摘要
　　本文結合鋰電池充放電特性，詳細介紹和比較了三種鋰電池電量的計算方法：電壓估算法、模型查表法和電流檢測法，分析了系統(tǒng)側電量計量和電池側計量的優(yōu)缺點，并以意法半導體電量計量芯片STC3100為例，介紹了其使用方法和設計中的注意事項，在其Demo板上實現(xiàn)1%精度的電量計量，同時說明和實現(xiàn)了鋰電池的電量初次預估和減小電量計量偏差的軟件算法。實驗證明，電流檢測法具有更高的精度和穩(wěn)定性，并且能消除由于電池老化帶來的測量誤差，更適合應用在電池組中或手持設備的主電路板中。
　　
　　Accurate Fuel gauge implementation for Li-Ion Battery in portable devices
　
Abstract
　　This article presents three methods to implement the fuel gauge for the Li-Ion battery in portable devices: Voltage-Monitoring, Battery-modeling and Current-sensing, and analyze the characters of different gauge IC locations. STC3100 is the battery monitor IC with battery fuel gauge by current-sensing method from STMicroelectronics, one experiment is setup with STC3100 demoboard to implement the battery fuel gauge, and a software is designed to minimize the measuring error. Finally, the results show that current-sensing fuel gauge has better accuracy and stability, can effectively minimize the error due to battery aging, more suitable for hand-held devices.
　
　　鋰電池具有高存儲能量、壽命長、重量輕和無記憶效應等優(yōu)點，已經(jīng)在現(xiàn)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(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(shù)據(jù)。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(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。

　　
（a）柱狀圖電量顯示                                                （b）數(shù)字精確電量顯示
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，但其簡單易行，所以在現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，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(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?？?，也就是因為這時候電池已經(jīng)進入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(shù)據(jù)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(jiān)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(xiàn)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(jiān)控芯片 STC3100為例，詳細介紹該方法實現(xiàn)高精度的電量計量。

                               
（a）充電                                                    (b) 放電
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(tǒng)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(shù)在實時地檢測。該種電量比較精確，但是成本較高，電池接口復雜，系統(tǒng)對電池的兼容性較差。
　
　　而系統(tǒng)側電量計是指電量計設計在系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)側實現(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(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(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。

　　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： 

　　

　　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(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。
　　

 圖8 軟件流程框圖

圖9 STC3100 Demo板

圖10 電池監(jiān)控數(shù)據(jù)