消除對(duì)于電池電量計(jì)的誤解—精確的電池監(jiān)測(cè)可以提高無(wú)線手機(jī)和其

摘要：大多數(shù)手持產(chǎn)品缺乏精確的電池充電監(jiān)測(cè)器(“電量計(jì)”)，許多人誤認(rèn)為設(shè)計(jì)一個(gè)精確的電量計(jì)是一件非常困難的事情。本文所介紹的內(nèi)容打破了這一神話，討論了在各種溫度、充電/放電速率以及電池老化的情況下實(shí)現(xiàn)精確監(jiān)測(cè)的方案。

電池“電量計(jì)”監(jiān)測(cè)無(wú)線和蜂窩電話、PDA以及MP3播放器等便攜式產(chǎn)品中的可充電電池的剩余電量。精確的電量計(jì)量可使手持設(shè)備充分利用其電池，并允許系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員采用小型電池，降低了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)，提高了客戶(hù)滿意度。

結(jié)合了PDA與蜂窩電話的新型設(shè)備即從精確的電量計(jì)中獲益良多。與筆記本電腦等大型設(shè)備不同，他們雖然不使用包含電量計(jì)的智能電池標(biāo)準(zhǔn)，但卻傾向于使用電量計(jì)來(lái)延長(zhǎng)兩次充電之間的工作時(shí)間，保護(hù)有效數(shù)據(jù)。

使用DS276x、DS277x、DS274x和DS275x系列產(chǎn)品可以很容易地實(shí)現(xiàn)有效電池壽命的精確監(jiān)測(cè)。

誤解1：精確的電池信息不會(huì)增加運(yùn)行時(shí)間

無(wú)線手持系統(tǒng)不斷增加的存儲(chǔ)容量要求意味著應(yīng)用程序和用戶(hù)文件將被保存在易失型RAM存儲(chǔ)器中。電池功率的喪失會(huì)給用戶(hù)生成或購(gòu)買(mǎi)的文件造成損毀。一些系統(tǒng)采用可充電鈕扣電池在主電池放空或斷開(kāi)時(shí)給存儲(chǔ)器供電，但是，即使是這種電池中最大號(hào)的也僅有25mAh的容量，保護(hù)存儲(chǔ)器的時(shí)間不會(huì)長(zhǎng)于1天。而且，一般鈕扣電池持有的電量通常低于5mAh，只消數(shù)個(gè)小時(shí)就會(huì)耗盡。因此，以數(shù)據(jù)為中心的無(wú)線手持設(shè)備必須在主電池完全放盡前及時(shí)關(guān)閉，以確保電池中有足夠的剩余電量來(lái)保護(hù)存儲(chǔ)器中的內(nèi)容，直到有充電器接入。多數(shù)用戶(hù)要求電池至少能夠使用5天，10天以上更好。理想情況下，多功能手機(jī)或無(wú)線PDA中的電池在停止使用時(shí)應(yīng)該從其900mAh至2000mAh的總電量中留出100mAh至200mAh的剩余電量。

舉例來(lái)講，假定某應(yīng)用要求150mAh的剩余電量。圖1中的+20°C曲線表明，選擇3.5V的截止電壓就能給電池保留適當(dāng)?shù)氖Ｓ嚯娏?。然而?°C和+40°C曲線卻并非如此。如果電池比較冷(0°C曲線)，電壓會(huì)有所下降。采用3.5V截止電壓將導(dǎo)致400mAh的剩余電量， 而用于工作的還不到600mAh。與此相反，電池較熱時(shí)電壓會(huì)上升。此時(shí)的剩余電量將不足100mAh (+40°C曲線)。


圖1. 放電電壓曲線隨溫度而變。如果電池較冷，電壓會(huì)下降。如果電池較熱，電壓將上升。

負(fù)載電流變化所造成的影響也很顯著。圖2中的曲線顯示了三種不同放電速率下的電壓變化曲線：C/2，C/5和C/10，其中C等于電池的電荷容量。曲線表明，到達(dá)3.5V 截止電壓時(shí)，剩余電量由C/10的<100mAh變化至C/2的>200mAh。如果將截止電壓提升至3.6V，以確保C/10負(fù)載條件下有足夠的剩余電量，那么三種放電速率下的剩余電量將在150mAh至400mAh間變化。因此，試圖通過(guò)提升截止電壓來(lái)增加剩余電量的做法將遭受巨大的損失。


