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FUEL GAUGE 电池电量检测方法及原理
锂电池具有高存储能量、寿命长、重量轻和无记忆效应等优点,已经在现行便携式设备中得到了广泛的使用,尤其是在手机、多媒体
播放器、GPS 终端等消费类电子设备中。这些设备不但单纯地只是支持单一的通讯功能,还支持流媒体播放和高速的无线发送和接收等
等功能。随着越来越多功能的加入且要获得更长单次充电的使用时间,便携式设备中锂电池的容量也不断地增大,以智能手机为例,主
流的电池容量已经800mAH 增长到现在1500mAH,并且还有继续增长的趋势。
随着大容量电池的使用,如果设备能够精确的了解电池的电量,不仅能够很好地保护了电池,防止其过放电,同时也能够让用户精确
地知道剩余电量来估算所能使用的时间,及时地保存重要数据。因此,在PMP 和GPS 中,电量计不断加入到设备中,并且电量计也在智
能手机中得到了应用,尤其是在一些Windows Mobile 操作系统的智能手机中,如图1 所示,电池电量的显示已由原来的柱状图变为了数
字显示。
本文介绍和比较三种种不同电量计的实现方法,并且以意法半导体的STC3100 电池监控IC 为例,在其Demo 实现了1%精度的电池
精度计量。
(a )柱状图电量显示 (b)数字精确电量显示
图1 Windows Mobile 手机中电量计量
1,电量计的实现方法和分类。
据统计,现行设备中有三种电量计,分别是:
直接电池电压监控方法,也就是说,电池电量的估计是通过简单地监控电池的电压得来的,尽管该方法精度较低和缺乏对电池的有效
保护,但其简单易行,所以在现行的设备中得到最广泛的应用。然而锂电池本身特有的放电特性,如图2 所示。不难从中发现,电池的
电量与其电压不是一个线性的关系,这种非线性导致电压直接检测方法的不准确性,电量测量精度超过20%。电池电量只能用分段式显
示,,如图1.a 所示,无法用数字显示精确的电池电量。手机用户经常发现,在手机显示还有两格电的时候,电池的电量下降得非常快,
也就是因为这时候电池已经进入Phase3。
图2 锂电池放电曲线
电池建模方法,根据锂电池的放电曲线,建立一个数据表,每测量一个电压值,根据该电压去表中查出所对应的电量。该方法有效地
提高电量的测量精度,可以达到5%,且简单易用,无需做电池的初次预估,但是该数据表的建立是一个复杂的过程,尤其是考虑到电池
的温度、自放电、老化等因素的影响,并且对不同容量或类型的电池的兼容性也是一个问题。该表需要结合温度和电池寿命等因素进行
修正,才能得到较高的测量精度。
库仑计,如图3 所示,在电池的正极或者负极串入一个电流检测电阻,一旦有电流流入或者流出电池时,就会在电阻的两端产生电压
Vsense ,通过检测Vsense 就可以计算出流过电池的电流。该电流与时间做积分就是变化的电量,因此其可以精确跟踪电池的电量变化,
精度可达1%。尽管库仑计存在电池初次预估的问题,且电流电阻的精度直接影响了电量的精度。但是配合电池电压和温度的监控,一些
软件算法可以较好地减小锂初次电量预估、电池老化、电流检测电阻精度等等因素对测量结果的影响。该方法在现行的设备和电池组中
得到最为广泛的应用,下文以意法半导体带库仑计的电池监控芯片 STC3100 为例,详细介绍该方法实现高精度的电量计量。
(a )充电 (b) 放电
图3 电池充放电示意
电量计按其位置来分,可以分为两种:电池侧电量计和系统侧电量计。电池侧电量计解释电量计量芯片直接设计在电池组中,电量计
芯片永远检测一个电池,能够实时检测电池的充放电、自放电和自身老化等等,即使电池未被使用时,这些电池参数在实时地检测。该
种电量比较精确,但是成本较高,电池接口复杂,系统对电池的兼容性较差。
而系统侧电量计是指电量计设计在系统侧而不是在电池组里,这样可以避免电池组的重新设计,减小的电池的管脚,系统可以兼容更
多的电池。并且便携式设备要求电池体积越来越小,而容量越来越大,在系统侧实现电量计比在电池中实现更为简单便捷。但是,系统
侧的电量计需要更为复杂的软件算法,解决电池的初次预估的问题、兼容不同特性电池的问题等等。
2,STC3100 介绍和设计注意
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