摘要
本文結(jié)合鋰電池充放電特性，詳細(xì)介紹和比較了三種鋰電池電量的計算方法：電壓估算法、模型查表法和電流檢測法，分析了系統(tǒng)側(cè)電量計量和電池側(cè)計量的優(yōu)缺點，并以意法半導(dǎo)體電量計量芯片STC3100為例，介紹了其使用方法和設(shè)計中的注意事項，在其Demo板上實現(xiàn)1%精度的電量計量，同時說明和實現(xiàn)了鋰電池的電量初次預(yù)估和減小電量計量偏差的軟件算法。實驗證明，電流檢測法具有更高的精度和穩(wěn)定性，并且能消除由于電池老化帶來的測量誤差，更適合應(yīng)用在電池組中或手持設(shè)備的主電路板中。
Accurate Fuel gauge implementation for Li-Ion Battery in portable devices
Abstract
This article presents three methods to implement the fuel gauge for the Li-Ion battery in portable devices: Voltage-Monitoring, Battery-modeling and Current-sensing, and analyze the characters of different gauge IC locations. STC3100 is the battery monitor IC with battery fuel gauge by current-sensing method from STMicroelectronics, one experiment is setup with STC3100 demoboard to implement the battery fuel gauge, and a software is designed to minimize the measuring error. Finally, the results show that current-sensing fuel gauge has better accuracy and stability, can effectively minimize the error due to battery aging, more suitable for hand-held devices.
鋰電池具有高存儲能量、壽命長、重量輕和無記憶效應(yīng)等優(yōu)點，已經(jīng)在現(xiàn)行便攜式設(shè)備中得到了廣泛的使用，尤其是在手機(jī)、多媒體播放器、GPS終端等消費(fèi)類電子設(shè)備中。這些設(shè)備不但單純地只是支持單一的通訊功能，還支持流媒體播放和高速的無線發(fā)送和接收等等功能。隨著越來越多功能的加入且要獲得更長單次充電的使用時間，便攜式設(shè)備中鋰電池的容量也不斷地增大，以智能手機(jī)為例，主流的電池容量已經(jīng)800mAH增長到現(xiàn)在1500mAH，并且還有繼續(xù)增長的趨勢。
隨著大容量電池的使用，如果設(shè)備能夠精確的了解電池的電量，不僅能夠很好地保護(hù)了電池，防止其過放電，同時也能夠讓用戶精確地知道剩余電量來估算所能使用的時間，及時地保存重要數(shù)據(jù)。因此，在PMP和GPS中，電量計不斷加入到設(shè)備中，并且電量計也在智能手機(jī)中得到了應(yīng)用，尤其是在一些Windows Mobile操作系統(tǒng)的智能手機(jī)中，如圖1所示，電池電量的顯示已由原來的柱狀圖變?yōu)榱藬?shù)字顯示。
本文介紹和比較三種種不同電量計的實現(xiàn)方法，并且以意法半導(dǎo)體的STC3100電池監(jiān)控IC為例，在其Demo實現(xiàn)了1%精度的電池精度計量。
（a）柱狀圖電量顯示 （b）數(shù)字精確電量顯示
圖1 Windows Mobile 手機(jī)中電量計量
1，電量計的實現(xiàn)方法和分類。
據(jù)統(tǒng)計，現(xiàn)行設(shè)備中有三種電量計，分別是：
直接電池電壓監(jiān)控方法，也就是說，電池電量的估計是通過簡單地監(jiān)控電池的電壓得來的，盡管該方法精度較低和缺乏對電池的有效保護(hù)，但其簡單易行，所以在現(xiàn)行的設(shè)備中得到最廣泛的應(yīng)用。然而鋰電池本身特有的放電特性，如圖2所示。不難從中發(fā)現(xiàn)，電池的電量與其電壓不是一個線性的關(guān)系，這種非線性導(dǎo)致電壓直接檢測方法的不準(zhǔn)確性，電量測量精度超過20%。電池電量只能用分段式顯示，，如圖1.a所示，無法用數(shù)字顯示精確的電池電量。手機(jī)用戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn)，在手機(jī)顯示還有兩格電的時候，電池的電量下降得非?？欤簿褪且驗檫@時候電池已經(jīng)進(jìn)入Phase3。
圖2 鋰電池放電曲線
電池建模方法，根據(jù)鋰電池的放電曲線，建立一個數(shù)據(jù)表，每測量一個電壓值，根據(jù)該電壓去表中查出所對應(yīng)的電量。該方法有效地提高電量的測量精度，可以達(dá)到5%，且簡單易用，無需做電池的初次預(yù)估，但是該數(shù)據(jù)表的建立是一個復(fù)雜的過程，尤其是考慮到電池的溫度、自放電、老化等因素的影響，并且對不同容量或類型的電池的兼容性也是一個問題。該表需要結(jié)合溫度和電池壽命等因素進(jìn)行修正，才能得到較高的測量精度。
