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單節(jié)鋰電池電量計相關(guān)概述
更新時間:2013-06-20   點擊次數(shù):2012次

關(guān)鍵字:鋰電池   電量計  

隨著智能手機(Smart Phone)、平板計算機及MID在等手持及便攜式設(shè)備在市場上的大量推廣銷售, 再加上型的應(yīng)用程序(APP)的多樣及可用越來越豐富, 致使相關(guān)的手持及便攜式設(shè)備的配置越來越豪華, 例如快、多核的應(yīng)用處理機, 大的內(nèi)存, 分辨率的顯示屏、的觸控, 再加上許許多多為了讓應(yīng)用程序(APP)好用的器件, 如衛(wèi)星定位、無線上網(wǎng)/藍牙、3D陀螺儀、及相關(guān)的元器件, 讓個計算機功能可以在個手持或便攜式設(shè)備上實現(xiàn)。

 

相對于電子及半導(dǎo)體的進步, 手持及便攜式設(shè)備卻有著體積及重量等的物理限。這個zui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。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), 然而這方面主題的探討, 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)。電量計存在的目的, 就是不管在哪個電池使用的時間點, 可以的估算出電池剩余電量, 進步的, 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, 如果能進步的估算出看電影還可以看多久, 打還可以打多久, 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, 可以說是把電量計的功能提升到zui的境界。

 

下面我們就zui主要的電量計做進步分析:

 

主要電量計分析:

 

1.電壓查表法來計算剩余電量

 

自從手持及便攜式設(shè)備被開發(fā)出來, 電池就被使用在這些裝置上。在實際運用的角度來看, 電池剩余電量的, 直是使用者要求的重點, 人都不希望看到剩余電料顯示還有3, 可是下秒鐘或是接個, 或是打開相機準(zhǔn)備照相, 結(jié)果卻是斷電收場。當(dāng)然這種狀況在早期feature phone時代是經(jīng)常發(fā)生, 主要是因為當(dāng)時設(shè)備的功能單純, 能耗相對的也較少, 顆滿電的電池芯用個3~5天都不是問題。所以當(dāng)時的電量計的式設(shè)計很簡單, 就是用量測電壓, 透過查表、或是簡單的計算來決定剩余電量。

 

相對于智能手機的時代, 顆滿電的電池只能用個天的狀況, 如果電量指示還有3, 下個動作卻讓設(shè)備直接斷電, 恐怕消費者都沒法接受。

 

電壓查表法的優(yōu)點是成本低zui低, 能耗也很低。缺點是也zui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)象會加明顯。

 

2.庫侖計

 

庫侖計, 顧名思義, 就是電池電荷的累計。通過檢流電阻充放電電流, 沖進去的電量就是電池的容量。總?cè)萘繙p去放出的容量就是電池剩余容量。

 

此方法實現(xiàn)相對簡單, 且原理理解, 是目前使用比較多的種計算方法, 但是, 并無法作為真正的電池電量計算使用。方案zui大的問題在于兩點, 是累計誤差, 隨著時間的推進, 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, 容量差別大, zui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, 庫侖計般只是作為電量計算的輔助工具, 需要配合其他設(shè)備或采樣數(shù)據(jù)進行修正使用。

3.透過電壓, 電流及溫度, 加上算法來計算剩余電量

 

這是比較的電量計算方案, 正常使用條件下通過庫侖計計算電量, 在特定條件下通過電壓或溫度進行補償。對新電池來說可以比較的計算出剩余電量, 可是當(dāng)電池老化之后就逐步降低, 這主要是因為庫侖計的計算基礎(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, 來計算用掉的容量之后, 估算出剩余電量??墒钱?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)成計算的基礎(chǔ), 剩余電量的計算誤差就會越來越大。

 

這個方式的優(yōu)點是期初很, 缺點有:

 

(a)元器件成本相對較, 同時需要額外的制程及設(shè)備來進行檢流電阻的校正, 以及對電池的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方案要很多。

 

4.針對電壓方案的優(yōu)化

 

(a)這個方案主要是針對長期進行優(yōu)化, zui主要的步驟就是在電量計芯片內(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際剩余電量的參考依據(jù), 同時還把因為大電流放電溫升的因素考慮進來, 以提升長期電量計算??墒沁@個方案是在大部分應(yīng)用中, 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, 在電量計內(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。

 

5.針對普通電流方案的優(yōu)化

 

由于普通電流方案的長期誤差很大, 因此有廠家建立了“內(nèi)阻追蹤(Impedance Track)”的, 根據(jù)內(nèi)阻的變化決定電池老化的程度, 來修正剩余電量計算的。

 

電量計比較

市場應(yīng)用狀況分析

 

由于手持及便攜設(shè)備大體可以分成兩個部份, 是智能手機, 二式平板計算機/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)計還是由AP廠家來提供。例如智能手機的Qualcomm, Broadcom, MTK, nVIdia, Samsung, Hisilicon(海思)等, 以及平板計算機/MID的志, 炬力, 瑞芯微, 中星微等。

 

由于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, 所以對原廠的參考設(shè)計, 除了布線之外, 對元器件的使用大多不做動。所以只要原廠的參考設(shè)計用了某廠家的電量計, 或是如Qualcomm, Broadcom, MTK等用了自己PMIC內(nèi)的庫侖計, 再通過AP的計算來實現(xiàn)電量計功能。目前在市場上由于蘋果手機及平板的原始設(shè)計用的是TI的方案, 所以在市場上, TI可以說是在電量計耕耘zui久, *zui大的廠商。其次是由于Samsung大量采用Maxim的電量計方案, 所以Maxim可以說是保有電量計市場二哥的位置。

 

其余的無論是把庫侖計放在PMIC內(nèi), 亦或是如Cellwise的加上自學(xué)習(xí)功能的電量計, 都是zui近這兩年進到市場的方案。之所以會有這個趨勢, zui重要的原因是消費者開始要求設(shè)備的電量指示的。這個要求反應(yīng)在手持及便攜式設(shè)備的操作系統(tǒng)(iOS, Android, Windows Phone), 還有的APP上。由這個趨勢也可以清楚的看出, 電量計在手持及便攜式設(shè)備上所扮演的角色也越來越重要了。

 

結(jié)語

 

電量計在手持及便攜式設(shè)備, 尤其是智能手機及平板計算機/MID應(yīng)用的重要隨著AP廠家把庫侖計加入PMIC, 提供電量計的功能, 已經(jīng)被突顯出來了。可是這只是起步, 由于電量計是在手持及便攜式設(shè)備內(nèi)zui了解電池的芯片, 因此如何透過這個特點, 延長電池的使用壽命, 會是下個可以延續(xù)的應(yīng)用。

 

進步的是, 在手持及便攜式設(shè)備的應(yīng)用中, 智能手機及平板計算機/MID只是其中的環(huán)。鋰電池的應(yīng)用必須要有電量計的應(yīng)用, 會被開發(fā)出來, 現(xiàn)在可見的是在消費市場上的便攜式移動電源就是個很好的例子。不具備電量計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。這個差異不電量計的價格, 但卻消費者心目中電量計的價值。

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