[单片机框架][drivers层][ADC] fuelgauge 软件电量计（二）

接上一篇：[单片机框架][device层] fuelgauge 电量计
[单片机框架][drivers层][cw2015] fuelgauge 硬件电量计（一）

本章是软件件电量计的使用方法，采用ADC采集。利用opt的方式操作函数读写。包含电池模型。

通过开路电压oam_v_ocv_1，查ZCV表得到当前的电量值 -> 开路电压需要通过闭路电压v_bat 和闭路电流，
oam_i_2 去回溯电池内阻逐次逼近 –> oam_i_2 ，通过另一种方式电量积分更新的电压oam_v_ocv_2.

电池模型表：具有温度和电流区分。

需要采集ADC和电流，才能得到较为准确的电池电流。

fuelgauge.c

#include "log.h"
#include "errorno.h"
#include "modules.h"#include "gauge_adc.h"void gauge_adc_init(void) {}int32_t gauge_adc_get_volt(void) {return 4100;
}gauge_temp_t gauge_adc_get_temp(void) {uint8_t temp = GAUGE_TEMP_DEGREE_25;return temp;
}

fuelgauge.h

#ifndef __GAUGE_ADC_H__
#define __GAUGE_ADC_H__#include "typedefs.h"typedef enum {GAUGE_TEMP_DEGREE_NEG_10,GAUGE_TEMP_DEGREE_0,GAUGE_TEMP_DEGREE_25,GAUGE_TEMP_DEGREE_QTY,
} gauge_temp_t;void gauge_adc_init(void);
int32_t gauge_adc_get_volt(void);
gauge_temp_t gauge_adc_get_temp(void);#endif // __GAUGE_ADC_H__

电池模型

#ifndef __BATT_MODEL_H__
#define __BATT_MODEL_H__#define GAUGE_CCV_VOLT_LVL_MAX  12
#define SIZE_BATINFO            64typedef struct {uint16_t ccv;int16_t diff;
} gauge_ccv_diff_t;/* 580mAh */
static const gauge_ccv_diff_t gauge_ccv_diff_discharge[2][3][GAUGE_CCV_VOLT_LVL_MAX] =
{/* 0.01C */{/* -20 degree */{{4500, 100}, {3700, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 0 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 25 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},},/* 0.1C */{/* -20 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 0 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 20 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},},
};static const gauge_ccv_diff_t gauge_ccv_ocv_charge[2][3][GAUGE_CCV_VOLT_LVL_MAX] =
{/* 0.01C */{/* -20 degree */{{4500, 100}, {3700, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 0 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 25 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},},/* 0.1C */{/* -20 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 0 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},/* 20 degree */{{4500, 100}, {4000, 100}, {3800, 100}, {3700, 100}, {3650, 100}, {3600, 100},{3550, 100}, {3500, 100}, {3450, 100}, {3400, 100}, {3350, 100}, {3300, 100},},},
};#endif // __BATT_MODEL_H__

为避免电量跳变的问题可采取以下措施：

检测在盒充电状态，在盒充电状态，电量只能升不能降，盒外状态只能降不能升；
在上述措施的基础上，如果算法给出的电量连续3个周期都要变化，则以最小的变化区间变化；
防止系统重启导致电量跳变，则需要在关机重启之前将电池电量存入Flash，下次开机电量计计算出来的电量只能比这个电量小，不能大，如果大的话，以Flash中存的电量为准;
盒子软件电量计风险：

放电场景较为复杂—单耳入盒充电、双耳入盒充电、只有盒子充电、边充（单耳双耳）边放等等；
适配器兼容，盒子充电电流可达到1.2A，如果使用500mA适配器，1A适配器等，可能会影响软件电量计的算法；

一、电压查表法来计算剩余电量

自从手持及便携式设备被开发出来, 电池技术就被广泛使用在这些装置上。在实际运用的角度来看, 电池剩余电量的精度, 一直是使用者要求的重点之一, 任何人都不希望看到剩余电料显示还有30%, 可是下一秒钟或是接一个电话, 或是打开相机准备照相, 结果却是断电收场。当然这种状况在早期feature phone时代是经常发生, 主要是因为当时设备的功能单纯, 能耗相对的也较少, 一颗满电的电池芯用个3~5天都不是问题。