庫侖計，如圖3所示，在電池的正極或者負(fù)極串入一個電流檢測電阻，一旦有電流流入或者流出電池時，就會在電阻的兩端產(chǎn)生電壓Vsense，通過檢測Vsense就可以計算出流過電池的電流。該電流與時間做積分就是變化的電量，因此其可以精確跟蹤電池的電量變化，精度可達(dá)1%。盡管庫侖計存在電池初次預(yù)估的問題，且電流電阻的精度直接影響了電量的精度。但是配合電池電壓和溫度的監(jiān)控，一些軟件算法可以較好地減小鋰初次電量預(yù)估、電池老化、電流檢測電阻精度等等因素對測量結(jié)果的影響。該方法在現(xiàn)行的設(shè)備和電池組中得到最為廣泛的應(yīng)用，下文以意法半導(dǎo)體帶庫侖計的電池監(jiān)控芯片 STC3100為例，詳細(xì)介紹該方法實現(xiàn)高精度的電量計量。
（a）充電 (b) 放電
圖3 電池充放電示意
電量計按其位置來分，可以分為兩種：電池側(cè)電量計和系統(tǒng)側(cè)電量計。電池側(cè)電量計解釋電量計量芯片直接設(shè)計在電池組中，電量計芯片永遠(yuǎn)檢測一個電池，能夠?qū)崟r檢測電池的充放電、自放電和自身老化等等，即使電池未被使用時，這些電池參數(shù)在實時地檢測。該種電量比較精確，但是成本較高，電池接口復(fù)雜，系統(tǒng)對電池的兼容性較差。
而系統(tǒng)側(cè)電量計是指電量計設(shè)計在系統(tǒng)側(cè)而不是在電池組里，這樣可以避免電池組的重新設(shè)計，減小的電池的管腳，系統(tǒng)可以兼容更多的電池。并且便攜式設(shè)備要求電池體積越來越小，而容量越來越大，在系統(tǒng)側(cè)實現(xiàn)電量計比在電池中實現(xiàn)更為簡單便捷。但是，系統(tǒng)側(cè)的電量計需要更為復(fù)雜的軟件算法，解決電池的初次預(yù)估的問題、兼容不同特性電池的問題等等。
2，STC3100介紹和設(shè)計注意事項
STC3100是意法半導(dǎo)體帶庫侖計的電池監(jiān)控芯片，它能夠監(jiān)控電池的電壓、溫度、和電流，集成一個可編程的12～14位的ADC，硬件積分器用于庫侖計功能的計算，所測電流最大可達(dá)2.5A，積分器可以用7000mAh的電池，分辨率可達(dá)0.2mAh. 其內(nèi)部框圖如圖4所示。
圖4 STC3100內(nèi)部框圖
STC3100帶有一個I2C接口與處理器端進(jìn)行通訊，并且集成了32bytes的RAM，用于存儲電池的電量或其他特性信息。GPIO管腳可以用來作為電池低壓報警使用，其應(yīng)用框圖如圖5所示。
圖5 STC3100電量計量框圖
STC3100中的庫侖計需要一個32.768kHz的時鐘，用于作為計算電量的時基，其精度直接影響電量的計算精度。 STC3100支持內(nèi)部和外部的時鐘，外部時鐘優(yōu)先的原則，并且能夠自動檢測是否存在外部時鐘源，也可以通過設(shè)置寄存器設(shè)置成強(qiáng)制使用外部時鐘源。如圖6所示，如果用內(nèi)部時鐘，一個200kohm 0.1%的電阻連接與Rosc管腳和地之間，內(nèi)部時鐘精度在其供電電壓和工作溫度范圍內(nèi)為2.5%。為得到更高的精度，只能采用外部輸入高精度時鐘源的方式。
圖6 STC3100的兩種時鐘源
電流采樣電阻Rcg是用采集流入或流出電池的電流，由于ADC采樣的限制，該電阻的壓降不能超過+/-80mV，所以，該阻值由應(yīng)用中最大的峰值電流決定，如式一。如果峰值電流為2A，那么該阻值可以選擇33mohm。
電流電阻上的電壓經(jīng)ADC采樣后放置于REG_CURRET（06H和07H）寄存器中，而ADC的LSB是11.7uV，這樣就可以按式二計算實際流過的電流值：
3，軟件設(shè)計與驗證
STC3100寄存器中可以直接讀出電量的變化值、電池電壓、電流、溫度等數(shù)據(jù)，系統(tǒng)處理器需要在上電時，配置STC3100的寄存器，啟動其電量計數(shù)功能，如果是第一次上電，需要通過檢測的電池電壓進(jìn)行電池容量的初次預(yù)估。完成初次預(yù)估后就可以進(jìn)行實時的電池電量的實時計算，軟件的流程如圖所8示。
圖8 軟件流程框圖
圖9 STC3100 Demo板
該實驗采用1800mAh的電池，型號是（），實時監(jiān)控數(shù)據(jù)如圖10所示，其中包括了電池電壓、溫度、電流、剩余電量、電池容量和STC3100芯片的ID號。并且我們分別對STC3100施加外部和內(nèi)部的32K時鐘，測試結(jié)果證明，采用外部時鐘測量結(jié)果更為準(zhǔn)確。
圖10 電池監(jiān)控數(shù)據(jù)
結(jié)論
現(xiàn)在便攜式設(shè)備集成越來越多的功能，精確的電量計可以用于提示用戶剩余的使用時間，甚至可以在電池低電量時，可以提示用戶關(guān)閉耗電較大的設(shè)備，這樣可以給用戶以更好的使用體驗。意法半導(dǎo)體的STC3100是用在系統(tǒng)側(cè)的電池電量監(jiān)控芯片，可以精確地監(jiān)控電池電壓、電流、溫度，并且實時輸出電池電量，減輕了系統(tǒng)的工作量，并且它本身具有較小的功耗，比較適合便攜式設(shè)備的應(yīng)用。
參考文檔
1，STC3100 數(shù)據(jù)手冊；
2，STC3100應(yīng)用文檔AN3064；
3，STEVAL-ISB0011V1使用說明手冊UM0903;