單節鋰電池電量計相關技術概述

隨著智慧型手機(Smart Phone)、平板計算機及MID在等手持及可攜式設備在市場上的大量推廣銷售, 再加上各類型的應用程式(APP)的多樣性及可用性越來越豐富, 致使相關的手持及可攜式設備的配置越來越豪華, 例如更快、更多核的應用處理機, 更大的內存, 更高解析度的顯示屏、更高級的觸控控制, 再加上許許多多為了讓應用程式(APP)更好用的器件, 如衛星定位、無線上網/藍牙、3D陀螺儀、及相關的元器件, 讓一個全計算機功能可以在一個手持或可攜式設備上實現。

相對於電子及半導體技術的進步, 手持及可攜式設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可攜式設備的能量儲存設備, 也就是電池的大小及重量加上了限制。當然電池電能容量的大小, 跟手持及可攜式設備的續航力有直接的相關性, 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於新電池時來的少)。電量計存在的目的, 就是不管在哪一個電池使用的時間點, 可以精確的估算出電池剩餘電量, 更進一步的, 依據目前設備的能耗狀況, 估算出剩餘可用時間。從使用者角度來看, 如果能更進一步的估算出看電影還可以看多久, 打電話還可以打多久, 甚至於要作視頻會議還可以講多久, 玩遊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最高的境界。

下面我們就最主要的電量計技術做進一步分析：

主要電量計技術分析：

1.電壓查表法來計算剩餘電量

自從手持及可攜式設備被開發出來, 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一個電話, 或是打開相機準備照相, 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, 主要是因為當時設備的功能單純, 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%, 下一個動作卻讓設備直接斷電, 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, 需要配合其他設備或採樣數據進行修正使用。

3.透過檢測電壓, 電流及溫度, 加上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設備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片內, 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升的因素考慮進來, 以提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

市場應用狀況分析

由於國內手持及便攜設備大體可以分成兩個部份, 一是智慧型手機, 二式平板計算機/MID。針對這兩個市場的應用, 目前這兩個區塊的主要參考設計還是由AP廠家來提供。例如智慧型手機的Qualcomm, Broadcom, MTK, nVIdia, Samsung, Hisilicon(海思)等, 以及平板計算機/MID的全志, 炬力, 瑞芯微, 中星微等。

由於國內大部的手持及可攜式設備廠家在開發新的產品時, 都必須仰賴AP廠提供技術支持, 所以對原廠的參考設計, 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計用了某一廠家的電量計, 或是如Qualcomm, Broadcom, MTK等用了自己PMIC內的庫侖計, 再通過AP的計算來實現電量計功能。目前在市場上由於蘋果手機及平板的原始設計用的是TI的方案, 所以在市場上, TI可以說是在電量計耕耘最久, 市場佔有率最大的廠商。其次是由於Samsung大量採用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。

其餘的無論是把庫侖計放在PMIC內, 亦或是如Cellwise的加上自學習功能的電量計, 都是最近這兩年進到市場的方案。之所以會有這個趨勢, 最重要的原因是消費者開始要求設備的電量指示的精度。這個要求反應在所有手持及可攜式設備的作業系統(iOS, Android, Windows Phone), 還有各類的APP上。由這個趨勢也可以清楚的看出, 電量計在手持及可攜式設備上所扮演的角色也越來越重要了。

結語

電量計在手持及可攜式設備, 尤其是智慧型手機及平板計算機/MID應用的重要性隨著AP廠家把庫侖計加入PMIC, 提供電量計的功能, 已經被突顯出來了。可是這只是起步, 由於電量計是在手持及可攜式設備內最了解電池的晶片, 因此如何透過這個特點, 延長電池的使用壽命, 會是下一個可以延續的應用。

更進一步的是, 在手持及可攜式設備的應用中, 智慧型手機及平板計算機/MID只是其中的一環。鋰電池的應用必須要有精確電量計的應用, 會隨時被開發出來, 現在可見的是在消費市場上的可攜式移動電源就是一個很好的例子。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, 由於帶有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的價格, 但卻代表消費者心目中電量計的價值。