MTK Fuel Gauge算法分析重點(diǎn)講義

1、SW FG 算法分析目錄1， Battery架構(gòu)簡(jiǎn)析2， MTK 電量算法簡(jiǎn)析3， 72/82平臺(tái)SW FG算法分析4， 誤差和消除誤差Battery架構(gòu)簡(jiǎn)析MTK平臺(tái)Battery軟件架構(gòu)基本如下圖所示。具體過(guò)程：硬件ADC讀取Battery的各路信息：包括溫度，電壓等。MTK開(kāi)發(fā)的電量算法分析得到的數(shù)據(jù)。Kernel層將電量信息通過(guò)寫(xiě)文件節(jié)點(diǎn)的方式更新，并通過(guò)UEVENT通知上層。上層Service開(kāi)啟UEVENT LISTENER，監(jiān)聽(tīng)到UEVENT后，讀取battery相關(guān)文件節(jié)點(diǎn)，獲取電量信息。Service更新數(shù)據(jù)后，通過(guò)Broadcast通知所有開(kāi)啟了相關(guān)listener的act

2、ivities。根據(jù)不同的電量讀取和計(jì)算的策略，第一步的讀取和第二步的算法部分會(huì)有比較大的差異，而后面的數(shù)據(jù)更新和事件通知部分一致性較高。本篇重點(diǎn)分析72/82平臺(tái)SW FG算法實(shí)現(xiàn)，對(duì)比SW_FG 和HW_FG在硬件及軟件上的部分差異，分析電量誤差形成的一些原因和MTK已經(jīng)采取的消除誤差的措施。對(duì)于Battery數(shù)據(jù)更新和充電流程則粗略分析。 充電狀態(tài)機(jī)，battery充電的邏輯，就依賴(lài)于這張圖，如果是用的external charger ic，則應(yīng)當(dāng)參考該IC的充電邏輯。linear charging下 cc轉(zhuǎn) cv，是通過(guò)ADC讀取電壓后，軟件切換。而使用charger ic 則很可能是

3、硬件直接切換。這部分的相關(guān)代碼路徑在：alps/mediatek/kernel/drivers/power/linear_charging.calps/mediatek/kernel/drivers/power/switching_charging.ckernel層battery驅(qū)動(dòng)工作的流程，Bat_thread是工作的重點(diǎn)，通過(guò)單獨(dú)的線程依賴(lài)10s定時(shí)器，更新battery相關(guān)信息。電量算法分析后得到的數(shù)據(jù)也不會(huì)直接update，Information Processing還會(huì)針對(duì)一些特殊情況對(duì)顯示電量做調(diào)整，比如0%tracking&100%tracking。除了10s一次的定時(shí)

4、器更新，插拔充電器會(huì)觸發(fā)中斷，中斷處理時(shí)同樣會(huì)更新battery數(shù)據(jù)。所有和 電池 充電相關(guān)的數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在power_supply類(lèi)型的結(jié)構(gòu)體中，這是linux標(biāo)準(zhǔn)的電源子系統(tǒng)體系。MTK電量算法簡(jiǎn)析為了得到較為精確的電量數(shù)據(jù)，需要改善測(cè)量方式和計(jì)算方法，并針對(duì)已知誤差采取優(yōu)化手段。一下介紹MTK平臺(tái)下采用的一些電量算法。AUX ADC算法：事實(shí)上，所有算法都要依賴(lài)ADC讀取電量信息，這邊的AUX ADC算法指只依賴(lài)ADC讀值，然后查表讀取電量的算法。這種算法只重構(gòu)了ZCV table，誤差會(huì)很大。庫(kù)侖積分法：通過(guò)開(kāi)路電壓查表得到初始電量D0，后續(xù)電量通過(guò)電流積分累積，通用性強(qiáng)，依賴(lài)初始電量的

5、精確度?；旌闲退惴?SW FG算法和HW FG算法。事實(shí)上MTK平臺(tái)項(xiàng)目通常采用的是混合型算法。 SW FG的參考電路：HW FG的參考電路：相同點(diǎn): NTC電阻用于測(cè)量溫度，ADC測(cè)量各路信號(hào)。不同點(diǎn): HW FG有單獨(dú)的ADC和20毫歐的電阻作電流的偵測(cè)。HW FG 和SW FG最大差異就是電流的獲取方式?；旌纤惴ǖ牧鞒蹋琀W FG通過(guò)FG ADC讀取FG電阻兩端電壓獲得電流， 而SW FG則結(jié)合庫(kù)倫算法通過(guò)SW方式算得。這部分會(huì)詳細(xì)介紹。72/82平臺(tái)SW FG算法分析主要分析上圖黃色部分大部分項(xiàng)目都采用混合算法，下面從算法初始化開(kāi)始介紹下SW FG的算法實(shí)現(xiàn)。battery_meter

