​电量计基础知识介绍

电量计是什么？

电量计英文名称Gas Gauge, Fuel Gauge, 或简称Gauge。

顾名思义，电量计就是监测电池、计量电量。

典型电池包框架如下：

分立电量计架构：

集成保护功能的电量计架构：

包含电芯、电量计IC、保护IC、充放电MOSFET、保险丝FUSE、NTC 等元件。一级保护IC 控制充、放电MOSFET，保护动作是可恢复的，即当发生过充、过放、过流、短路等安全事件时就会断开相应的充放电开关，安全事件解除后就会重新恢复闭合开关，电池可以继续使用。一级保护可以在高边也可以在低边。二级保护控制三端保险丝，保护动作是不可恢复的，即一旦保险丝熔断后电池不能继续使用，又称永久失效(Permanent Failure, PF)。电量计IC采集电芯电压、电芯温度、电芯电流等信息，通过库仑积分和电池建模等计算电池电量、健康度等信息，通过I2C/SMBUS/HDQ 等通信端口与外部主机通信。

电量计能做什么？
一些电量计常用的功能：

• 电池电压、电流、温度监测

o 为主机系统提供电池电压、电流、温度等信息，便于系统应用决策。

o 准确的电池端电压、电流、温度有利于实现安全、准确的充放电控制和管理。

• 电池容量预测

o 预测电池剩余容量(Remaining Capacity, 简称RC 或RM, mAh 或mWh)、电池满充容量(Full Charge Capapcity, 简称FCC, mAh 或mWh)、电池剩余容量百分比(State of Charge, 简称SOC, %)。

o 预测剩余放空时间(Average Time To Empty)、剩余充满时间(Average Time To Full)。

o 有了准确的容量预测，则可以充分利用电池的容量，充得更满、放得更空，从而获得更长的电池续航时间。

• 电池健康度预测

o 电池健康度(State Of Health, %)，反映电池老化程度，便于系统做电池回收或更换决策。

o 可用于充电决策，预防电池加速老化或鼓包。

• 电池安全预警及保护

o 对于集成保护的电量计，电量计可以做非常全面的安全预警及保护。保护项目涵盖电压方面（过充、过放），电流方面（充电过流、放电过流、短路），温度方面（电芯高温、电芯低温、充放电MOSFET 高温），电芯内部（电芯内短路），电芯配组方面（电芯断线、电池不均衡），充电方面（充电电压过高、预充超时、快充超时、容量过充），系统方面（通信超时、NTC 断线、充放电MOSFET 失效、FUSE 失效、外部二级保护触发等），以及电量计本身等多方位全功能的安全保护。

o 电池安全保护可简单分为一级和二级。一级保护是控制充放电MOSFET，可恢复的。二级保护是熔断三端FUSE，不可恢复的，又称永久失效(Permanent Failure, PF)。一级保护可分为多个层次，比如软件采集电流作比较判断过流保护，比较门限值较高、延时较长；硬件比较器比较电流作比较判断过流保护，比较门限值较低、延时较短。

• 电池Lifetime & Black Box 记录

o Lifetime 记录电池生命周期里的使用状况，比如电压、温度、电流的最大值、最小值，循环次数，运行时间，满充记录，安全事件等等。

o Black Box 记录电池发生永久失效（Fuse 熔断）那一刻电池的各项参数、状态。

o 此外，电量计还可以储存生产信息、序列号等用户信息，方便追溯。

o 给保修分析提供依据。

• 实施安全快充管理

o 电量计拥有电池的准确电压、电流、温度、健康度等信息，能够实时根据当前电池状态向主机充电器索取最合适的充电电压、充电电流，能够在安全的条件下实现多种形式充电需求，比如JEITA、线损补偿、快充、降额充电等等。

o 对于集成保护的电量计，还可以实施充电保护。

o 有了准确的健康度预测、电池安全预警及保护、电池安全充电控制，则可以充分保护电池安全，延长电池寿命（循环次数更多）。

• 电池认证

o 集成专业的加密认证算法（比如SHA-1, SHA-256, ECC 等）来标识电池是授权的。只有授权的、安全的电池才能使用或充电。

• 其它功能

o 提供电池支持的最大电流、最大功率信息，支持Turbo Mode(DBPT)等。

o 对于集成保护的多串电量计还具有电池均衡功能。

不同电量计可能包含以上功能的某几个甚至全部。

电量计是如何计量的，怎么选型？
电量计的输入是电池电压、电流和温度，然后通过对电池建模来计算输出容量信息。所以电量计的三大核心是：(1)硬件，来实现高精度采样、低功耗运行；(2)算法，来对电池建模；(3)固件，把算法编程实现，计算输出容量信息。

覆盖立体全面，支持电芯串数从单串到多串，支持多种电池化学类型比如Li-ion,LiFePO4, NiMH 等等，支持手机、平板、笔记本电脑、TWS 耳机、电动工具、吸尘器、电动单车、无人机、储能等等多种市场应用，有分立电量计、也有集成保护的电量计。

电量计选型的几个维度：
(1). 电芯化学类型：Li-ion/Li-Polymer, LiFePO4, NiMH, NiCd, Lead Acid,Primary Lithium, SuperCap 等。不同化学类型电芯的充放电特性不同，所以查看电芯规格书确定其化学类型，选择支持该化学类型的电量计。

