深度剖析手持设备中的电池管理对成本控制的影响

原创亚德诺半导体 2025-02-12 18:05 140浏览 0评论 0点赞

双天线智能切换+多协议并发传输方案详解 破解工业通信时延困局

物流与零售终端市场的高速增长正推动整个供应链对生产力提升与可持续发展的迫切需求。预计到2027年，全球包裹运输量将达到2560亿件，年复合增长率为8.5%，这一趋势充分体现了高效满足客户需求的紧迫性。然而，当前的物流基础设施难以快速适应这种增长，无法全面满足消费者对当日送达服务和卓越客户体验的期待。本文将剖析手持设备中的电池管理对成本控制的影响。

自动化转型

由于空间利用率低、产品转运和运输流程中的多种低效问题，一般仓库或配送中心的运营效率仅在80%至85%之间。此外，近期对仓库自动化运营经理的一项调查显示，目前只有20%的仓库实现了自动化。然而，预计到2027年，这一比例将激增至90%以上，未来五年将迎来大规模投资浪潮。

这种大规模的物流自动化转型将依赖于资产跟踪、机器视觉以及物体尺寸测量等关键应用来实现。要确保货物在供应链中高效流动，必须使用先进的条形码扫描仪和手持计算设备。这些设备不仅要实现越来越多的高级功能，还需具备小巧的外形设计，同时保持电池供电的便捷性，这些正是OEM面临的设计挑战。

物流自动化的安全性和效率

物流公司越来越重视实现积极的可持续发展目标。为了实现这些目标，公司不仅利用电动汽车实现车队现代化改造，还加大对物流供应链全方位自动化的投资。

其中一个关键环节是在物流周期的起始阶段实施物体、包裹及托盘的尺寸测量（参见图1）。这些信息有利于下游环节提升规划效率，从而优化配送车辆和货运集装箱的利用率。再结合车内/集装箱资产跟踪技术，还能在整个配送过程中实现端到端产品跟踪，不仅有助于减少产品错放造成的失误，还可有效提升物流的安全性与可靠性。

Figure 1. 3D time of flight (TOF) dimensioning over conveyor systems. — *图1. 传送带系统上的3D飞行时间(ToF)尺寸测量*

自动数据采集扫描仪

自动数据采集(ADC)是实现自动化转型的关键技术。ADC设备包括简单的条形码扫描仪和更复杂的手持计算机等。扫描仪通常用于物流运输、库存跟踪、订单履行和制造领域的产品跟踪。虽然这些设备执行的任务相对简单，但设备必须采用坚固耐用的设计，在确保安全可靠的同时，还必须能够适应许多不同的工作环境。扫描仪的关键要求（参见图2）可总结如下：

快速充电：具备快速充电能力可以让设施使用更少的电池和充电器维持手持设备的运行，从而显著降低总体资本投入。
精准充电：确保电池完全充满不仅能最大限度提高电池利用率，还可减少因多余充电周期带来的资源浪费。
改进边缘节点验证功能：据估计，约5%至7%的电池为克隆品。这些克隆电池可能在充放电过程中引发安全隐患，并导致运营中断，从而造成收入损失。
防护保固：意外掉落可能会使手持设备受损。集成高g加速度计可检测设备是否发生跌落以及潜在损坏情况。
动态扬声器管理(DSM)：自动化环境往往嘈杂而混乱。对于在用户界面上具有音频功能的设备，需要通过高品质音频放大器提升扬声器的输出效果，做到既能在小型扬声器中保持清晰音质，又能尽可能提高输出功率，同时减少电量消耗。
内置自动物体尺寸测量：能够感知物体与产品并测量其尺寸的手持设备可以提供关键信息，显著优化物流运输并提高下游效率。

Figure 2. A summary of the key design requirements for handheld scanners. — *图2. 手持扫描仪的关键设计要求总结。*

实现快速、准确且安全的充电

对于电池供电的手持设备，电池电量计是一个重要功能。假设一个仓库24小时全天候运营。设备上的电池电量计有10%的误差，这意味着一块可以使用8小时的电池在仅运行7.2小时后就会标记为已耗尽电量，实际电量尚未完全消耗。与精确的电量计相比，这相当于每台扫描仪每年将多出120次以上的电池更换操作。精准充电能够延长手持设备的工作时间，充分利用每块电池的剩余容量，延缓更换电池的频率。在设备众多且规模庞大的仓库中，这一改进的累计效益尤为显著，可大幅降低总体运营成本。

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。

Figure 3. Host-side (top) and battery-side (bottom) fuel gauge architectures. — *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）。

Figure 4. General architecture of a fuel gauge device with both a coulomb counter and voltage sensing. — *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。*

Figure 5. Example of accumulated offset error of a coulomb counter over time and correction after OCV measurement. — *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。*

Figure 6. Mismatch between real SoC and estimated SoC from OCV measurement in voltage gauge devices under load conditions makes it difficult to accurately measure voltage on the open circuit voltage of a cell. — *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。

Figure 7. The state of charge error in a variety of test conditions: ModelGauge (blue) vs. traditional algorithms (violet). — *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）。

Figure 8. Power devices like the MAX77757/MAX77787 enable a single-chip architecture for standard USB Type-C (≤15 W) charging with a firmware free design process. — *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）。

Figure 9. Integrated design and better thermal management result in a 34% smaller form factor to support even the most compact wearable designs. — *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。*

Figure 10. The design shown in Figure 9 (based on the MAX77757) offers superior charging efficiency on the order of 3.5% better. — *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）。

Figure 11. A block diagram of a two-chip architecture for USB PD (>15 W). — *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）。