隨著智能手機(Smartphone)、平板計算機及MID在等手持及便攜式設備在市場上的大量推廣銷售,再加上各類型的應用程序(App)的多樣性及可用性越來越豐富,致使相關的手持及便攜式設備的配置越來越豪華,例如更快、更多核的應用處理機,更大的內存,更高分辨率的顯示屏、更高級的觸控控制,再加上許許多多為了讓應用程序(App)更好用的器件,如衛星定位、無線上網/藍牙、3D陀螺儀、及相關的元器件,讓一個全計算機功能可以在一個手持或便攜式設備上實現。

相對于電子及半導體技術的進步,手持及便攜式設備卻有著體積及重量等的物理性極限。這個限制最主要的就是給了手持及便攜式設備的能量儲存設備,也就是電池的大小及重量加上了限制。當然電池電能容量的大小,跟手持及便攜式設備的續航力有直接的相關性,然而這一方面主題的探討,不在此過度的探討。

既然電池電能容量是固定的(當然這只是針對固定的一個時間而言,隨著長期的使用,電池存在老化的問題；也就是可以使用的電能容量相較于新電池時來的少)。電量計存在的目的,就是不管在哪一個電池使用的時間點,可以精確的估算出電池剩余電量,更進一步的,依據目前設備的能耗狀況,估算出剩余可用時間。從使用者角度來看,如果能更進一步的估算出看電影還可以看多久,打電話還可以打多久,甚至于要作視頻會議還可以講多久,玩游戲可以玩多久等等的時間估算,可以說是把電量計的功能提升到最高的境界。

下面我們就最主要的電量計技術做進一步分析：

主要電量計技術分析：

1.電壓查表法來計算剩余電量

自從手持及便攜式設備被開發出來,電池技術就被廣泛使用在這些裝置上。在實際運用的角度來看,電池剩余電量的精度,一直是使用者要求的重點之一,任何人都不希望看到剩余電料顯示還有30%,可是下一秒鐘或是接一個電話,或是打開相機準備照相,結果卻是斷電收場。當然這種狀況在早期featurephone時代是經常發生,主要是因為當時設備的功能單純,能耗相對的也較少,一顆滿電的電池芯用個3~5天都不是問題。所以當時的電量計的式設計很簡單,就是用量測電壓,透過查表、或是簡單的計算來決定剩余電量。

相對于智能手機的時代,一顆滿電的電池只能用個一天的狀況,如果電量指示還有30%,下一個動作卻讓設備直接斷電,恐怕消費者都沒法接受。

電壓查表法的優點是成本低最低,能耗也很低。缺點是精度也最相對較低,且SOC會隨著負載的變化而上下跳動,當電池老化之后,這種跳變的現象會更加明顯。

2.庫侖計

庫侖計,顧名思義,就是電池電荷的累計。通過檢流電阻檢測充放電電流,沖進去的電量就是電池的容量。總容量減去放出的容量就是電池剩余容量。

此方法實現相對簡單,且原理容易理解,是目前使用比較多的一種計算方法,但是,并無法作為真正的電池電量計算使用。方案最大的問題在于兩點,一是累計誤差,隨著時間的推進,誤差會越來越大；二是電池的充入電量和放出電量是不相等的,在不同的負載、溫度等條件下,容量差別更大,最典型的就是常溫滿電的電池在低溫下只能放出很少的電量。

所以,庫侖計一般只是作為電量計算的輔助工具,需要配合其他設備或采樣數據進行修正使用。

3.透過檢測電壓,電流及溫度,加上算法來計算剩余電量

這是比較典型的電量計算方案,正常使用條件下通過庫侖計計算電量,在特定條件下通過電壓或溫度進行補償。對新電池來說可以比較精確的計算出剩余電量,可是當電池老化之后精度就逐步降低,這主要是因為庫侖計的計算基礎事先要了解目前電池的總容量,再依據量測到的當前的電壓、電流以及溫度,來計算用掉的容量之后,估算出剩余電量。可是當電池老化之后,隨之而來的就是總容量變少,這個時候如果還是用新電池的總容量當成計算的基礎,剩余電量的計算誤差就會越來越大。