(2). 电芯串联数目：1S, 1~2S, 2~4S, >4S 等。电池包可能由多节电芯串联(S, in series)或并联(P, in parallel)。两个相同电芯串联则电压相加，容量不变。两个相同电芯并联则容量相加，电压不变。电量计把同一串的多个电芯并联当作一个整体看，所以选择电量计时只看电芯串联数目，不看并联数目。

(3). 通信接口：HDQ, I2C, SMBUS 等。HDQ 是单线通信，常用于电池接口引脚数少的应用。I2C 接口的电量计最多，常用于手机等应用。SMBUS 是基于I2C 发展而成的，SMBUS 接口的电量计常用于笔记本电脑等应用，SMBUS 电量计能与I2C 总线主机通信

(4). 电量计放在电池包内(Pack-side)还是放在系统板(System-side)。

Pack-side 是最推荐的做法，相对System-side 有以下优点。

• Pack-side 电量计直接采样电芯电压；System-side 电量计采样电池包端口电压，不是电芯真实电压，含有CHG FET、DSG FET、Rsense、连接器、走线等压差。所以Pack-side 电量计电压更准确，有利于提高电量计量、充电以及保护精度。

• 电量计可集成加密认证算法，这样的电量计放在Pack-side 能用来标识电池是授权的。如果电量计放在System-side 则仍需要增加额外的认证IC 放在电池包内，综合成本比Pack-side 电量计高。

• Pack-side 电池保护板PCM进行电压、电流、温度校准比System-side 系统板校准更容易。

• Pack-side 电量计由电池厂商开发，系统厂商只需要读取电量计信息即可，项目开发周期比System-side 更短。

• 对于可插拔电池，System-side 电量计和系统都会掉电，RAM 数据会丢失，需要在电池插入后重新学习；而Pack-side 电量计RAM数据不丢失，能够持续不间断地跟踪电芯状态，因此比System-side 电量计更准确。

电量计算法介绍
• 电压查表法
最简单的电量计量算法是电压查表法，利用电池开路电压OCV 与电量一一对应的

原理，只需要采集电池电压，根据预存OCV 表来查找对应的电量SOC。

这种方法比较容易实现，常见于对电量精度没有要求、只用几段LED 粗略指示电量区间等场合。电压查表法的优点是在电池静置无电流、电压充分稳定时比较准确，无需完全放电即可知道当前的容量。缺点是有电流时精度差，尤其是负载波动时可能导致电池容量指示上下跳动。由于电池内阻，有电流时电池两端电压已经不能跟SOC 一一对应；此外，电池有瞬态效应，加载瞬间电池电压非线性变化，移除负载时电池电压非线性恢复，并且放电深度不同其恢复时间不同，电压充分稳定需要很长时间。

• 库仑计数法
库仑计数法的概念与流量计相似，把电池当作一个容器，计数充进电池的电荷量和从电池放出的电荷量，来计算电池内的剩余电荷量。库仑是电荷量的单位，1 库仑=1 安培·秒，所以可以通过对电池电流积分来计算电量。

库仑计数法的优点是不受电压测量失真（比如电池内阻导致电压失真、瞬态效应导致电压失真、放电曲线平坦区细小电压变化导致电量较大误差）影响；在电池有电流时仍可准确测量。缺点是需要完全充满完全放空来更新总容量，否则有误差累积；只能测量电池进出的电流，无法测量电池自放电电流，因而无法排除自放电的影响。

• CEDV 算法
CEDV(Compensated End of Discharge Voltage)算法是对库仑计数法的改进。库仑计数法需要完全满充满放来更新总容量，但困难在于很多用电池的系统不会把电池放空，毕竟电池电压太低会导致系统关机，要留有关机裕量。因此要在放空之前提前更新容量。考虑到电池放电平坦区的误差影响，不能提前太早，一般选择在平坦区之后约7%时更新。常用的三个EDV 点有EDV2 对应7%的电压、EDV1 对应3%的电压、EDV0 对应0%的电压。在不同的放电电流、不同的放电温度下三个EDV点对应的电压是会变化的，因此TI 的CEDV 算法就会对EDV 对应的电压进行补偿，根据负载和温度等对7%的电压进行修正，从而在准确的7%点更新容量。

• Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法

Impedance TrackTM 阻抗跟踪算法在基于锂电池电化学特性、动态学习跟踪电池阻抗、结合负载变化来预测计算电量，发挥电压法和库仑计数法的优点，克服电压法和库仑计数法的缺点。

• DVC 算法
DVC (Dynamic Voltage Correlation)算法是在阻抗跟踪算法基础上，不用电流采样电阻、电流采样网络和ADC，通过电池电压变化和阻抗模型来推算电流，然后像阻抗跟踪算法那样计算电量。这种方法的整体方案外围电路非常简洁。

上述几种算法。阻抗跟踪算法的精度最优。

本文来自《TI 电量计应用指导》（朱明武(Mingmo Zhu), 张楚涛(Hugo Zhang), 姚赤东(Steven Yao) 著）的摘录，侵请联系删文。