圖2. 電壓曲線隨放電速率而變，增加截止電壓將降低儲(chǔ)備電量。

盡管不太明顯，電池的老化也會(huì)使放電曲線發(fā)生變化。老化效應(yīng)因電池而異，并且不同制造商的產(chǎn)品會(huì)有顯著差異。而且，程度較淺的放電循環(huán)和深度放電循環(huán)所造成的老化效應(yīng)各不相同。圖3顯示，電池經(jīng)過(guò)500次循環(huán)后，總?cè)萘恐械?50mAh永久地喪失了。這只是在此特定應(yīng)力條件下某個(gè)電池的一個(gè)實(shí)例。重復(fù)性深度放電所致的老化效應(yīng)給剩余電量帶來(lái)的影響大約在50mAh至75mAh。


圖3. C/2放電電壓曲線隨老化而變。本例顯示了一個(gè)在此應(yīng)力條件下特別好的一個(gè)電池特性。

漏洞百出的電量測(cè)量手段

通過(guò)查詢(xún)表格的辦法可以補(bǔ)償溫度、放電速率和老化效應(yīng)所造成的終止電壓的大幅變化。然而，這種方法很容易出錯(cuò)，而且還要求測(cè)量溫度和電流。為保證精度，電流和電壓應(yīng)同時(shí)測(cè)量，以確保終止電壓數(shù)據(jù)與一定的放電速率相符合。正是由于這個(gè)原因，許多基于電壓的電量檢測(cè)手段并未考慮放電速率。如果只考慮電壓和溫度，需要建立一個(gè)二維查詢(xún)表格來(lái)保存額定電池參數(shù)，以便用來(lái)估計(jì)剩余電量。這種方法在整個(gè)溫度范圍內(nèi)會(huì)產(chǎn)生20%至40%的誤差。

由于基于電壓的檢測(cè)手段精度有限，一個(gè)常用的替代方案是采用比實(shí)際需求更大的電池。這會(huì)影響手持設(shè)備的尺寸，而對(duì)于這些設(shè)備來(lái)講，尺寸卻是一項(xiàng)很關(guān)鍵的競(jìng)爭(zhēng)因素。還有另外一些替代方案使用小電池，但或者縮短了運(yùn)行時(shí)間，或者增加了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。最佳選擇是采用一個(gè)智能電池監(jiān)視器(例如DS276x和DS277x系列)，這種方案在不增加手持設(shè)備尺寸和數(shù)據(jù)丟失風(fēng)險(xiǎn)的條件下有效延長(zhǎng)了運(yùn)行時(shí)間。

智能電池監(jiān)視器如何工作

智能電池監(jiān)視器通常不是根據(jù)電壓、溫度和電流去查詢(xún)電量。它所測(cè)量的是流入和流出電池的電荷。利用庫(kù)侖計(jì)數(shù)器跟蹤電池的電荷量。通過(guò)測(cè)量溫度和放電速率，基于一個(gè)保存了電池特性參數(shù)的小型查詢(xún)表，對(duì)電池供出電荷的能力加以補(bǔ)償。DS276x和DS277x系列提供所有必要的測(cè)量和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，再利用主系統(tǒng)提供的算法計(jì)算出最終結(jié)果。當(dāng)溫度<+15°C時(shí)，由滿充狀態(tài)放電時(shí)的最大測(cè)量誤差有望達(dá)到3%以?xún)?nèi)。在各種溫度、負(fù)載和老化狀態(tài)下的綜合測(cè)量誤差可達(dá)5%。如果兩次滿充的時(shí)間間隔超過(guò)了兩周，輸入失調(diào)誤差的影響將變得顯著。不過(guò)，大多數(shù)使用者會(huì)每周充滿電池。表1列出了電池監(jiān)視器的主要功能和特性。

表1. 電池監(jiān)視器的功能和特性

Device	Measured Parameters*	Current Range (mV)	Current Offset (μV)	Data Storage	Other Features
DS2761	V, T, I	±64	±15	32 bytes EEPROM	Li+ protector
DS2770	V, T, I	±51	±1.6	40 bytes EEPROM	Li+/NiMH charger

