關(guān)于電池電量計(jì)的設(shè)計(jì)分析和介紹

只要有機(jī)會，我就會對手機(jī)進(jìn)行充電，因?yàn)椴幌朊鎸κ謾C(jī)沒電的情況，也不想電池被過度使用，想盡力延長它的壽命。即使這么關(guān)心它，我前段時(shí)間還是發(fā)現(xiàn)手機(jī)電池的消耗速度明顯加快了，于是決定將電池電量耗盡以糾正電量計(jì)算的誤差，然后就發(fā)現(xiàn)電量計(jì)量數(shù)據(jù)在到了 1% 以后就長時(shí)間不變了，我讓手機(jī)死命工作好久以后才使它實(shí)現(xiàn)了自動關(guān)機(jī)。

根據(jù)我對電量計(jì)算方法的理解，我的 iPhone 手機(jī)使用的是庫倫電量計(jì)，這是一種理論上完全正確、實(shí)際上有不足的計(jì)算方法，它所帶來的問題是累積誤差，上面所說我的手機(jī)的反應(yīng)就是由這種累積誤差導(dǎo)致的，數(shù)據(jù)已經(jīng)告訴系統(tǒng)快沒電了，但電池里其實(shí)還有很多電可用，所以它就停在 1% 那個地方不動了，直到電池真的被耗盡、電池電壓低到關(guān)機(jī)閾值才真的實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)，這個現(xiàn)象其實(shí)讓我對手機(jī)的信息顯示產(chǎn)生了懷疑的結(jié)果。

庫倫電量計(jì)的實(shí)現(xiàn)方法大概是這樣的：

通過一個電阻將流入、流出電池的電流信號轉(zhuǎn)化為電壓信號，再用 A/D 轉(zhuǎn)換器將此信號轉(zhuǎn)化為可計(jì)數(shù)的數(shù)據(jù)信息，電流流入則使計(jì)數(shù)器數(shù)值增加，電流流出則使計(jì)數(shù)器數(shù)值減少。計(jì)數(shù)器的數(shù)值是經(jīng)過標(biāo)定的，電池被充滿的時(shí)候要使計(jì)數(shù)器的數(shù)值為滿幅度值，電池被耗盡的時(shí)候要使計(jì)數(shù)器的數(shù)值為 0，只有經(jīng)過標(biāo)定后的計(jì)數(shù)值才能與準(zhǔn)確的電量數(shù)據(jù)對應(yīng)起來。

這種庫倫計(jì)量的方法看起來是非常合理的，但是有些誤差卻無法被避免。

人們雖然可以將電流檢測和 A/D 轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)到非常精確的程度，但是怎么精確都會有誤差存在，這是進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)不得不面對的事實(shí)。

電池自身的放電不能被庫倫電量計(jì)檢測到，因?yàn)檫@部分電流不會經(jīng)過電流檢測電阻，而且這種自放電還隨著電池的溫度在發(fā)生變化，想對它進(jìn)行評估以糾正其導(dǎo)致的誤差也是一件難事。下圖顯示了溫度與電池自放電之間的關(guān)系：

使用不同的放電率對電池進(jìn)行放電，電池的容量是不相等的，也就是說電池容量隨電流的大小在發(fā)生變化，你想單純用電流信息對電量進(jìn)行計(jì)算是有明顯不足的。

當(dāng)溫度發(fā)生變化的時(shí)候，電池的容量也變了，你只計(jì)量電流量怎能反應(yīng)電池的真實(shí)容量呢？

電池在實(shí)際使用中所面臨的狀況是千差萬別的，所有的問題都可能導(dǎo)致電量計(jì)算誤差的存在，而且誤差還會隨著時(shí)間的延長而積累起來。

我不知道這些內(nèi)容是否已經(jīng)將可能導(dǎo)致電量計(jì)算誤差的所有因素涵括了，我也沒有見過誰這么詳細(xì)的去羅列這些問題，但還是不能排除從直覺上看庫倫電量計(jì)都是最合理的設(shè)計(jì)的結(jié)論，所以市場上的早期玩家都是庫倫電量計(jì)的擁躉，而且掌握了大量的市場。

