如何通过优化电池管理来降低手持设备的成本？

电量计可通过两种方式实现：主机端或电池端（参见图3）。在主机端系统中，简单的电池包连接到主机充电器，主机充电器中的应用处理器与连接到主机端的电量计IC进行通信。这种架构适合采用嵌入式电池的系统，或者使用寿命较短（仅需数年）的可拆卸电池系统，同时也适合成本敏感型应用。

图3. 主机端（上图）和电池端（下图）电量计架构。

相反，在电池端系统中，电池包内置电量计IC。这种架构适合使用寿命较长的可拆卸电池系统。通过在电池包首次装入手持设备时进行验证，该方法还能有效实现电池的安全认证（详见“通过验证解决假冒伪劣问题”部分）。

传统的电量计方法主要基于库仑计数器，即通过检测电阻来测量充电和放电电流以估算电荷流量，或者基于开路电压(OCV)测量来估算剩余电荷（例如，4.2 V对应100%电荷，2.8 V代表电量耗尽），或者结合使用这两种方法（参见图4）。这两种方法各有缺点：库仑计数器随着时间的推移会积累偏置（参见图5），需要在电池完全放电或无负载时进行误差重置。电压计设备则依赖于电池的开路电压。然而，典型电池放电曲线呈现平坦特性，因此很难确定开路电压。此外，负载条件对此也有很大的影响（参见图6）。

图4. 具有库仑计数器和电压检测功能的电量计设备通用架构。

图5. 库仑计数器随时间推移积累偏置误差以及OCV测量后校正的示例。

图6. 实际SoC与负载条件下依据电压计设备中的OCV测量估算的SoC不一致，导致难以准确测量电池的开路电压。

此外，库仑计数器和电压计设备本身不考虑内部自放电、电池老化或温度，而这些因素都会显著影响电池的充电状态。

为了提高精度，需要更先进的传感技术。例如，ADI公司的ModelGauge™系列通过使用两种独立的算法来准确评估电池的充电状态，从而提供精确的电量计数据（参见图7）：ModelGauge和ModelGauge m5。

图7. 各种测试条件下的充电状态误差：ModelGauge（蓝色）与传统算法 （紫色）。

ModelGauge用百分比表示充电状态。该算法在不断开负载的情况下估算负载条件下的OCV。OCV使用实时仿真进行计算，以电池电压作为输入并结合电池的动态参数。该方法在0°C以上的温度下提供良好的准确性。

ModelGauge m5是一种相当精密的算法，它提供的数据不仅仅是充电状态，还包括绝对容量（单位为mAh）、电量耗尽所需的时间、充满电所需的时间、电池年限、寿命预测以及有关电池的其他详细信息。该算法测量电压、电流和温度。因此，它能够在所有工作条件下实现准确测量，包括低温或高负载等复杂的条件。该算法适用于主机端和电池端实现。

ADI提供大量带有集成保护器和认证器的电量计设备，适合主机端（MAX1726x系列）和电池端设计 (MAX17201/MAX17211和带自放电检测器的MAX17300/MAX17310）。对于较大的2S节及以上电池， ModelGauge (MAX17049)和ModelGauge m5 (MAX17261/MAX17263)均可用于集成充电器（线性：MAX17330/MAX17332或降压：MAX77840/MAX77818) ，以提供单芯片电池管理系统。

对于需要使用USB充电的设备，ADI提供AccuCharge®技术，利用标准USB BC1.2和更先进的USB-C功率传输(PD)新型充电技术，为电池充电提供完整的信号链。例如，MAX77757和MAX77787提供符合JEITA充电配置的自动Type-C和BC1.2检测。所有配置使用电阻或数字输入引脚完成，并优先考虑电阻设置，确保在电池电量耗尽的情况下正确启动。所有USB检测均已内置，围绕这些设备设计的架构可实现无固件设计过程（参见图8）。

图8. 通过无固件设计过程，MAX77757/MAX77787等电源设备支持单芯片架构，从而实现标准USB Type-C (≤15 W)充电。

这些设备的集成度高，因此最终设计更加小巧、更加高效。例如，通过改善热管理，系统可以更快、更高效地充电，同时，外形尺寸缩小34%，有利于实现紧凑的可穿戴设计（参见图9和10）。

图9. 得益于集成式设计和优化的热管理，外形尺寸缩小34%，可支持实现紧凑的可穿戴设计。

图10. 图9所示的设计（基于MAX77757）提供出色的充电效率，提升幅度约 为3.5%。

对于15 W以上的充电功率，ADI提供USB-C PD系统，将MAX77958 PD 控制器与支持AccuCharge技术的 MAX77985/MAX77986 充电器（适用于1节电池）或MAX77960/MAX77961 充电器（适用于2节及以上电池）相结合。MAX77958 PD控制器提供完全兼容的USB-C PD3.0充电器控制、自动电缆方向和电源角色检测功能，以及用于控制充电器的I2C主接口（参见图11）。

图11. USB PD (>15 W)双芯片架构的框图。

MAX77985/MAX77986可提高USB-C PD电池供电设备的效率。考虑到手 持计算机和移动扫描仪中每天要多次更换电池包，高速充电意味着可减少停机时间。内置高效、集成控制器和充电器的充电设备可通过USB-C PD实现高性能充电。这样一来，电池包充电速度加快，而温度却不会升高，从而尽可能减少电池压力，大幅延长电池工作寿命（参见图12）。

图12. 高性能充电器可加快电池充电速度，并保持适宜的温度，从而降低电池压力并大幅延长电池工作寿命。

通过这些架构，OEM可以提高使用单节锂电池和多节电池（适合较高电压用例）的应用效率（参见图13）。

图13. 基于USB-C的完整1S和2S节及以上电池充电架构。

通过验证解决假冒伪劣问题

设计电池供电设备时，防止假冒伪劣是必须要考虑的一个重要问题。各行各业都需要大量高价值的电池，因此对造假者而言，电池是一个有利可图的目标。假冒电池的制造标准通常不高，因此，它们发生内部短路的风险更高，危险的短路会造成热失控，产生连锁效应，导致冒烟或火灾事件（参见图14、15和16）。

图14. 假冒电池内部短路会导致热失控、冒烟和火灾。

图15. 电池过度充电导致热失控而引起的退化阶段。

图16. 利用主机端验证器的电池验证过程，可有效防止使用不安全的假冒电池。

智能电池电量计电路可提醒系统发生内部短路并切断电池，从而避免潜在问题。此外，带有电池端智能电量计的系统可以使用电量计来验证电池真伪。电池和设备共享一个密钥，使电池能够在安装时向设备验证其真实性。如果确定电池未经认证，设备可以阻止运行并避免使用假冒电池可能引起的潜在安全问题（参见图16）。