*V = 電壓、T = 溫度、 I = 電流

誤解2：精確顯示電池信息不會(huì)給使用者帶來(lái)好處

制造商們普遍認(rèn)為，和簡(jiǎn)單的條形圖或帶有三塊斜紋塊的簡(jiǎn)化電池圖標(biāo)相比，更精確的電池電量顯示并不被用戶(hù)賞識(shí)，甚至可能會(huì)使他們感到困惑。許多制造商相信，用戶(hù)滿足于簡(jiǎn)單的條形圖顯示，盡管它粗糙的無(wú)法反映真實(shí)的運(yùn)行時(shí)間變化情況。對(duì)于許多只有語(yǔ)音業(yè)務(wù)的蜂窩系統(tǒng)用戶(hù)來(lái)講的確如此，但是對(duì)于那些全功能無(wú)線數(shù)據(jù)設(shè)備的用戶(hù)來(lái)講事實(shí)并非如此。后者通常是過(guò)去的筆記本PC用戶(hù)，他們已經(jīng)習(xí)慣于用數(shù)字百分比顯示的剩余電量、預(yù)期運(yùn)行時(shí)間、待機(jī)和充電時(shí)間等。

一些制造商不太情愿顯示預(yù)期的電池容量，因?yàn)槿魏螌?duì)于剩余運(yùn)行或通話時(shí)間的估計(jì)都需要視當(dāng)前使用情況而定。他們無(wú)法在隨時(shí)變化的狀態(tài)中在事前做出估計(jì)。設(shè)備制造商也不希望因錯(cuò)誤地預(yù)報(bào)運(yùn)行時(shí)間而使用戶(hù)失望，而這種錯(cuò)誤常常是由于用戶(hù)從低功耗模式切換到了高功耗模式。

但是，不應(yīng)過(guò)低估計(jì)無(wú)線數(shù)據(jù)設(shè)備的用戶(hù)群。他們中的大多數(shù)對(duì)于不同使用模式間的差異已相當(dāng)了解，正如他們已了解了每箱汽油能使汽車(chē)在高速路上比在城市里跑更長(zhǎng)的路一樣(或者輕載情況較之重載情況)。當(dāng)他們?cè)诮裉斓氖殖窒到y(tǒng)上運(yùn)行下載的第三方軟件或CompactFlash?插入硬件時(shí)，很少有人會(huì)對(duì)運(yùn)行時(shí)間的變化感到困惑。

電池電量的不確定性在電池的后半段尤其顯得突出。當(dāng)你在手持設(shè)備上所看到的是普通的三或四段電池顯示時(shí)，你能想象得出電池還能工作多長(zhǎng)時(shí)間嗎? 突然的掉話、數(shù)據(jù)交換的中斷、數(shù)據(jù)文件的丟失等等這些經(jīng)驗(yàn)已教會(huì)用戶(hù)不要相信所顯示的數(shù)據(jù)。因此，有些用戶(hù)往往是在電池顯示用完一或兩段后就開(kāi)始給手持設(shè)備充電。由于過(guò)差的精度和過(guò)少的電池顯示段，用戶(hù)常常更多地返回到有線業(yè)務(wù)。用戶(hù)為了給以后的緊急通話保留足夠的電池能量，又有多少無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)被放棄了呢? 但是智能電池監(jiān)視器能夠顯示預(yù)算的運(yùn)行時(shí)間，這樣用戶(hù)能夠?qū)Σ煌哪Ｊ接兴煊X(jué)。DS276x和DS277x所提供的定量功率預(yù)算使用戶(hù)能夠自由決定如何消耗儲(chǔ)存在電池中的每一個(gè)電荷。

