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,、多媒體播放器,、GPS終端等消費類電子設(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,。

圖1 Windows Mobile 手機中電量計量

 

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。手機用戶經(jīng)常發(fā)現(xiàn),，在手機顯示還有兩格電的時候,，電池的電量下降得非常快,，也就是因為這時候電池已經(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,。

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,。

                                       （1）

 

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：

           （2）

同時,，STC3100會把Rcg兩端的電壓值與采樣周期相乘后放入28位的累加器中,，其中的高16位會放入REG_CHARGE（02h和03h）寄存器中,其實際的電量可以按式三計算。

                                                                                                              （3）

 

 

STC3100自身的供電管腳Vcc和電池電壓檢測管腳Vin是分開的,，如圖7所示,，這樣很容易可以在電壓檢測管腳加入R2（1kohm）和C2(47nF~220nF)組成的ESD 保護(hù)和濾波電路，而電阻R1（150ohm）和齊納二極管D1(5.6V)組成對Vcc的ESD保護(hù)電路,，從而不會影響對電池電壓的檢測精度,。電池電壓和溫度經(jīng)ADC采樣后分別放于REG_VOLTAGE 和REG_TEMPERATURE寄存器中，按照式三和式四可以分別計算出電池的實際電壓和溫度值,。

 

           （4）

    （5）

 

圖7 STC3100的電源管腳和電池電壓監(jiān)控管腳

 

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

 

電池的容量會隨溫度,、充放電次數(shù)和使用時間的長短變化而變化,，因此，為得到精確的電池電量,，僅僅獲得電池電壓,、電流是不夠的，還要考慮溫度,、電池老化,、電流檢測電阻精度等因素造成的累計誤差，因此,，建議在使用中定期一次電池的完全的充放電過程,，進(jìn)行消除累計誤差,，不斷保持電量的精度,。上述軟件在STC3100的demo板（STEVAL-ISB0011V1）進(jìn)行了驗證，如圖9所示,。該Demo板使用STM32進(jìn)行軟件處理,，其上電池的充電芯片是具有800mA充電能力的STC4054，16*2矩陣的液晶LCD可是實時顯示電池的容量,、電壓,、電流和溫度等參數(shù)，同時支持通過USB接口和PC通訊的功能,，能夠把電池的信息上傳給上位機,。

 

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,。