关于电池电量计的设计分析和介绍

只要有机会，我就会对手机进行充电，因为不想面对手机没电的情况，也不想电池被过度使用，想尽力延长它的寿命。即使这么关心它，我前段时间还是发现手机电池的消耗速度明显加快了，于是决定将电池电量耗尽以纠正电量计算的误差，然后就发现电量计量数据在到了 1% 以后就长时间不变了，我让手机死命工作好久以后才使它实现了自动关机。

根据我对电量计算方法的理解，我的 iPhone 手机使用的是库伦电量计，这是一种理论上完全正确、实际上有不足的计算方法，它所带来的问题是累积误差，上面所说我的手机的反应就是由这种累积误差导致的，数据已经告诉系统快没电了，但电池里其实还有很多电可用，所以它就停在 1% 那个地方不动了，直到电池真的被耗尽、电池电压低到关机阈值才真的实现关机，这个现象其实让我对手机的信息显示产生了怀疑的结果。

库伦电量计的实现方法大概是这样的：

通过一个电阻将流入、流出电池的电流信号转化为电压信号，再用 A/D 转换器将此信号转化为可计数的数据信息，电流流入则使计数器数值增加，电流流出则使计数器数值减少。计数器的数值是经过标定的，电池被充满的时候要使计数器的数值为满幅度值，电池被耗尽的时候要使计数器的数值为 0，只有经过标定后的计数值才能与准确的电量数据对应起来。

这种库伦计量的方法看起来是非常合理的，但是有些误差却无法被避免。

人们虽然可以将电流检测和 A/D 转换器设计到非常精确的程度，但是怎么精确都会有误差存在，这是进行 A/D 转换时不得不面对的事实。

电池自身的放电不能被库伦电量计检测到，因为这部分电流不会经过电流检测电阻，而且这种自放电还随着电池的温度在发生变化，想对它进行评估以纠正其导致的误差也是一件难事。下图显示了温度与电池自放电之间的关系：

使用不同的放电率对电池进行放电，电池的容量是不相等的，也就是说电池容量随电流的大小在发生变化，你想单纯用电流信息对电量进行计算是有明显不足的。

当温度发生变化的时候，电池的容量也变了，你只计量电流量怎能反应电池的真实容量呢？

电池在实际使用中所面临的状况是千差万别的，所有的问题都可能导致电量计算误差的存在，而且误差还会随着时间的延长而积累起来。

我不知道这些内容是否已经将可能导致电量计算误差的所有因素涵括了，我也没有见过谁这么详细的去罗列这些问题，但还是不能排除从直觉上看库伦电量计都是最合理的设计的结论，所以市场上的早期玩家都是库伦电量计的拥趸，而且掌握了大量的市场。

库伦电量计虽有不足，但毕竟被大量使用着，我的 iPhone 里就是用的这样的东西，或许你的手机也是。根据它的实现原理，你需要经常对它进行标定以纠正其累积误差，这可以利用三个时间点来进行：电池充满时，电池耗尽时，电池休息好了的时候，这几种状态下都可以对电池的容量进行比较准确的评估，把握好了就可以把误差压到一定的范围内，如下图所示：

本文开头说的把电池耗尽就是在为纠正电量误差提供条件，而充满则是经常都在进行，所以就不用特别操作了。但是即便如此，准确的电量数据还是很难获得，因为所谓的充满都是以充电截止电压和充电截止电流为指标来做的判断，所谓的耗尽是以放电截止电压来做的判断，而这些都是存在实施误差的，而且开展的过程也在不断改变电池本身的容量。

所谓的电池休息好了是指电池在既不充电、也不放电的状态下静置一段时间以后的状态，这时候的电池电压是稳定的，测得该数据以后就可以将此数据和实际的电量数据连接起来，这种评估电池电量的方法被称为开路电压查表法。

在实施所有这些方法的时候，我们都需要知道电池的实际容量是多少，但通常一个设计者只能知道电池最初的额定容量，最初的实际容量会因电池的不同个体而不同，初始容量相同的电池在实际使用中的容量衰减速度也是不同的，因为有很多影响容量衰减速度的因素存在（温度、充放电电流、电压等），除了上面已经提供的信息以外，我经常用到的还有下面两幅图，它们分别说明了充电电压和充电电流对电池容量和循环寿命的影响。

为了弥补大电流充电对电池寿命的影响，现在流行的快充常常会主动降低充满电压的阈值，虽然这会造成其当前充电量的损失，但是对提升电池寿命有帮助。又由于可以快充，用户对当前容量的降低不会太敏感，再加上电池容量通常都很大，用户实际上的感受都会比较好。如果哪一天我也开始使用具有快充功能的手机了，我会主动不使用它的快充特性，这样便从技术的角度为手机实现长寿命提供了帮助。这里提到的长寿法要如何实施是值得思考的，但我并不想在这里说出答案，避免剥夺了读者自己思考的机会。

设计更好的电池电量计的方案其实就隐藏在上面已经述及的内容中，只是其实施其实也是个大工程，这需要对电池特性有充分的理解，也需要强大的数据处理能力。当我在几年前看到立锜推出的第一代电量计产品 RT9420/RT9428 时，我便意识到自己所在的立锜科技已经不是一个单纯的模拟 IC 供应商了。现在立锜又推出了更加完善的第二代产品 RT9422，我便知道它的能力又上了一个台阶。这些产品都有什么样的特性呢？限于篇幅限制，主要是不想一次性给读者太多的阅读压力，这里就不细说了，请真正感兴趣的读者到立锜科技官网输入型号进行查询吧，点击文末的阅读原文可以快速前往。