主要電量計技術分析

1.電壓查表法來計算剩餘電量

自從手持及可攜式裝置被開發出來, 電池技術就被廣泛使用在這些裝置上。在實際運用的角度來看, 電池剩餘電量的精度, 一直是使用者要求的重點之一, 任何人都不希望看到剩餘電料顯示還有30%, 可是下一秒鐘或是接乙個**, 或是開啟相機準備照相, 結果卻是斷電收場。當然這種狀況在早期feature phone時代是經常發生, 主要是因為當時裝置的功能單純, 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。所以當時的電量計的式設計很簡單, 就是用量測電壓, 透過查表、或是簡單的計算來決定剩餘電量。

相對於智慧型手機的時代, 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%, 下乙個動作卻讓裝置直接斷電, 恐怕消費者都沒法接受。

電壓查表法的優點是成本低最低, 能耗也很低。缺點是精度也最相對較低, 且soc會隨著負載的變化而上下跳動, 當電池老化之後, 這種跳變的現象會更加明顯。

2.庫侖計

庫侖計, 顧名思義, 就是電池電荷的累計。通過檢流電阻檢測充放電電流, 衝進去的電量就是電池的容量。總容量減去放出的容量就是電池剩餘容量。

此方法實現相對簡單, 且原理容易理解, 是目前使用比較多的一種計算方法, 但是, 並無法作為真正的電池電量計算使用。方案最大的問題在於兩點, 一是累計誤差, 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, 庫侖計一般只是作為電量計算的輔助工具, 需要配合其他裝置或取樣資料進行修正使用。

3.透過檢測電壓, 電流及溫度, 加上演算法來計算剩餘電量

這是比較典型的電量計算方案, 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精確的計算出剩餘電量, 可是當電池老化之後精度就逐步降低, 這主要是因為庫侖計的計算基礎事先要了解目前電池的總容量, 再依據量測到的當前的電壓、電流以及溫度, 來計算用掉的容量之後, 估算出剩餘電量。可是當電池老化之後, 隨之而來的就是總容量變少, 這個時候如果還是用新電池的總容量當成計算的基礎, 剩餘電量的計算誤差就會越來越大。

這個方式的優點是期初精度很高, 缺點有：

(a)元器件成本相對較高, 同時需要額外的製程及裝置來進行檢流電阻的校正, 以及對電池的全充放電來估算初期電池總容量。

(b)隨著電池老化, 誤差會隨之增加。

(c)方案本身的能耗比較於電壓檢測方案要高很多。

4.針對電壓檢測方案的優化

(a)這個方案主要是針對長期精度進行優化, 最主要的步驟就是在電量計晶元內, 針對現在使用的電池芯建模, 由於理論上電池無論是新的還是老化之後, 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餘電量的參考依據, 同時還把因為大電流放電溫公升的因素考慮進來, 以提公升長期電量計算精度。可是這個方案是在大部分應用中, 精度都可以維持在正常範圍內。

(b)除此以外, 也有廠商針對上述缺點, 在電量計內加上自我學習校準的演算功能, 來應對老化的影響, 以保持長期剩餘電量的精度。

5.針對普通電流檢測方案的優化

由於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「內阻追蹤(impedance track)」的技術, 根據內阻的變化決定電池老化的程度, 來修正剩餘電量計算的精度。

電量計技術比較:

電量計技術代表廠家方案成本短/長期精度

電壓查表法所有未使用電量計的廠家低低/非常低

庫侖計 qualcomm，broadcom

（主要放在pmic/pmu內） mtk, x-power(芯智匯) 中中

o2(凹凸)，epi（芯傳）（由開發的軟體方案決定）

電壓檢測+溫度檢測+電池建模 maxim(美信) 低低/中

電壓檢測+溫度檢測+電池建模 cellwise（賽微）低高/高

+自學習演算

庫侖計+內阻追蹤 ti(德州儀器) 高高/高

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