6、.c這個(gè)C文件 主要負(fù)責(zé)電池電量算法的實(shí)現(xiàn) 向上主要承接battery_common.c 向下調(diào)用battery_meter_hal.c中的接口，以讀取電池的各路信號(hào)。=>battery_meter_initial首先看下調(diào)用這個(gè)func的timing。顯然 在開(kāi)機(jī)初始化階段，就會(huì)進(jìn)入該函數(shù)，且只會(huì)運(yùn)行一次。針對(duì)AUXADC SW_FG HW_FG三種不同的電池算法方案，分別初始化，因?yàn)?2平臺(tái)采用的SW_FG， 所以接下去先主要分析SW_FG的流程。SW_FG的準(zhǔn)備工作 分為兩步: table_init oam_init先看table_init首先要獲取當(dāng)前的溫度信息=> for

7、ce_get_tbatADC讀值這邊就是MTK為了結(jié)合實(shí)際溫度 獲取較為精確的電池信息 而采取的線性平均值法。原理是利用預(yù)先測(cè)得的分布在-10 0 25 50 攝氏度下的ZCV表，結(jié)合真實(shí)溫度，動(dòng)態(tài)重構(gòu)一張當(dāng)前溫度下的ZCV表格。TEMPERATURE對(duì)應(yīng)預(yù)留的空Z(yǔ)CV表格，如下構(gòu)造新表的函數(shù)如下采用線性平均法 填補(bǔ)了有效溫度內(nèi)所有的ZCV對(duì)應(yīng)值 但與真實(shí)曲線必然存在一定的誤差。=>oam_init常見(jiàn)的指針函數(shù) 傳參比較有趣 vol_bat這個(gè)參數(shù)下傳給底下pmic做count，然后被重新賦值成讀取的v_bat值 之所以能這樣做 是因?yàn)檫@兩塊代碼 同處在kernel層 并地址傳參 ba

8、ttery_meter_hal.c 雖然頂著hal的名頭，其實(shí)是驅(qū)動(dòng)程序，工作在內(nèi)核層，主要實(shí)現(xiàn)上表各結(jié)構(gòu)體 針對(duì)MTK不同種的充電方案 讀取各項(xiàng)參數(shù)，包括v_bat temperature v_i_sense 等這邊走pmic這個(gè)函數(shù)也是起分流作用的 通過(guò)dwchannel，分到不同的處理函數(shù)去。硬件上，ADC通過(guò)一個(gè)mux 數(shù)據(jù)選擇器 對(duì)各路模擬信號(hào)進(jìn)行切換 有點(diǎn)類(lèi)似cpu的時(shí)間片和移動(dòng)通信的時(shí)隙切換。 vbat是channel 5， 要等到adc數(shù)據(jù)ready 才能去讀寄存器，看一下pmic的手冊(cè)精度15bit的ADC 其中14bit用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù) 1個(gè)bit做ready信號(hào) ，似乎ADC

9、3 和我們之前的dwchannel number有點(diǎn)對(duì)不上？ 可以看到 dwchannel 5 最終訪問(wèn)的仍是ADC3，另外可以直接比較下寄存器地址。和datasheet左上角的寄存器地址一致最后還要做次數(shù)值轉(zhuǎn)換，公式如下：分辨率計(jì)算：測(cè)量電壓范圍/(2AD位數(shù)-1)另外，對(duì)于同為電壓值的v_bat 和 v_i_sense，可能會(huì)出現(xiàn)adc量程不夠的問(wèn)題 這時(shí)候需要通過(guò)電阻分壓。 所以case 6 和 7 的r_val_temp為分壓比和前面一樣 ADC讀值 但是6320的spec上對(duì)于PCHR沒(méi)有說(shuō)明 從函數(shù)定義的名稱(chēng)上看 是開(kāi)路電壓 但是如何在一個(gè)閉路的環(huán)境中通過(guò)ADC讀取ocv，有些不解

