消除对于电池电量计的误解—精确的电池监测可以提高无线手机和其

摘要：大多数手持产品缺乏精确的电池充电监测器(“电量计”)，许多人误认为设计一个精确的电量计是一件非常困难的事情。本文所介绍的内容打破了这一神话，讨论了在各种温度、充电/放电速率以及电池老化的情况下实现精确监测的方案。

电池“电量计”监测无线和蜂窝电话、PDA以及MP3播放器等便携式产品中的可充电电池的剩余电量。精确的电量计量可使手持设备充分利用其电池，并允许系统设计人员采用小型电池，降低了数据丢失的风险，提高了客户满意度。

结合了PDA与蜂窝电话的新型设备即从精确的电量计中获益良多。与笔记本电脑等大型设备不同，他们虽然不使用包含电量计的智能电池标准，但却倾向于使用电量计来延长两次充电之间的工作时间，保护有效数据。

使用DS276x、DS277x、DS274x和DS275x系列产品可以很容易地实现有效电池寿命的精确监测。

误解1：精确的电池信息不会增加运行时间

无线手持系统不断增加的存储容量要求意味着应用程序和用户文件将被保存在易失型RAM存储器中。电池功率的丧失会给用户生成或购买的文件造成损毁。一些系统采用可充电钮扣电池在主电池放空或断开时给存储器供电，但是，即使是这种电池中最大号的也仅有25mAh的容量，保护存储器的时间不会长于1天。而且，一般钮扣电池持有的电量通常低于5mAh，只消数个小时就会耗尽。因此，以数据为中心的无线手持设备必须在主电池完全放尽前及时关闭，以确保电池中有足够的剩余电量来保护存储器中的内容，直到有充电器接入。多数用户要求电池至少能够使用5天，10天以上更好。理想情况下，多功能手机或无线PDA中的电池在停止使用时应该从其900mAh至2000mAh的总电量中留出100mAh至200mAh的剩余电量。

举例来讲，假定某应用要求150mAh的剩余电量。图1中的+20°C曲线表明，选择3.5V的截止电压就能给电池保留适当的剩余电量。然而，0°C和+40°C曲线却并非如此。如果电池比较冷(0°C曲线)，电压会有所下降。采用3.5V截止电压将导致400mAh的剩余电量， 而用于工作的还不到600mAh。与此相反，电池较热时电压会上升。此时的剩余电量将不足100mAh (+40°C曲线)。


图1. 放电电压曲线随温度而变。如果电池较冷，电压会下降。如果电池较热，电压将上升。

负载电流变化所造成的影响也很显著。图2中的曲线显示了三种不同放电速率下的电压变化曲线：C/2，C/5和C/10，其中C等于电池的电荷容量。曲线表明，到达3.5V 截止电压时，剩余电量由C/10的<100mAh变化至C/2的>200mAh。如果将截止电压提升至3.6V，以确保C/10负载条件下有足够的剩余电量，那么三种放电速率下的剩余电量将在150mAh至400mAh间变化。因此，试图通过提升截止电压来增加剩余电量的做法将遭受巨大的损失。


图2. 电压曲线随放电速率而变，增加截止电压将降低储备电量。

尽管不太明显，电池的老化也会使放电曲线发生变化。老化效应因电池而异，并且不同制造商的产品会有显著差异。而且，程度较浅的放电循环和深度放电循环所造成的老化效应各不相同。图3显示，电池经过500次循环后，总容量中的150mAh永久地丧失了。这只是在此特定应力条件下某个电池的一个实例。重复性深度放电所致的老化效应给剩余电量带来的影响大约在50mAh至75mAh。


图3. C/2放电电压曲线随老化而变。本例显示了一个在此应力条件下特别好的一个电池特性。

漏洞百出的电量测量手段

通过查询表格的办法可以补偿温度、放电速率和老化效应所造成的终止电压的大幅变化。然而，这种方法很容易出错，而且还要求测量温度和电流。为保证精度，电流和电压应同时测量，以确保终止电压数据与一定的放电速率相符合。正是由于这个原因，许多基于电压的电量检测手段并未考虑放电速率。如果只考虑电压和温度，需要建立一个二维查询表格来保存额定电池参数，以便用来估计剩余电量。这种方法在整个温度范围内会产生20%至40%的误差。

由于基于电压的检测手段精度有限，一个常用的替代方案是采用比实际需求更大的电池。这会影响手持设备的尺寸，而对于这些设备来讲，尺寸却是一项很关键的竞争因素。还有另外一些替代方案使用小电池，但或者缩短了运行时间，或者增加了数据丢失的风险。最佳选择是采用一个智能电池监视器(例如DS276x和DS277x系列)，这种方案在不增加手持设备尺寸和数据丢失风险的条件下有效延长了运行时间。

智能电池监视器如何工作

智能电池监视器通常不是根据电压、温度和电流去查询电量。它所测量的是流入和流出电池的电荷。利用库仑计数器跟踪电池的电荷量。通过测量温度和放电速率，基于一个保存了电池特性参数的小型查询表，对电池供出电荷的能力加以补偿。DS276x和DS277x系列提供所有必要的测量和数据存储，再利用主系统提供的算法计算出最终结果。当温度<+15°C时，由满充状态放电时的最大测量误差有望达到3%以内。在各种温度、负载和老化状态下的综合测量误差可达5%。如果两次满充的时间间隔超过了两周，输入失调误差的影响将变得显著。不过，大多数使用者会每周充满电池。表1列出了电池监视器的主要功能和特性。

