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FUEL GAUGE 电池电量检测方法及原理锂电池具有高存储能量、寿命长、重量轻和无记忆效应等优点，已经在现行便携式设备中得到了广泛的使用，尤其是在手机、多媒体播放器、GPS 终端等消费类电子设备中。这些设备不但单纯地只是支持单一的通讯功能，还支持流媒体播放和高速的无线发送和接收等等功能。随着越来越多功能的加入且要获得更长单次充电的使用时间，便携式设备中锂电池的容量也不断地增大，以智能手机为例，主流的电池容量已经 800mAH 增长到现在 1500mAH，并且还有继续增长的趋势。随着大容量电池的使用，如果设备能够精确的了解电池的电量，不仅能够很好地保护了电池，防止其过放电，同时也能够让用户精确地知道剩余电量来估算所能使用的时间，及时地保存重要数据。因此，在 PMP 和 GPS 中，电量计不断加入到设备中，并且电量计也在智能手机中得到了应用，尤其是在一些 Windows Mobile 操作系统的智能手机中，如图 1 所示，电池电量的显示已由原来的柱状图变为了数字显示。本文介绍和比较三种种不同电量计的实现方法，并且以意法半导体的 STC3100 电池监控 IC 为例，在其 Demo 实现了 1%精度的电池精度计量。（a）柱状图电量显示（b）数字精确电量显示图 1 Windows Mobile 手机中电量计量 1，电量计的实现方法和分类。据统计，现行设备中有三种电量计，分别是：直接电池电压监控方法，也就是说，电池电量的估计是通过简单地监控电池的电压得来的，尽管该方法精度较低和缺乏对电池的有效保护，但其简单易行，所以在现行的设备中得到最广泛的应用。然而锂电池本身特有的放电特性，如图 2 所示。不难从中发现，电池的电量与其电压不是一个线性的关系，这种非线性导致电压直接检测方法的不准确性，电量测量精度超过 20%。电池电量只能用分段式显示，，如图 1.a 所示，无法用数字显示精确的电池电量。手机用户经常发现，在手机显示还有两格电的时候，电池的电量下降得非常快，也就是因为这时候电池已经进入 Phase3。图 2 锂电池放电曲线

电池建模方法，根据锂电池的放电曲线，建立一个数据表，每测量一个电压值，根据该电压去表中查出所对应的电量。该方法有效地提高电量的测量精度，可以达到 5%，且简单易用，无需做电池的初次预估，但是该数据表的建立是一个复杂的过程，尤其是考虑到电池的温度、自放电、老化等因素的影响，并且对不同容量或类型的电池的兼容性也是一个问题。该表需要结合温度和电池寿命等因素进行修正，才能得到较高的测量精度。库仑计，如图 3 所示，在电池的正极或者负极串入一个电流检测电阻，一旦有电流流入或者流出电池时，就会在电阻的两端产生电压 Vsense，通过检测 Vsense 就可以计算出流过电池的电流。该电流与时间做积分就是变化的电量，因此其可以精确跟踪电池的电量变化，精度可达 1%。尽管库仑计存在电池初次预估的问题，且电流电阻的精度直接影响了电量的精度。但是配合电池电压和温度的监控，一些软件算法可以较好地减小锂初次电量预估、电池老化、电流检测电阻精度等等因素对测量结果的影响。该方法在现行的设备和电池组中得到最为广泛的应用，下文以意法半导体带库仑计的电池监控芯片 STC3100 为例，详细介绍该方法实现高精度的电量计量。（a）充电 (b) 放电图 3 电池充放电示意电量计按其位置来分，可以分为两种：电池侧电量计和系统侧电量计。电池侧电量计解释电量计量芯片直接设计在电池组中，电量计芯片永远检测一个电池，能够实时检测电池的充放电、自放电和自身老化等等，即使电池未被使用时，这些电池参数在实时地检测。该种电量比较精确，但是成本较高，电池接口复杂，系统对电池的兼容性较差。而系统侧电量计是指电量计设计在系统侧而不是在电池组里，这样可以避免电池组的重新设计，减小的电池的管脚，系统可以兼容更多的电池。并且便携式设备要求电池体积越来越小，而容量越来越大，在系统侧实现电量计比在电池中实现更为简单便捷。但是，系统侧的电量计需要更为复杂的软件算法，解决电池的初次预估的问题、兼容不同特性电池的问题等等。 2，STC3100 介绍和设计注意事项 STC3100 是意法半导体带库仑计的电池监控芯片，它能够监控电池的电压、温度、和电流，集成一个可编程的 12～14 位的 ADC，硬件积分器用于库仑计功能的计算，所测电流最大可达 2.5A，积分器可以用 7000mAh 的电池，分辨率可达 0.2mAh. 其内部框图如图 4 所示。