這個方式的優點是期初精度很高,缺點有：

(a)元器件成本相對較高,同時需要額外的制程及設備來進行檢流電阻的校正,以及對電池的全充放電來估算初期電池總容量。

(b)隨著電池老化,誤差會隨之增加。

(c)方案本身的能耗比較于電壓檢測方案要高很多。

4.針對電壓檢測方案的優化

(a)這個方案主要是針對長期精度進行優化,最主要的步驟就是在電量計芯片內,針對現在使用的電池芯建模,由于理論上電池無論是新的還是老化之后,其OCV（開路電壓）曲線都是相同。因此建立了電池模型就有實際剩余電量的參考依據,同時還把因為大電流放電溫升的因素考慮進來,以提升長期電量計算精度。可是這個方案是在大部分應用中,精度都可以維持在正常范圍內。

(b)除此以外,也有廠商針對上述缺點,在電量計內加上自我學習校準的演算功能,來應對老化的影響,以保持長期剩余電量的精度。

5.針對普通電流檢測方案的優化

由于普通電流檢測方案的長期精度誤差很大,因此有廠家建立了“內阻追蹤(ImpedanceTrack)”的技術,根據內阻的變化決定電池老化的程度,來修正剩余電量計算的精度。

電量計技術比較

市場應用狀況分析

由于國內手持及便攜設備大體可以分成兩個部份,一是智能手機,二式平板計算機/MID。針對這兩個市場的應用,目前這兩個區塊的主要參考設計還是由Ap廠家來提供。例如智能手機的Qualcomm,Broadcom,MTK,nVIdia,Samsung,Hisilicon(海思)等,以及平板計算機/MID的全志,炬力,瑞芯微,中星微等。

由于國內大部的手持及便攜式設備廠家在開發新的產品時,都必須仰賴Ap廠提供技術支持,所以對原廠的參考設計,除了布線之外,對元器件的使用大多不做更動。所以只要原廠的參考設計用了某一廠家的電量計,或是如Qualcomm,Broadcom,MTK等用了自己pMIC內的庫侖計,再通過Ap的計算來實現電量計功能。目前在市場上由于蘋果手機及平板的原始設計用的是TI的方案,所以在市場上,TI可以說是在電量計耕耘最久,市場占有率最大的廠商。其次是由于Samsung大量采用Maxim的電量計方案,所以Maxim可以說是保有電量計市場二哥的位置。

其余的無論是把庫侖計放在pMIC內,亦或是如Cellwise的加上自學習功能的電量計,都是最近這兩年進到市場的方案。之所以會有這個趨勢,最重要的原因是消費者開始要求設備的電量指示的精度。這個要求反應在所有手持及便攜式設備的操作系統(iOS,Android,Windowsphone),還有各類的App上。由這個趨勢也可以清楚的看出,電量計在手持及便攜式設備上所扮演的角色也越來越重要了。

結語

電量計在手持及便攜式設備,尤其是智能手機及平板計算機/MID應用的重要性隨著Ap廠家把庫侖計加入pMIC,提供電量計的功能,已經被突顯出來了。可是這只是起步,由于電量計是在手持及便攜式設備內最了解電池的芯片,因此如何透過這個特點,延長電池的使用壽命,會是下一個可以延續的應用。

更進一步的是,在手持及便攜式設備的應用中,智能手機及平板計算機/MID只是其中的一環。鋰電池的應用必須要有精確電量計的應用,會隨時被開發出來,現在可見的是在消費市場上的便攜式移動電源就是一個很好的例子。不具備電量計的移動電源售價大概都在美金100元以下,可是像Lifetrons銷售的移動電源,由于帶有00~99的電量指示,可以將售價訂在美金240元。這個差異不代表電量計的價格,但卻代表消費者心目中電量計的價值。