锂离子电池容量计量之库仑计法

一直想写一篇关于电池容量库仑计的文章,可以要完全说明
库仑计的工作原理却相当的麻烦,因为这种容量计量方法涉及的
电池方面的知识太多太复杂,同时还有一部分集成IC方面的知识.
　　为了"雅俗共赏",我就把这篇关于库仑计的文章分成四个部
分.
　　1.基本概念介绍,就是引出为什么要用库仑计来计量电池容
量.
　　2.库仑计简单说明,讲得比较浅适合一般的用户.
　　3.库仑计进阶说明,详细补充库仑计的工作原理.
　　4.有关库仑计在手机上使用的各种现象解释,特别是拥有爱
立信手机的机友,不妨参考一下
　　☆ ☆  ☆ 　　第一部分.基本概念介绍
　　;mAh:电池容量的计量单位,实际就是电池中可以释放为外部
使用的电子的总数.
　　;折合物理上的标准的单位就是大家熟悉的库仑.
　　;库仑的国际标准单位为电流乘于时间的安培秒.
　　;1mAh&＃61;0.001安培*3600秒&＃61;3.6安培秒&＃61;3.6库仑
　　;mAh不是标准单位,但是这个单位可以很方便的用于计量和
计算.
　　;比如一颗900mAh的电池可以提供300mA恒流的持续3小时的
供电能力.
　　在"锂离子电池容量计量之电压法"一文中,我详细介绍了用
电池电压近似获得电池容量的方面.但是这个方法是比较粗糙的.
要想获得锂离子电池的电量使用的正确情况,只有用库仑计.就象
大家家里面的水量计量用的水表的作用原理.要计算流经的电荷
的多少才能获得锂离子电池的电量使用情况.
　　如何得到流经的电荷量呢,就只有通过测试单位时间内回路
流经的电流大小.
　　如果测到的电流是恒定不变的,把测到的电流乘于时间就可
以简单的得到了电荷量了.这钟情况一般只有实验室里面才能发
生.通常用一个恒流来放电计算电池的容量,而且测到的容量也比
较精确.
　　如果测到的电流是随时间变化的,那么就需要对这个变化的
电流进行积分才能得到电荷量,手机上的电池就是这种情况,电流
随时都在变化.
　　电流要如何测到呢?
　　简单的讲就是通过测量一个特定的电阻两端的电压(单位伏
特V或毫伏mV),把电压除于这个电阻的阻值(单位欧姆ohm或毫欧
mohm)就得到即时的电流值(单位是安培A或毫安mA)了.
　　☆ ☆ ☆ ☆ 
　　第二部分,库仑计的工作原理及简单应用
　　■库仑计工作原理■
　　目前手机电池的容量计量(象爱立信手机电池),是在电池的
保护线路上串联了一个电量计量芯片,其中串联的是一个集成的
电阻,电阻值一般是20~30毫欧之间.
　　其基本原理是,芯片上集成了一个取样电阻,当流过不同电流
后产生不同的压差,芯片就对这个电压(实际转换为电流)和时间
进行积分,得到用户使用时的正确电量(注意,电量的单位是
mAh). 
　　;　;很多芯片可以实现这个功能,TI的,MAXIM的几个半导体
芯片公司均有类似产品出品.电池增加这个芯片后,成本提高,对
手机也提出了"通讯"的要求.所以很多手机没有这个功能.
　　那么该芯片通过实时积分得到容量以后,把容量(单位是mAh)
数据存储在芯片的EEPROM中,并根据手机的需求,通过通讯线传递
给手机.那么手机就得到了这块电池的准确容量.
　　;　;库仑计的芯片,即电量计量芯片是装在手机电池里面的,
通常是与锂离子电池的保护线路设计在一起.
　　;　;
　　在库仑计芯片的存储器里面通常有如下的基本电池信息
　　▲电池的初始容量(mAh),即额定容量,一个电池完全充放后
得到的容量
　　▲电池的当前容量(mAh),处于使用状态是的电池容量
　　▲当前流经的电流(mA),即手机的电流损耗
　　■库仑计简单应用■
　　但是一般手机不会显示容量(比如"还有550mAh"或"剩下
345mAh"这么一个让用户不好理解的数值.
　　这里就有两种容量显示方式,通过计算把容量mAh转换成可以
很好理解的另外一种单位.
　　1.容量百分比(单位是%)
　　每个电池都有一个初始容量或称为额定容量.
　　把当前的电池容量除于额定容量就可以得到当前电池的容量
百分比
　　一块额定容量为600mAh的电池,如果当前电池容量只有
456mAh,手机就显示456/600&＃61;76%.
　　2.待机时间和通话时间(单位是时间:小时h)
　　手机本身根据自身的待机或通话电流损耗,会相应的内置一
个计算公式,见这个容量转换成用户可以理解的待机时间和通话
时间.
