深度剖析手持設備中的電池管理對成本控制的影響

原創亞德諾半導體 2025-02-12 18:05

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物流與零售終端市場的高速增長正推動整個供應鏈對生產力提升與可持續發展的迫切需求。預計到2027年，全球包裹運輸量將達到2560億件，年復合增長率為8.5%，這一趨勢充分體現了高效滿足客戶需求的緊迫性。然而，當前的物流基礎設施難以快速適應這種增長，無法全面滿足消費者對當日送達服務和卓越客戶體驗的期待。本文將剖析手持設備中的電池管理對成本控制的影響。

自動化轉型

由于空間利用率低、產品轉運和運輸流程中的多種低效問題，一般倉庫或配送中心的運營效率僅在80%至85%之間。此外，近期對倉庫自動化運營經理的一項調查顯示，目前只有20%的倉庫實現了自動化。然而，預計到2027年，這一比例將激增至90%以上，未來五年將迎來大規模投資浪潮。

這種大規模的物流自動化轉型將依賴于資產跟蹤、機器視覺以及物體尺寸測量等關鍵應用來實現。要確保貨物在供應鏈中高效流動，必須使用先進的條形碼掃描儀和手持計算設備。這些設備不僅要實現越來越多的高級功能，還需具備小巧的外形設計，同時保持電池供電的便捷性，這些正是OEM面臨的設計挑戰。

物流自動化的安全性和效率

物流公司越來越重視實現積極的可持續發展目標。為了實現這些目標，公司不僅利用電動汽車實現車隊現代化改造，還加大對物流供應鏈全方位自動化的投資。

其中一個關鍵環節是在物流周期的起始階段實施物體、包裹及托盤的尺寸測量（參見圖1）。這些信息有利于下游環節提升規劃效率，從而優化配送車輛和貨運集裝箱的利用率。再結合車內/集裝箱資產跟蹤技術，還能在整個配送過程中實現端到端產品跟蹤，不僅有助于減少產品錯放造成的失誤，還可有效提升物流的安全性與可靠性。

Figure 1. 3D time of flight (TOF) dimensioning over conveyor systems. — *圖1. 傳送帶系統上的3D飛行時間(ToF)尺寸測量*

自動數據采集掃描儀

自動數據采集(ADC)是實現自動化轉型的關鍵技術。ADC設備包括簡單的條形碼掃描儀和更復雜的手持計算機等。掃描儀通常用于物流運輸、庫存跟蹤、訂單履行和制造領域的產品跟蹤。雖然這些設備執行的任務相對簡單，但設備必須采用堅固耐用的設計，在確保安全可靠的同時，還必須能夠適應許多不同的工作環境。掃描儀的關鍵要求（參見圖2）可總結如下：

快速充電：具備快速充電能力可以讓設施使用更少的電池和充電器維持手持設備的運行，從而顯著降低總體資本投入。
精準充電：確保電池完全充滿不僅能最大限度提高電池利用率，還可減少因多余充電周期帶來的資源浪費。
改進邊緣節點驗證功能：據估計，約5%至7%的電池為克隆品。這些克隆電池可能在充放電過程中引發安全隱患，并導致運營中斷，從而造成收入損失。
防護保固：意外掉落可能會使手持設備受損。集成高g加速度計可檢測設備是否發生跌落以及潛在損壞情況。
動態揚聲器管理(DSM)：自動化環境往往嘈雜而混亂。對于在用戶界面上具有音頻功能的設備，需要通過高品質音頻放大器提升揚聲器的輸出效果，做到既能在小型揚聲器中保持清晰音質，又能盡可能提高輸出功率，同時減少電量消耗。
內置自動物體尺寸測量：能夠感知物體與產品并測量其尺寸的手持設備可以提供關鍵信息，顯著優化物流運輸并提高下游效率。

Figure 2. A summary of the key design requirements for handheld scanners. — *圖2. 手持掃描儀的關鍵設計要求總結。*

實現快速、準確且安全的充電

對于電池供電的手持設備，電池電量計是一個重要功能。假設一個倉庫24小時全天候運營。設備上的電池電量計有10%的誤差，這意味著一塊可以使用8小時的電池在僅運行7.2小時后就會標記為已耗盡電量，實際電量尚未完全消耗。與精確的電量計相比，這相當于每臺掃描儀每年將多出120次以上的電池更換操作。精準充電能夠延長手持設備的工作時間，充分利用每塊電池的剩余容量，延緩更換電池的頻率。在設備眾多且規模龐大的倉庫中，這一改進的累計效益尤為顯著，可大幅降低總體運營成本。

電量計可通過兩種方式實現：主機端或電池端（參見圖3）。在主機端系統中，簡單的電池包連接到主機充電器，主機充電器中的應用處理器與連接到主機端的電量計IC進行通信。這種架構適合采用嵌入式電池的系統，或者使用壽命較短（僅需數年）的可拆卸電池系統，同時也適合成本敏感型應用。

Figure 3. Host-side (top) and battery-side (bottom) fuel gauge architectures. — *圖3. 主機端（上圖）和電池端（下圖）電量計架構。*

相反，在電池端系統中，電池包內置電量計IC。這種架構適合使用壽命較長的可拆卸電池系統。通過在電池包首次裝入手持設備時進行驗證，該方法還能有效實現電池的安全認證（詳見“通過驗證解決假冒偽劣問題”部分）。