誤解3：電池監(jiān)視器需要在長(zhǎng)達(dá)數(shù)月的待機(jī)模式下保持準(zhǔn)確

這是一個(gè)安裝電池到新設(shè)備時(shí)出現(xiàn)的問(wèn)題。電池從工廠運(yùn)抵最終用戶(hù)常常需要3到9月的時(shí)間。電池監(jiān)視器的失調(diào)特性通常在1.6mV至30mV的范圍，很小的失調(diào)誤差經(jīng)過(guò)數(shù)月以上(數(shù)千小時(shí)) 的積累后等同于一個(gè)大百分比的電池電量損耗。制造商擔(dān)心監(jiān)視器可能會(huì)指示電池為空或滿，而實(shí)際的電池電量可能為30%。除非失調(diào)誤差能夠降低至一微伏以?xún)?nèi)，否則這種現(xiàn)狀仍將持續(xù)下去。

在使用之前用戶(hù)應(yīng)該徹底充滿電池。首次滿充是“熟化”電池的一個(gè)重要步驟，并被強(qiáng)烈推薦以獲得最優(yōu)的電池性能。用戶(hù)手冊(cè)中的免責(zé)條款已清晰地指示用戶(hù)初次使用前要充滿電池。如果電池已數(shù)月未用，通常也是建議用戶(hù)充滿電池。無(wú)論何時(shí)只要充滿電池，電池監(jiān)視器內(nèi)的庫(kù)侖計(jì)數(shù)器—DS276x和DS277x系列器件中的電流累積寄存器(ACR)—就會(huì)與電池保持同步。.

誤解4：智能電池監(jiān)視器成本過(guò)高

當(dāng)?shù)谝粋€(gè)電池監(jiān)視器方案進(jìn)入市場(chǎng)的時(shí)候，無(wú)線通信僅限于語(yǔ)音手機(jī)、PDA到PC的短程紅外或串行鏈路。Bluetooth?、Wi-Fi?和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)正處于開(kāi)發(fā)階段。智能電池監(jiān)視器既無(wú)成本效益又非關(guān)鍵部件。

由于數(shù)據(jù)現(xiàn)在已變得極富價(jià)值且非常敏感，情況已發(fā)生了變化。利用智能電池監(jiān)視器可以增加運(yùn)行時(shí)間、開(kāi)發(fā)出更小的設(shè)備、為用戶(hù)提供更有價(jià)值的體驗(yàn)、并激勵(lì)用戶(hù)進(jìn)行更多的無(wú)線活動(dòng)。如果用戶(hù)支付200美元至600美元購(gòu)買(mǎi)無(wú)線手持?jǐn)?shù)據(jù)設(shè)備，再每月花費(fèi)40美元至100美元用于服務(wù)費(fèi)用，那么由于精確顯示所增加的工作時(shí)間的價(jià)值又如何呢? 對(duì)于激烈角逐于尺寸、性能和成本的手持設(shè)備制造商來(lái)講，它對(duì)于新型號(hào)產(chǎn)品尺寸的縮減，其價(jià)值應(yīng)如何估量呢? 對(duì)于極力想促使用戶(hù)使用數(shù)據(jù)服務(wù)的無(wú)線運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，如果能使用戶(hù)相信電池不會(huì)迅速耗盡，其價(jià)值又有幾許呢? 僅有少數(shù)業(yè)界領(lǐng)先者理解，智能電池監(jiān)視器的價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了其成本。就在現(xiàn)在，他們的產(chǎn)品在運(yùn)行時(shí)間和用戶(hù)滿意度方面已將競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手拋在了身后。因此，在某種意義上，他們是在收獲酬金而非支付價(jià)格。

結(jié)論

創(chuàng)新性的產(chǎn)品功能往往是從“具備更好”的附加屬性向“必須具備”的核心或啟用功能演化。智能電池監(jiān)視器便是這樣一種功能。隨著手持運(yùn)算和通信用戶(hù)的增加，他們將越來(lái)越難以容忍數(shù)量有限的電池段圖標(biāo)所提供的、具有極大不確定性的電池電量估計(jì)?；陔妷旱姆桨杆殡S的，將是更大的電池、更大的手持設(shè)備、過(guò)早的停機(jī)和很低的用戶(hù)信任度。不過(guò)，幸運(yùn)的是對(duì)于電池能量的預(yù)測(cè)現(xiàn)在已非?？煽?。智能電池監(jiān)視器諸如DS276x和DS277x產(chǎn)品線使無(wú)線手持設(shè)備也能夠象PC那樣演化，降低尺寸的同時(shí)提升性能和用戶(hù)信任度。