鋰電池具有高存儲能量、壽命長、重量輕和無記憶效應等優點，已經在現行便攜式設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備中。這些設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800mAH增長到現在1500mAH，并且還有繼續增長的趨勢。

 

隨著大容量電池的使用，如果設備能夠精確的了解電池的電量，不僅能夠很好地保護了電池，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，及時地保存重要數據。因此，在PMP和GPS中，電量計不斷加入到設備中，并且電量計也在智能手機中得到了應用，尤其是在一些Windows Mobile操作系統的智能手機中，如圖1所示，電池電量的顯示已由原來的柱狀圖變為了數字顯示。

 

本文介紹和比較三種種不同電量計的實現方法，并且以意法半導體的STC3100電池監控IC為例，在其Demo實現了1%精度的電池精度計量。

圖1 Windows Mobile 手機中電量計量

 

1，電量計的實現方法和分類。

據統計，現行設備中有三種電量計，分別是：

 

直接電池電壓監控方法，也就是說，電池電量的估計是通過簡單地監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，但其簡單易行，所以在現行的設備中得到最廣泛的應用。然而鋰電池本身特有的放電特性，如圖2所示。不難從中發現，電池的電量與其電壓不是一個線性的關系，這種非線性導致電壓直接檢測方法的不準確性，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，無法用數字顯示精確的電池電量。手機用戶經常發現，在手機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@時候電池已經進入Phase3。

 

圖2 鋰電池放電曲線

 

電池建模方法，根據鋰電池的放電曲線，建立一個數據表，每測量一個電壓值，根據該電壓去表中查出所對應的電量。該方法有效地提高電量的測量精度，可以達到5%，且簡單易用，無需做電池的初次預估，但是該數據表的建立是一個復雜的過程，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。該表需要結合溫度和電池壽命等因素進行修正，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1%。盡管庫侖計存在電池初次預估的問題，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控，一些軟件算法可以較好地減小鋰初次電量預估、電池老化、電流檢測電阻精度等等因素對測量結果的影響。該方法在現行的設備和電池組中得到最為廣泛的應用，下文以意法半導體帶庫侖計的電池監控芯片 STC3100為例，詳細介紹該方法實現高精度的電量計量。

圖3 電池充放電示意

 

電量計按其位置來分，可以分為兩種：電池側電量計和系統側電量計。電池側電量計解釋電量計量芯片直接設計在電池組中，電量計芯片永遠檢測一個電池，能夠實時檢測電池的充放電、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，電池接口復雜，系統對電池的兼容性較差。

 

而系統側電量計是指電量計設計在系統側而不是在電池組里，這樣可以避免電池組的重新設計，減小的電池的管腳，系統可以兼容更多的電池。并且便攜式設備要求電池體積越來越小，而容量越來越大，在系統側實現電量計比在電池中實現更為簡單便捷。但是，系統側的電量計需要更為復雜的軟件算法，解決電池的初次預估的問題、兼容不同特性電池的問題等等。

 

2，STC3100介紹和設計注意事項

 

STC3100是意法半導體帶庫侖計的電池監控芯片，它能夠監控電池的電壓、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2.5A，積分器可以用7000mAh的電池，分辨率可達0.2mAh. 其內部框圖如圖4所示。

 

圖4 STC3100內部框圖

 

STC3100帶有一個I2C接口與處理器端進行通訊，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支持內部和外部的時鐘，外部時鐘優先的原則，并且能夠自動檢測是否存在外部時鐘源，也可以通過設置寄存器設置成強制使用外部時鐘源。如圖6所示，如果用內部時鐘，一個200kohm 0.1%的電阻連接與Rosc管腳和地之間，內部時鐘精度在其供電電壓和工作溫度范圍內為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控管腳

 

3，軟件設計與驗證

STC3100寄存器中可以直接讀出電量的變化值、電池電壓、電流、溫度等數據，系統處理器需要在上電時，配置STC3100的寄存器，啟動其電量計數功能，如果是第一次上電，需要通過檢測的電池電壓進行電池容量的初次預估。完成初次預估后就可以進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）進行了驗證，如圖9所示。該Demo板使用STM32進行軟件處理，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，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（），實時監控數據如圖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施加外部和內部的32K時鐘，測試結果證明，采用外部時鐘測量結果更為準確。

圖10 電池監控數據

 

 

結論

現在便攜式設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，可以提示用戶關閉耗電較大的設備，這樣可以給用戶以更好的使用體驗。意法半導體的STC3100是用在系統側的電池電量監控芯片，可以精確地監控電池電壓、電流、溫度，并且實時輸出電池電量，減輕了系統的工作量，并且它本身具有較小的功耗，比較適合便攜式設備的應用。