傳統的電量計方法主要基于庫侖計數器，即通過檢測電阻來測量充電和放電電流以估算電荷流量，或者基于開路電壓(OCV)測量來估算剩余電荷（例如，4.2 V對應100%電荷，2.8 V代表電量耗盡），或者結合使用這兩種方法（參見圖4）。這兩種方法各有缺點：庫侖計數器隨著時間的推移會積累偏置（參見圖5），需要在電池完全放電或無負載時進行誤差重置。電壓計設備則依賴于電池的開路電壓。然而，典型電池放電曲線呈現平坦特性，因此很難確定開路電壓。此外，負載條件對此也有很大的影響（參見圖6）。

Figure 4. General architecture of a fuel gauge device with both a coulomb counter and voltage sensing. — *圖4. 具有庫侖計數器和電壓檢測功能的電量計設備通用架構。*

Figure 5. Example of accumulated offset error of a coulomb counter over time and correction after OCV measurement. — *圖5. 庫侖計數器隨時間推移積累偏置誤差以及OCV測量后校正的示例。*

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. — *圖6. 實際SoC與負載條件下依據電壓計設備中的OCV測量估算的SoC不一致，導致難以準確測量電池的開路電壓。*

此外，庫侖計數器和電壓計設備本身不考慮內部自放電、電池老化或溫度，而這些因素都會顯著影響電池的充電狀態。

為了提高精度，需要更先進的傳感技術。例如，ADI公司的ModelGauge?系列通過使用兩種獨立的算法來準確評估電池的充電狀態，從而提供精確的電量計數據（參見圖7）：ModelGauge和ModelGauge m5。

Figure 7. The state of charge error in a variety of test conditions: ModelGauge (blue) vs. traditional algorithms (violet). — *圖7. 各種測試條件下的充電狀態誤差：ModelGauge（藍色）與傳統算法（紫色）。*

ModelGauge用百分比表示充電狀態。該算法在不斷開負載的情況下估算負載條件下的OCV。OCV使用實時仿真進行計算，以電池電壓作為輸入并結合電池的動態參數。該方法在0°C以上的溫度下提供良好的準確性。

ModelGauge m5是一種相當精密的算法，它提供的數據不僅僅是充電狀態，還包括絕對容量（單位為mAh）、電量耗盡所需的時間、充滿電所需的時間、電池年限、壽命預測以及有關電池的其他詳細信息。該算法測量電壓、電流和溫度。因此，它能夠在所有工作條件下實現準確測量，包括低溫或高負載等復雜的條件。該算法適用于主機端和電池端實現。

ADI提供大量帶有集成保護器和認證器的電量計設備，適合主機端（MAX1726x系列）和電池端設計 (MAX17201/MAX17211和帶自放電檢測器的MAX17300/MAX17310）。對于較大的2S節及以上電池， ModelGauge (MAX17049)和ModelGauge m5 (MAX17261/MAX17263)均可用于集成充電器（線性：MAX17330/MAX17332或降壓：MAX77840/MAX77818) ，以提供單芯片電池管理系統。

對于需要使用USB充電的設備，ADI提供AccuCharge?技術，利用標準USB BC1.2和更先進的USB-C功率傳輸(PD)新型充電技術，為電池充電提供完整的信號鏈。例如，MAX77757和MAX77787提供符合JEITA充電配置的自動Type-C和BC1.2檢測。所有配置使用電阻或數字輸入引腳完成，并優先考慮電阻設置，確保在電池電量耗盡的情況下正確啟動。所有USB檢測均已內置，圍繞這些設備設計的架構可實現無固件設計過程（參見圖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. — *圖8. 通過無固件設計過程，MAX77757/MAX77787等電源設備支持單芯片架構，從而實現標準USB Type-C (≤15 W)充電。*

這些設備的集成度高，因此最終設計更加小巧、更加高效。例如，通過改善熱管理，系統可以更快、更高效地充電，同時，外形尺寸縮小34%，有利于實現緊湊的可穿戴設計（參見圖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. — *圖9. 得益于集成式設計和優化的熱管理，外形尺寸縮小34%，可支持實現緊湊的可穿戴設計。*

Figure 10. The design shown in Figure 9 (based on the MAX77757) offers superior charging efficiency on the order of 3.5% better. — *圖10. 圖9所示的設計（基于MAX77757）提供出色的充電效率，提升幅度約為3.5%。*

對于15 W以上的充電功率，ADI提供USB-C PD系統，將MAX77958 PD 控制器與支持AccuCharge技術的 MAX77985/MAX77986 充電器（適用于1節電池）或MAX77960/MAX77961 充電器（適用于2節及以上電池）相結合。MAX77958 PD控制器提供完全兼容的USB-C PD3.0充電器控制、自動電纜方向和電源角色檢測功能，以及用于控制充電器的I2C主接口（參見圖11）。

Figure 11. A block diagram of a two-chip architecture for USB PD (>15 W). — *圖11. USB PD (>15 W)雙芯片架構的框圖。*

MAX77985/MAX77986可提高USB-C PD電池供電設備的效率。考慮到手持計算機和移動掃描儀中每天要多次更換電池包，高速充電意味著可減少停機時間。內置高效、集成控制器和充電器的充電設備可通過USB-C PD實現高性能充電。這樣一來，電池包充電速度加快，而溫度卻不會升高，從而盡可能減少電池壓力，大幅延長電池工作壽命（參見圖12）。