让电池电量计更精确

发布时间：2020-06-30 18:30:13 阅读：次来源：压力表厂家

摘要：本文介绍一种新的高精度技术用于电池电量计，可帮助手机和其它便携式设备用户避免系统意外关闭的不便和无奈。

本文引用地址：电池供电的移动设备如智能手机、平板电脑和笔记本电脑已为现代生活所必需。例如，当今智能手机提供人们每天需多次使用的许多功能：发电邮、发短信、GPS、拍照、日历、记事本、多媒体播放器，甚至时不时的电话。用户通常需要在低电量时继续操作他们的设备，如果即使显示还剩百分之几的电量，系统突然关闭，可能带来不便。同样，许多笔记本电脑用户，已经历过在笔记本电脑为保护电池而比预期更快关机后，丢失未保存的工作的沮丧。

考虑到随时准确知晓电池剩余电量对用户的重要性，精确的电池“电量计”极其重要。但是通常用于便携式设备的库伦计数技术不仅不准确，导致意外关机的可能性非常大，而且受制于温度相关的误差，并消耗宝贵的电池电量，而将这些电量用来为其它功能电路供电可能更好。

1 库伦计数电量计

库仑计数使用一个高精度的电流检测电阻来监测电池不断输出的电流。电流随时间而集成，并将结果与已知的最大电量进行比较，以计算可用的剩余电量。

从根本上说库伦计数是不准确的，因为它无法检测电池自放电事件，因自放电电流未流过库伦计数的检测电阻。而且，自放电事件往往升高环境温度，改变检测电阻阻抗从而进一步影响精确度。此外，电池每次必须充满电以便精确校准。

库伦计数更多的缺点包括精密检测电阻相对高的成本，以及当检测电流持续流过被这电阻消耗的宝贵的电池电量。

库伦计数精确度约8%左右。因此如果指示器显示剩余电量为10%，那么实际值可能低至2%。对笔记本用户来说，这带来在工作中丢失未保存文件的切实风险。在智能手机中，因系统关闭非必需的功能而可能导致通话中断或功能丢失。由于如此不准确的水平，用户可能在即使指示器显示还有20%左右剩余电量时就开始担心电池剩余的使用时间。对显示的电池使用时间骤降的担心，只会增加对状态信息的不信任感。

当市场耐心等待电池技术的改进(或事实上不甘现状)，设备设计工程师构思日益复杂的电源管理方案，以节省每一个可能报废的电池电量时，电量计为用户提供准确的读数，同时它本身消耗尽可能少的电池电量是极其重要的。

2 更好的方法

安森美半导体已开发出专利方法HG-CVR(通过使用内部阻抗探测电流-电压的混合计量法)，根据使用精密的模数转换器(ADC)测得的电池电压计算电池剩余电量。图1所示为基本应用电路，显示使用这技术的一个电量计系统的主要功能模块。

描述被监测的电池技术的电压与电量的关系特性的参考表被存于内存中。通过比较测到的电压与存于表中的值，可计算出电池剩余电量。图2说明了原理：如果测得的电压为4.0 V，与参考表的比较表明电池电量剩余75%。

在已知的时间间隔重复测量电压。电池温度也被监控。根据电压和温度测量，和在已知的时间间隔记录的电压变化，就可计算出电池电量将完全耗尽前的剩余时间。当电池电压更低时，读数会更频繁，以确保当电池剩余的使用时间变得更短时的准确的预测。

这种方法通过测量电池组电压，能考虑到电池自放电事件。而且，电池无需充满电就能校准。即使电池只充电到50%，也可准确计算电池剩余使用时间。

由于测量间隔，监测电路无需持续运行。这使电量计电路能在测量之间进入节能睡眠模式。与传统的库伦计数相比，这种方法因无需检测电阻因而降低运行能耗。

3 温度补偿

众所周知，在低环境温度下工作对锂电池性能有显著影响。特别地，随着温度降至0℃以下，电池阻抗变化，导致当放电电流流动时电池压降增加。安森美半导体已在其LC709203F电池电压检测电量计IC中添加独特的校正算法。这算法有助于确保电量计在宽范围的环境温度下在所有电池电压下的精度保持在2.8%以内。

为比较使用安森美半导体的LC709203F的电量计量法和库伦计数电路的性能，装有新电池的智能手机自适应以支持正负极电池连接，电池组的输出热敏电阻被连接至LC709203F，同时使智能手机的内置电量计能继续运行。数据记录器用来记录内置电量计的输出，这通过智能手机的I2C总线和LC709203F的输出来监测。智能手机被置于一个0℃的恒温容器中，开启背光，运行于飞行模式。图3所示为实验装置。

图4所示为比较的结果。使用LC709203F在测试期内达到的精度高于2.8%，电池剩余电量最低水平高于2%。标准的电量计系统运行具有不同程度的误差，当电池电量即将耗尽时，达到高于6%的最高水平。从用户角度来讲，希望当电池电量更低时有更高精度，以便预测设备可能关闭的时间。

4 尺寸和省电

LC709203F支持只需一个外部元器件的高能效电量计量，而替代的器件可能需要2-5个或多达14个额外元器件，这大大节省物料单成本和设计时间，还提升可靠性。而且，1.76mm x 1.6mm的封装较替代器件小45%。结合减少的元器件数，这使电量计电路的整体线路板(PCB)面积将减少约77%。这对智能手机设计工程师可能代表了一个关键的好处，他们持续奋战于嵌入所有设计元素以提供消费者想要的功能和用户接口，留给元器件更小的空间使这一切成为现实。

总功耗也更低。LC709203F工作电流为15 μA，约为相似的竞争器件118 μA的1/10。除了运行时的消耗改进超过87%，LC709203F在睡眠模式下最高消耗60%的电流。

5 结论

传统的库伦计数电池电量计具有相对较差的精度，使当今用户在使用他们的移动设备时容易受到不便的中断，特别是当工作接近电池剩余电量极限时。新技术使用精密的电池电压检测，内置误差校正和温度补偿，确保一个更精确、具成本效益和节能的方案，将使用户能更有效地管理他们的移动电池。