表1. 电池监视器的功能和特性

Device	Measured Parameters*	Current Range (mV)	Current Offset (µV)	Data Storage	Other Features
DS2761	V, T, I	±64	±15	32 bytes EEPROM	Li+ protector
DS2770	V, T, I	±51	±1.6	40 bytes EEPROM	Li+/NiMH charger

*V = 电压、T = 温度、 I = 电流

误解2：精确显示电池信息不会给使用者带来好处

制造商们普遍认为，和简单的条形图或带有三块斜纹块的简化电池图标相比，更精确的电池电量显示并不被用户赏识，甚至可能会使他们感到困惑。许多制造商相信，用户满足于简单的条形图显示，尽管它粗糙的无法反映真实的运行时间变化情况。对于许多只有语音业务的蜂窝系统用户来讲的确如此，但是对于那些全功能无线数据设备的用户来讲事实并非如此。后者通常是过去的笔记本PC用户，他们已经习惯于用数字百分比显示的剩余电量、预期运行时间、待机和充电时间等。

一些制造商不太情愿显示预期的电池容量，因为任何对于剩余运行或通话时间的估计都需要视当前使用情况而定。他们无法在随时变化的状态中在事前做出估计。设备制造商也不希望因错误地预报运行时间而使用户失望，而这种错误常常是由于用户从低功耗模式切换到了高功耗模式。

但是，不应过低估计无线数据设备的用户群。他们中的大多数对于不同使用模式间的差异已相当了解，正如他们已了解了每箱汽油能使汽车在高速路上比在城市里跑更长的路一样(或者轻载情况较之重载情况)。当他们在今天的手持系统上运行下载的第三方软件或CompactFlash®插入硬件时，很少有人会对运行时间的变化感到困惑。

电池电量的不确定性在电池的后半段尤其显得突出。当你在手持设备上所看到的是普通的三或四段电池显示时，你能想象得出电池还能工作多长时间吗? 突然的掉话、数据交换的中断、数据文件的丢失等等这些经验已教会用户不要相信所显示的数据。因此，有些用户往往是在电池显示用完一或两段后就开始给手持设备充电。由于过差的精度和过少的电池显示段，用户常常更多地返回到有线业务。用户为了给以后的紧急通话保留足够的电池能量，又有多少无线数据业务被放弃了呢? 但是智能电池监视器能够显示预算的运行时间，这样用户能够对不同功耗模式有所察觉。DS276x和DS277x所提供的定量功率预算使用户能够自由决定如何消耗储存在电池中的每一个电荷。

误解3：电池监视器需要在长达数月的待机模式下保持准确

这是一个安装电池到新设备时出现的问题。电池从工厂运抵最终用户常常需要3到9月的时间。电池监视器的失调特性通常在1.6mV至30mV的范围，很小的失调误差经过数月以上(数千小时) 的积累后等同于一个大百分比的电池电量损耗。制造商担心监视器可能会指示电池为空或满，而实际的电池电量可能为30%。除非失调误差能够降低至一微伏以内，否则这种现状仍将持续下去。

在使用之前用户应该彻底充满电池。首次满充是“熟化”电池的一个重要步骤，并被强烈推荐以获得最优的电池性能。用户手册中的免责条款已清晰地指示用户初次使用前要充满电池。如果电池已数月未用，通常也是建议用户充满电池。无论何时只要充满电池，电池监视器内的库仑计数器—DS276x和DS277x系列器件中的电流累积寄存器(ACR)—就会与电池保持同步。.

误解4：智能电池监视器成本过高

当第一个电池监视器方案进入市场的时候，无线通信仅限于语音手机、PDA到PC的短程红外或串行链路。Bluetooth®、Wi-Fi®和3G网络技术正处于开发阶段。智能电池监视器既无成本效益又非关键部件。

由于数据现在已变得极富价值且非常敏感，情况已发生了变化。利用智能电池监视器可以增加运行时间、开发出更小的设备、为用户提供更有价值的体验、并激励用户进行更多的无线活动。如果用户支付200美元至600美元购买无线手持数据设备，再每月花费40美元至100美元用于服务费用，那么由于精确显示所增加的工作时间的价值又如何呢? 对于激烈角逐于尺寸、性能和成本的手持设备制造商来讲，它对于新型号产品尺寸的缩减，其价值应如何估量呢? 对于极力想促使用户使用数据服务的无线运营商来讲，如果能使用户相信电池不会迅速耗尽，其价值又有几许呢? 仅有少数业界领先者理解，智能电池监视器的价值远远超出了其成本。就在现在，他们的产品在运行时间和用户满意度方面已将竞争对手抛在了身后。因此，在某种意义上，他们是在收获酬金而非支付价格。

结论

创新性的产品功能往往是从“具备更好”的附加属性向“必须具备”的核心或启用功能演化。智能电池监视器便是这样一种功能。随着手持运算和通信用户的增加，他们将越来越难以容忍数量有限的电池段图标所提供的、具有极大不确定性的电池电量估计。基于电压的方案所伴随的，将是更大的电池、更大的手持设备、过早的停机和很低的用户信任度。不过，幸运的是对于电池能量的预测现在已非常可靠。智能电池监视器诸如DS276x和DS277x产品线使无线手持设备也能够象PC那样演化，降低尺寸的同时提升性能和用户信任度。