庫倫電量計(jì)雖有不足，但畢竟被大量使用著，我的 iPhone 里就是用的這樣的東西，或許你的手機(jī)也是。根據(jù)它的實(shí)現(xiàn)原理，你需要經(jīng)常對它進(jìn)行標(biāo)定以糾正其累積誤差，這可以利用三個時(shí)間點(diǎn)來進(jìn)行：電池充滿時(shí)，電池耗盡時(shí)，電池休息好了的時(shí)候，這幾種狀態(tài)下都可以對電池的容量進(jìn)行比較準(zhǔn)確的評估，把握好了就可以把誤差壓到一定的范圍內(nèi)，如下圖所示：

本文開頭說的把電池耗盡就是在為糾正電量誤差提供條件，而充滿則是經(jīng)常都在進(jìn)行，所以就不用特別操作了。但是即便如此，準(zhǔn)確的電量數(shù)據(jù)還是很難獲得，因?yàn)樗^的充滿都是以充電截止電壓和充電截止電流為指標(biāo)來做的判斷，所謂的耗盡是以放電截止電壓來做的判斷，而這些都是存在實(shí)施誤差的，而且開展的過程也在不斷改變電池本身的容量。

所謂的電池休息好了是指電池在既不充電、也不放電的狀態(tài)下靜置一段時(shí)間以后的狀態(tài)，這時(shí)候的電池電壓是穩(wěn)定的，測得該數(shù)據(jù)以后就可以將此數(shù)據(jù)和實(shí)際的電量數(shù)據(jù)連接起來，這種評估電池電量的方法被稱為開路電壓查表法。

在實(shí)施所有這些方法的時(shí)候，我們都需要知道電池的實(shí)際容量是多少，但通常一個設(shè)計(jì)者只能知道電池最初的額定容量，最初的實(shí)際容量會因電池的不同個體而不同，初始容量相同的電池在實(shí)際使用中的容量衰減速度也是不同的，因?yàn)橛泻芏嘤绊懭萘克p速度的因素存在（溫度、充放電電流、電壓等），除了上面已經(jīng)提供的信息以外，我經(jīng)常用到的還有下面兩幅圖，它們分別說明了充電電壓和充電電流對電池容量和循環(huán)壽命的影響。

為了彌補(bǔ)大電流充電對電池壽命的影響，現(xiàn)在流行的快充常常會主動降低充滿電壓的閾值，雖然這會造成其當(dāng)前充電量的損失，但是對提升電池壽命有幫助。又由于可以快充，用戶對當(dāng)前容量的降低不會太敏感，再加上電池容量通常都很大，用戶實(shí)際上的感受都會比較好。如果哪一天我也開始使用具有快充功能的手機(jī)了，我會主動不使用它的快充特性，這樣便從技術(shù)的角度為手機(jī)實(shí)現(xiàn)長壽命提供了幫助。這里提到的長壽法要如何實(shí)施是值得思考的，但我并不想在這里說出答案，避免剝奪了讀者自己思考的機(jī)會。

設(shè)計(jì)更好的電池電量計(jì)的方案其實(shí)就隱藏在上面已經(jīng)述及的內(nèi)容中，只是其實(shí)施其實(shí)也是個大工程，這需要對電池特性有充分的理解，也需要強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力。當(dāng)我在幾年前看到立锜推出的第一代電量計(jì)產(chǎn)品 RT9420/RT9428 時(shí)，我便意識到自己所在的立锜科技已經(jīng)不是一個單純的模擬 IC 供應(yīng)商了?，F(xiàn)在立锜又推出了更加完善的第二代產(chǎn)品 RT9422，我便知道它的能力又上了一個臺階。這些產(chǎn)品都有什么樣的特性呢？限于篇幅限制，主要是不想一次性給讀者太多的閱讀壓力，這里就不細(xì)說了，請真正感興趣的讀者到立锜科技官網(wǎng)輸入型號進(jìn)行查詢吧，點(diǎn)擊文末的閱讀原文可以快速前往。