10、。 查了下讀這個(gè)值的timing，只有在init suspend 和resume的時(shí)候才去獲取.猜想 一是可能 利用linear charging這種充9停1的方式，在第10s讀取電壓 作為OCV 也可能是因?yàn)閯傞_(kāi)機(jī)時(shí) 電流還不大 讀到的電壓值 可用作OCV 總之 這個(gè)值應(yīng)該是真實(shí)的開(kāi)路電壓的一個(gè)近似值。=> oam_init根據(jù)電壓讀表獲取電量可以看到 用的是table_init時(shí)重構(gòu)的新表Ok 這邊再一次 利用線性平均法 這一次是針對(duì)ADC讀到測(cè)到的電壓 線性平均后 得到一個(gè)較精準(zhǔn)的電量=> oam_init首先判斷是否插著充電器，讀PMU寄存器實(shí)現(xiàn)為什么 需要判斷有沒(méi)有插著充

11、電器呢？我是這么理解的，之前通過(guò)ADC讀取了兩個(gè)電壓值 其中一個(gè)是V_BAT 另一個(gè)是hw_ocv 是在閉路環(huán)境下讀取的開(kāi)路電壓近似值， 如果此時(shí)插著充電器，會(huì)有充電電流通過(guò) 這個(gè)hw_ocv的值和開(kāi)路電壓的誤差會(huì)增大，因此需要做進(jìn)一步的處理。插入充電器時(shí)，電量誤差不大于30 滿(mǎn)電誤差不大于10 否則hw_ocv無(wú)效=>oam_init Dod是指用電深度，100-dod = 電池剩余容量看一下 dod_init的實(shí)現(xiàn)ð dod init首先看g_rtc_fg_soc這個(gè)變量 MTK的策略是 每隔一段時(shí)間將當(dāng)前電量存儲(chǔ)到RTC寄存器中，在開(kāi)機(jī)時(shí)讀取該電量。主要目的是改善用戶(hù)體驗(yàn)

12、?？聪逻@個(gè)值是何時(shí)被寫(xiě)入的：電池信息 10s update 1次 同樣UI 電量 10s 存入RTC寄存器一次。用7個(gè)bit 存儲(chǔ) 電量信息。開(kāi)機(jī)時(shí)直接顯示關(guān)機(jī)時(shí)保存的電量，會(huì)增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)性，但是如果是更換電池或其他情況 造成關(guān)機(jī)電量和開(kāi)機(jī)電量相差過(guò)大，顯然應(yīng)該采用開(kāi)機(jī)電量，否則后續(xù)電池電量跳變反而會(huì)影響用戶(hù)體驗(yàn)。Normal boot下忽略|后面的條件 主要就是要求沒(méi)有插入充電器 不處于低電量 誤差不超過(guò)40%經(jīng)過(guò)前面所有的判斷 最終得到了gFG_capacity 這個(gè)電量，也就是開(kāi)機(jī)電量 因?yàn)殚_(kāi)機(jī)電量在整個(gè)電量計(jì)算中相當(dāng)重要并且又要結(jié)合用戶(hù)體驗(yàn) 所以之前會(huì)有很多的條件分支。Q_MAX_PO

13、S_25 是常溫下電池容量 因?yàn)镕G算法計(jì)算電池容量 會(huì)用到庫(kù)倫積分 所以需要關(guān)注電池容量的問(wèn)題。這個(gè)值需要根據(jù)實(shí)際電池容量客制化。即 25度用標(biāo)準(zhǔn)容量 其他溫度下需要乘上一個(gè)比例值。oam_v_ocv_1 和oam_v_ocv_2 現(xiàn)在是根據(jù) dod_init的結(jié)果取得的 大部分情況下就是關(guān)機(jī)電量查表得到的ocv電壓值 而注釋掉的原方案 直接采用hw_ocv的值這邊是算 ocv1 和 ocv2 對(duì)應(yīng)的電池內(nèi)阻 r，通過(guò)查表的方式獲取 因?yàn)閞和v的對(duì)應(yīng)表 也是開(kāi)路條件下測(cè)得 所以用hw_ocv查表獲取的值 比 原先通過(guò)vbat 取平均要精準(zhǔn)些。其他一些oam 電量算法 需要的參數(shù)初始化oam_