所以当时的电量计的式设计很简单, 就是用量测电压, 透过查表、或是简单的计算来决定剩余电量。
相对于智能手机的时代, 一颗满电的电池只能用个一天的状况, 如果电量指示还有30%, 下一个动作却让设备直接断电, 恐怕消费者都没法接受。

电压查表法的优点是成本低最低, 能耗也很低。缺点是精度也最相对较低, 且SOC会随着负载的变化而上下跳动, 当电池老化之后, 这种跳变的现象会更加明显。

二、库仑计

库仑计, 顾名思义, 就是电池电荷的累计。通过检流电阻检测充放电电流, 冲进去的电量就是电池的容量。总容量减去放出的容量就是电池剩余容量。

此方法实现相对简单, 且原理容易理解, 是目前使用比较多的一种计算方法, 但是, 并无法作为真正的电池电量计算使用。方案最大的问题在于两点, 一是累计误差, 随着时间的推进, 误差会越来越大；二是电池的充入电量和放出电量是不相等的, 在不同的负载、温度等条件下, 容量差别更大, 最典型的就是常温满电的电池在低温下只能放出很少的电量。

所以, 库仑计一般只是作为电量计算的辅助工具, 需要配合其他设备或采样数据进行修正使用。

三、透过检测电压, 电流及温度, 加上算法来计算剩余电量

这是比较典型的电量计算方案, 正常使用条件下通过库仑计计算电量, 在特定条件下通过电压或温度进行补偿。

对新电池来说可以比较精确的计算出剩余电量, 可是当电池老化之后精度就逐步降低, 这主要是因为库仑计的计算基础事先要了解目前电池的总容量, 再依据量测到的当前的电压、电流以及温度, 来计算用掉的容量之后, 估算出剩余电量。

可是当电池老化之后, 随之而来的就是总容量变少, 这个时候如果还是用新电池的总容量当成计算的基础, 剩余电量的计算误差就会越来越大。

这个方式的优点是期初精度很高, 缺点有：
(a) 元器件成本相对较高, 同时需要额外的制程及设备来进行检流电阻的校正, 以及对电池的全充放电来估算初期电池总容量。
(b) 随着电池老化, 误差会随之增加。
© 方案本身的能耗比较于电压检测方案要高很多。

四、针对电压检测方案的优化

(a)这个方案主要是针对长期精度进行优化, 最主要的步骤就是在电量计芯片内, 针对现在使用的电池芯建模, 由于理论上电池无论是新的还是老化之后, 其OCV（开路电压）曲线都是相同。因此建立了电池模型就有实际剩余电量的参考依据, 同时还把因为大电流放电温升的因素考虑进来, 以提升长期电量计算精度。可是这个方案是在大部分应用中, 精度都可以维持在正常范围内。

(b)除此以外, 也有厂商针对上述缺点, 在电量计内加上自我学习校准的演算功能, 来应对老化的影响, 以保持长期剩余电量的精度。

五、针对普通电流检测方案的优化

由于普通电流检测方案的长期精度误差很大, 因此有厂家建立了“内阻追踪(Impedance Track)”的技术, 根据内阻的变化决定电池老化的程度, 来修正剩余电量计算的精度。

电量计技术	代表厂家	方案成本	短/长期精度
电压查表法	所有未使用电量计的厂家	低	低/非常低
库仑计（主要放在PMIC/PMU内）	Qualcomm，Broadcom， MTK, X-power(芯智汇) ，O2(凹凸)，EPI（芯传）	中	中（由开发的软件方案决定）
电压检测+温度检测+电池建模	Maxim(美信)	低	低/中
电压检测+温度检测+电池建模+自学习演算	CellWise（赛微）	低	高/高
库仑计+内阻追踪	TI(德州仪器)	高	高/高