　　待机时间的计算公式就是:
　　电池的当前容量/当前流经的电流&＃61;***小时
　　通话时间的计算公式就是
　　电池的当前容量/通话时平均电流&＃61;*小时
　　☆ ☆ ☆ ☆
　　第三部分 库仑计进阶说明
　　1.电路
　　有两种类型的设计电路来获得电池的容量
　　一种是A/D模数转换,通常是12位精度,将电压值转换为12位
精度的16进制数字后乘于取样的间隔时间.
　　一种是集成模式,利用RC积分电路来获得电压对时间的积分
值.
　　两者最终得到的都是电池的容量.
　　2.容量的归一
　　电压法那样测一个电压的时间非常短.不需要容量的归一.
　　由于库仑计的容量获得必须是对时间的积分才能获得.那么
要获得该电池的额定容量,就必须对电池进行一次完全的充分才
能得到正确的电池容量信息.
　　在库仑计的使用之初,厂家会赋予库仑计一个电池的初始容
量.但是每次使用不可能都是完全用光或完全充饱.所以经常的浅
充浅放会积累容量的误差.
　　所以必须定期对使用库仑计的锂离子电池进行完全充分的操
作,使其重新获得正确的电池额定容量.
　　3.额定容量的调整
　　锂离子电池的实际容量会随着循环的进行,可用容量会逐渐
的衰减.如果库仑计里面保存的初始容量一成不变的话,肯定会导
致容量显示的错误.
　　比如初始容量是600mAh的电池,在100次循环以后,其实际容
量已经变成500mAh了,如果在进行容量显示是仍然按照600mAh这
个数来计算的话,势必造成电池永远充不饱这个问题.
　　所以在库仑计的里面还有一个容量对使用次数调整的算法,
会根据电池循环次数调整其实际容量.
　　锂离子电池的容量还会随使用温度的变化得到不同的可用容
量.
　　比如在25度时,电池可以得到几乎100%的可用容量
　　而在0度是,电池只能放出80%的可用容量.
　　如果不对容量进行温度调整的话,势必造成低温环境使用时,
明明显示剩余20%的容量,却提前关机这个现象.
　　所以在库仑计里面还有一个容量对温度调整的算法,会根据
电池的实际温度进行可用容量调整.
　　4.电池标识码
　　许多库仑计芯片都顺便集成了一个电池标识码记录区域.
　　它的作用是给手机电池标一个序列号,这个序列号是保存在
芯片里面的,利用与手机的通讯口传递给手机.手机验证这个序列
号.如果是正确的就判断为正品电池.如果序列号验证错误,手机
就提示是非正品电池甚至拒绝工作.
　　不要小看库仑计芯片,小心的一个芯片,不但要进行高精度的
电量计量,还要进行复杂的运算调整.而且 还要与主机(手机)进
行通讯联系.
　　☆ ☆ ☆ ☆
　　第四部分.有关库仑计在手机上使用的现象解释
　　上面详细的介绍了库仑计芯片本身的工作原理.
　　但是作为一个面向用户的应用,得到容量(mAh)这个数据是远
远不够的.那么如何把容量转换成为待机时间就是手机的软件的
工作了.
　　手机通过通讯,获得如下信息
　　▲电池的初始容量(mAh),即额定容量,一个电池完全充放后
得到的容量
　　▲电池的当前容量(mAh),处于使用状态是的电池容量
　　▲当前流经的电流(mA),即手机的电流损耗
　　注意,当前流经的电流是个非常没有规律的值.显而易见,许
多因素影响了这个电流.
　　当地的信号强度,会影响手机的待机电流
　　手机附加功能,比如蓝牙功能,红外功能会增加或改变待机电
流
　　手机背光(操作手机时),会大大的增大待机电流.
　　这些影响因素会导致以下这个待机时间计算公式出现偏差
　　▲电池的当前容量/当前流经的电流&＃61;***小时
　　如果待机电流稳定不变或变化很小的话,这个待机时间就会
起到很好的计算作用
　　这就是为什么手机固定放置在一个地方,待机时间很准的原
因
　　当地信号的好坏也直接的影响手机的待机时间显示.
　　本来在A地显示180个小时待机的同一个手机拿到B地马上就
变成了240个小时待机.这是因为计算公式的分母变化了.
　　但是待机时间的变化和强烈反差的出现并不是说电池出现了
问题,实际其电池的容量还是没有变化的.这个也并不能用来说明
是电池不好的原因.
　　虽然锂离子电池没有记忆效应,不需要专门的放电处理,不需
要充饱电池就可以使用,这并不影响锂离子电池的性能发挥.
　　但是,对于正在使用配备库仑计电池的手机用户,有一点必须
强调.
　　★ ★ ★请您定期的对你所用的电池进行一次完全的充分,
以便库仑计进行容量调整和归一化的进行.确保库仑计一直工作
在最佳状态.★ ★ ★