14、init 后， oam_run這個(gè)func負(fù)責(zé) 電量的計(jì)算，看一下調(diào)用的時(shí)機(jī)。=>mt_battery_GetBatteryData顯然也是10s 輪詢(xún)一次，get_percentage這個(gè)func 多個(gè)分支對(duì)應(yīng)不同的電量算法=>oam_run先看下MTK SW FG算法的原理圖SW FG的核心 在于 通過(guò)兩種方式更新電壓，去逼近真實(shí)開(kāi)路電壓 最終查表獲取近似真實(shí)的電量值。ocv1 被假定為開(kāi)路電壓 ocv2則是閉路電壓，以下結(jié)合實(shí)際代碼和上述流程圖分析下SW_FG 算法流程D0 D1 D2 D3 D4 D5 代表不同的放電深度這個(gè)算法的思路是這樣的： 最終通過(guò)開(kāi)路電壓oam_v_

15、ocv_1查ZCV表得到當(dāng)前的電量值 -> 開(kāi)路電壓需要通過(guò)閉路電壓v_bat 和 閉路電流oam_i_2 去回溯電池內(nèi)阻 逐次逼近 > oam_i_2 通過(guò) 另一種方式 電量積分更新的電壓oam_v_ocv_2總的來(lái)說(shuō)：電壓通過(guò)兩種方式更新 電流積分求電量后查表 / 電池內(nèi)阻回溯IR drop求得 電池內(nèi)阻 更新方式只有一種 根據(jù)電壓查表具體分析部分代碼：閉路電壓的更新 不需要算法支持 直接通過(guò)讀寄存器實(shí)現(xiàn)，注意vol_bat這個(gè)參數(shù)被復(fù)用，下傳表平均次數(shù) 返回時(shí)為最終的v_bat電壓值ocv_1 和 ocv_2 分別是兩種方式更新的電壓 這邊通過(guò)內(nèi)阻的IR drop求電流.上圖

16、R 可以是電池內(nèi)阻關(guān)鍵是oam_i_2 這邊的I2 有幾個(gè)作用：<1>因?yàn)殡娏魇峭ㄟ^(guò)上圖的內(nèi)阻IR drop得到的，而方式一內(nèi)阻回溯逼近開(kāi)路電壓本質(zhì)也是IR drop，如果使用oam_i_1 則沒(méi)有意義，只能使用不同體系的I2.<2>方式二 電流積分求電量查表 同樣依賴(lài) oam_i_2 這個(gè)體系是累積積分 不需要引用其他體系的參數(shù)<3>I2的方向作為充電還是放電的依據(jù)而oam_i_1只有作用3oam_car_1/oam_car_2 是累積電量 顯然oam_car_2是算法的有效參數(shù)gFG_BATT_CAPACITY_aging 是電池總?cè)萘?之前分析過(guò)了 根

17、據(jù)開(kāi)機(jī)時(shí)讀取的電池溫度 會(huì)有所不同d2 為積分法算出的電池當(dāng)前容量 d0為開(kāi)機(jī)電量 不會(huì)更新 d1不重要內(nèi)阻回溯 IR drop 逼近開(kāi)路電壓，具體分析下：主要是這個(gè)for循環(huán)，首先通過(guò)v_bat去查表得到電池內(nèi)阻r 然后用另一種算法求得的電流I和內(nèi)阻r 算出內(nèi)阻分去的電壓v，推算ocv_1.幾次循環(huán) 反復(fù)這個(gè)過(guò)程 逼近真實(shí)的開(kāi)路電壓。有幾個(gè)注意點(diǎn)：1，這邊的電壓?jiǎn)挝坏降资莢 還是mv？ 實(shí)際上是0.1mv2，gFG_resistance_bat和R_FG_VALUE 分別是指代 電池內(nèi)阻和硬件FG 使用的FG電阻（一般是20毫歐） 這邊是SW_FG 所以后一項(xiàng)為03，因?yàn)閞et_compen

