?yàn)楫?dāng)時設(shè)備的功能單純,能耗相對的也較少,一顆滿電的電池芯用個3~5天都不是問題。所以當(dāng)時的電量計(jì)的式設(shè)計(jì)很簡單,就是用量測電壓,透過查表、或是簡單的計(jì)算來決定剩余電量。

相對于智能手機(jī)的時代,一顆滿電的電池只能用個一天的狀況,如果電量指示還有30%,下一個動作卻讓設(shè)備直接斷電,恐怕消費(fèi)者都沒法接受。

電壓查表法的優(yōu)點(diǎn)是成本低最低,能耗也很低。缺點(diǎn)是精度也最相對較低,且SOC會隨著負(fù)載的變化而上下跳動,當(dāng)電池老化之后,這種跳變的現(xiàn)象會更加明顯。

2.庫侖計(jì)

庫侖計(jì),顧名思義,就是電池電荷的累計(jì)。通過檢流電阻檢測充放電電流,沖進(jìn)去的電量就是電池的容量?？?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)相對簡單,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,并無法作為真正的電池電量計(jì)算使用。方案最大的問題在于兩點(diǎn),一是累計(jì)誤差,隨著時間的推進(jìn),誤差會越來越大；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電的電池在低溫下只能放出很少的電量。

所以,庫侖計(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.透過檢測電壓,電流及溫度,加上算法來計(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庫侖計(jì)計(jì)算電量,在特定條件下通過電壓或溫度進(jìn)行補(bǔ)償。對新電池來說可以比較精確的計(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)閹靵鲇?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)量測到的當(dāng)前的電壓、電流以及溫度,來計(jì)算用掉的容量之后,估算出剩余電量。可是當(dāng)電池老化之后,隨之而來的就是總?cè)萘孔兩?這個時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)算誤差就會越來越大。

這個方式的優(yōu)點(diǎn)是期初精度很高,缺點(diǎn)有：

(a)元器件成本相對較高,同時需要額外的制程及設(shè)備來進(jìn)行檢流電阻的校正,以及對電池的全充放電來估算初期電池總?cè)萘俊?p>(b)隨著電池老化,誤差會隨之增加。

(c)方案本身的能耗比較于電壓檢測方案要高很多。

4.針對電壓檢測方案的優(yōu)化

(a)這個方案主要是針對長期精度進(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（開路電壓）曲線都是相同。因此建立了電池模型就有實(shí)際剩余電量的參考依據(jù),同時還把因?yàn)榇箅娏鞣烹姕厣囊蛩乜紤]進(jìn)來,以提升長期電量計(jì)算精度?？墒沁@個方案是在大部分應(yīng)用中,精度都可以維持在正常范圍內(nèi)。

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

5.針對普通電流檢測方案的優(yōu)化

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

電量計(jì)技術(shù)比較

市場應(yīng)用狀況分析

由于國內(nèi)手持及便攜設(shè)備大體可以分成兩個部份,一是智能手機(jī),二式平板計(jì)算機(jī)/MID。針對這兩個市場的應(yīng)用,目前這兩個區(qū)塊的主要參考設(shè)計(jì)還是由Ap廠家來提供。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。

由于國內(nèi)大部的手持及便攜式設(shè)備廠家在開發(fā)新的產(chǎn)品時,都必須仰賴Ap廠提供技術(shù)支持,所以對原廠的參考設(shè)計(jì),除了布線之外,對元器件的使用大多不做更動。所以只要原廠的參考設(shè)計(jì)用了某一廠家的電量計(jì),或是如Qualcomm,Broadcom,MTK等用了自己pMIC內(nèi)的庫侖計(jì),再通過Ap的計(jì)算來實(shí)現(xiàn)電量計(jì)功能。目前在市場上由于蘋果手機(jī)及平板的原始設(shè)計(jì)用的是TI的方案,所以在市場上,TI可以說是在電量計(jì)耕耘最久,市場占有率最大的廠商。其次是由于Samsung大量采用Maxim的電量計(jì)方案,所以Maxim可以說是保有電量計(jì)市場二哥的位置。

其余的無論是把庫侖計(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)到市場的方案。之所以會有這個趨勢,最重要的原因是消費(fèi)者開始要求設(shè)備的電量指示的精度。這個要求反應(yīng)在所有手持及便攜式設(shè)備的操作系統(tǒng)(iOS,Android,Windowsphone),還有各類的App上。由這個趨勢也可以清楚的看出,電量計(jì)在手持及便攜式設(shè)備上所扮演的角色也越來越重要了。

結(jié)語

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廠家把庫侖計(jì)加入pMIC,提供電量計(jì)的功能,已經(jīng)被突顯出來了?？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,因此如何透過這個特點(diǎn),延長電池的使用壽命,會是下一個可以延續(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,會隨時被開發(fā)出來,現(xiàn)在可見的是在消費(fèi)市場上的便攜式移動電源就是一個很好的例子。不具備電量計(jì)的移動電源售價大概都在美金100元以下,可是像Lifetrons銷售的移動電源,由于帶有00~99的電量指示,可以將售價訂在美金240元。這個差異不代表電量計(jì)的價格,但卻代表消費(fèi)者心目中電量計(jì)的價值。