图 4 STC3100 内部框图 STC3100 带有一个 I2C 接口与处理器端进行通讯，并且集成了 32bytes 的 RAM，用于存储电池的电量或其他特性信息。GPIO 管脚可以用来作为电池低压报警使用，其应用框图如图 5 所示。图 5 STC3100 电量计量框图 STC3100 中的库仑计需要一个 32.768kHz 的时钟，用于作为计算电量的时基，其精度直接影响电量的计算精度。 STC3100 支持内部和外部的时钟，外部时钟优先的原则，并且能够自动检测是否存在外部时钟源，也可以通过设置寄存器设置成强制使用外部时钟源。如图 6 所示，如果用内部时钟，一个 200kohm 0.1%的电阻连接与 Rosc 管脚和地之间，内部时钟精度在其供电电压和工作温度范围内为 2.5%。为得到更高的精度，只能采用外部输入高精度时钟源的方式。图 6 STC3100 的两种时钟源电流采样电阻 Rcg 是用采集流入或流出电池的电流，由于 ADC 采样的限制，该电阻的压降不能超过+/-80mV，所以，该阻值由应用中最大的峰值电流决定，如式一。如果峰值电流为 2A，那么该阻值可以选择 33mohm。（1）电流电阻上的电压经 ADC 采样后放置于 REG_CURRET（06H 和 07H）寄存器中，而 ADC 的 LSB 是 11.7uV，这样就可以按式二计算实际流过的电流值：

同时，STC3100 会把 Rcg 两端的电压值与采样周期相乘后放入 28 位的累加器中，其中的高 16 位会放入 REG_CHARGE（02h 和 03h）（2）寄存器中,其实际的电量可以按式三计算。（3） STC3100 自身的供电管脚 Vcc 和电池电压检测管脚 Vin 是分开的，如图 7 所示，这样很容易可以在电压检测管脚加入 R2（1kohm）和 C2(47nF~220nF)组成的 ESD 保护和滤波电路，而电阻 R1（150ohm）和齐纳二极管 D1(5.6V)组成对 Vcc 的 ESD 保护电路，从而不会影响对电池电压的检测精度。电池电压和温度经 ADC 采样后分别放于 REG_VOLTAGE 和 REG_TEMPERATURE 寄存器中，按照式三和式四可以分别计算出电池的实际电压和温度值。（4）（5） STC3100 的 GND 管脚要用一个 PCB 走线连接与电阻的地端，确保所有的电流都是流过该电阻的，避免产生电流的检测误差。图 7 STC3100 的电源管脚和电池电压监控管脚 3，软件设计与验证 STC3100 寄存器中可以直接读出电量的变化值、电池电压、电流、温度等数据，系统处理器需要在上电时，配置 STC3100 的寄存器，启动其电量计数功能，如果是第一次上电，需要通过检测的电池电压进行电池容量的初次预估。完成初次预估后就可以进行实时的电池电量的实时计算，软件的流程如图所 8 示。

图 8 软件流程框图电池的容量会随温度、充放电次数和使用时间的长短变化而变化，因此，为得到精确的电池电量，仅仅获得电池电压、电流是不够的，还要考虑温度、电池老化、电流检测电阻精度等因素造成的累计误差，因此，建议在使用中定期一次电池的完全的充放电过程，进行消除累计误差，不断保持电量的精度。上述软件在 STC3100 的 demo 板（STEVAL-ISB0011V1）进行了验证，如图 9 所示。该 Demo 板使用 STM32 进行软件处理，其上电池的充电芯片是具有 800mA 充电能力的 STC4054，16*2 矩阵的液晶 LCD 可是实时显示电池的容量、电压、电流和温度等参数，同时支持通过 USB 接口和 PC 通讯的功能，能够把电池的信息上传给上位机。图 9 STC3100 Demo 板该实验采用 1800mAh 的电池，型号是（），实时监控数据如图 10 所示，其中包括了电池电压、温度、电流、剩余电量、电池容量和 STC3100 芯片的 ID 号。并且我们分别对 STC3100 施加外部和内部的 32K 时钟，测试结果证明，采用外部时钟测量结果更为准确。

图 10 电池监控数据结论现在便携式设备集成越来越多的功能，精确的电量计可以用于提示用户剩余的使用时间，甚至可以在电池低电量时，可以提示用户关闭耗电较大的设备，这样可以给用户以更好的使用体验。意法半导体的 STC3100 是用在系统侧的电池电量监控芯片，可以精确地监控电池电压、电流、温度，并且实时输出电池电量，减轻了系统的工作量，并且它本身具有较小的功耗，比较适合便携式设备的应用。参考文档 1， STC3100 数据手册； 2， STC3100 应用文档 AN3064； 3， STEVAL-ISB0011V1 使用说明手册 UM0903;

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