18、sate是int型變量 做除法時(shí)取整處理 會(huì)引入較大誤差， 加上這個(gè)值使結(jié)果四舍五入實(shí)際做6次內(nèi)阻回溯，這時(shí)的電壓值已經(jīng)和開(kāi)路電壓比較接近，查表得到D3，D3基本就能反映當(dāng)前電量了。MTK在D3的問(wèn)題上針對(duì)電量跳變的情況 又做了步優(yōu)化得到D5，看下代碼這部分代碼比較簡(jiǎn)單，1分鐘內(nèi)電量值不會(huì)改變，且每分鐘電量的變化不會(huì)大于1%，這樣用戶(hù)體驗(yàn)會(huì)比較好。防止因?yàn)榈碗妷簳r(shí)陡峭的電量曲線，以及比較耗電的應(yīng)用，或突然的大電流引起的電量跳變。當(dāng)然特殊應(yīng)用下應(yīng)該取消這個(gè)功能，否則會(huì)帶來(lái)電量變化延時(shí)等問(wèn)題。這邊的返回值將填充BMT_status.SOC ，這個(gè)參數(shù)再經(jīng)過(guò)優(yōu)化得到BMT_status.UI_SOC

19、就是菜單欄看到的電池電量了。誤差和消除誤差因?yàn)殡娏恐当旧聿蝗菀淄ㄟ^(guò)儀器直接測(cè)量，只能依賴(lài)開(kāi)路電壓與電量的關(guān)系即電量曲線或者電流積分公式演算，這樣一個(gè)過(guò)程會(huì)有很多產(chǎn)生誤差的點(diǎn)，MTK針對(duì)其中一些給出了優(yōu)化方式。另外 由于電池特性 有些時(shí)候真實(shí)的電量數(shù)據(jù)反而使得用戶(hù)體驗(yàn)下降，這時(shí)候還要針對(duì)電量數(shù)據(jù)做一些特殊處理，以滿(mǎn)足用戶(hù)的預(yù)期。以下是82平臺(tái) SW FG中部分電量誤差產(chǎn)生的原因 以及 MTK用于消除/減小誤差的方法。庫(kù)倫積分時(shí)的電流:即使是cc狀態(tài)，電流也是有波動(dòng)的，而進(jìn)入cv狀態(tài)后，電流的變化會(huì)更大。因?yàn)檫@樣一個(gè)電流變化并無(wú)規(guī)律，所以不可能導(dǎo)出電流公式用于電量積分。目前代碼會(huì)把每10s 算一次

20、電流作為這10s的平均電流。這樣會(huì)形成一個(gè)電量累積誤差。MTK的觀點(diǎn): MTK認(rèn)為電流誤差既有正誤差，也有負(fù)誤差，在較長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)認(rèn)為誤差相互抵消。但實(shí)際進(jìn)入恒壓后 誤差應(yīng)該會(huì)稍大。電池內(nèi)阻不穩(wěn)定造成的誤差:電池的內(nèi)阻會(huì)隨溫度變化，且幅度很大，而在SW FG的算法中依賴(lài)電池內(nèi)阻計(jì)算電流大小，如果使用固定值的電池內(nèi)阻會(huì)嚴(yán)重影響電流的計(jì)算。MTK應(yīng)對(duì)方案：1，建立zcv tableMTK的zcv table，建立了幾個(gè)特定溫度（-10，0，25，50）下的內(nèi)阻r和開(kāi)路電壓ocv的關(guān)系，這樣可以根據(jù)可量測(cè)的電壓信號(hào)查表推算內(nèi)阻2，線性平均值MTK在算法初始化時(shí)，讀取溫度信息，通過(guò)線性平均重構(gòu)zcv table，這樣可以覆蓋從-10到50的所有溫度點(diǎn)。82平臺(tái) MTK電量算法只會(huì)在初始化的時(shí)候去通過(guò)讀取的溫度重構(gòu)zcv table，但假設(shè)使用者周?chē)臏囟仍谑謾C(jī)使用過(guò)程中變化比較大，或者電池本身發(fā)熱很厲害，電池內(nèi)阻值有了較大改變，則測(cè)出的電量偏差也會(huì)比較大。假設(shè)從高溫環(huán)境到低溫環(huán)境，根據(jù)電池特性，電池內(nèi)阻會(huì)大幅增大，而電池可使用容量將會(huì)下降。實(shí)際耗流假設(shè)變化不大，由于還是用之前的zcv表格，用于計(jì)算的內(nèi)阻比實(shí)際內(nèi)阻小很多，則算出來(lái)的電流會(huì)偏大。這樣顯示電量會(huì)快速下降。開(kāi)機(jī)電壓的誤差:由