CN100553071C - 一种智能数字电池 - Google Patents

Abstract

一种智能数字电池，包括电池组以及与电池组联接的电流感应器、电压感应电路、温度感应电路和稳压电路，与上述电路联接的智能控制芯片，所述的智能控制芯片与存储器联接，在电流感应器与温度感应电路之间设置有放大电路和省电控制电路，所述的放大电路和省电控制电路与智能控制芯片联接，智能控制芯片还与数据收发电路联接。本发明智能数字电池具有可靠性高、显示电池实际容量准确、还能显示当前电池电压、电流、温度及电池的使用次数、出厂年月、额定电压、额定容量等参数的优点。

Description

一种智能数字电池

技术领域

本发明涉及一种智能电池，具体地是指一种能提供电池的实时容量及相关电池信息的智能数字电池。

背景技术

早期传统列车都需要加挂一节列尾车厢，在该列尾车厢中放置有列车尾部安全防护装置，该装置为列车的安全运行，提供可靠的安全保障，但该装置需要配备一专人人员看守值班。随着技术的发展，现在的列车取而代之的是一种列尾通信设备，该设备取代列尾车厢中的防护装置功能，不需要专人值守。由于列车的高安全性要求，该设备必须不间断工作，同时自身要携带电源，目前电源大都使用镍镉、镍氢电池等列尾电池，该列尾电池不带电量显示或电量不足提醒功能，为了防止电池缺电造成的安全隐患，一般需要定时派人去查看，来保证列车运行的高可靠性。

现有技术为了解决电池的可靠性和实现电量显示采用了一些方案，如专利号是200420010203.0的专利文献公开了一种可充式摄像机数字型电池，由数字电池单元、电池管理单元、显示控制单元组成；所述数字电池单元由电池组、电池管理芯片U1和其外围电连接的电压采样电路、电流采样电路、温度采样电路和存储器构成；所述电池管理单元由微处理器U4构成；所述显示单元由点阵型LCD显示模块U5和显示屏构成；所述电压采样电路、电流采样电路的输入端分别与电池组电连接，其输出端分别与微处理器U4的输入接口电连接；所述存储器、温度采样电路的输出端分别与微处理器U4的输入接口电连接；所述微处理器U4的输出接口与点阵型LCD显示模块U5的输入接口电连接；LCD显示模块U5的输出接口与所述显示屏电连接，该方案提高了新闻采编过程中电池的可靠性，但实现不了电池实际电量的显示和电池是否已到使用寿命。

专利号是200410042343.0的专利文献公开了一种可显示电量的充电电池，包括一电池壳体，该电池壳体表面设有一液晶显示器，内部则设有一蓄电单元、一电量检测电路、一微处理器及一液晶显示器接口控制器，其中电量检测电路可侦测蓄电单元的电量，并将检测结果传送至微处理器加以处理，此微处理器会根据检测结果传送一电量显示信号至液晶显示接口控制器，使其控制一液晶显示器显示蓄电单元的电量，该方案无需搭配其他电子装置即可显示电池电量，但其准确度不高。

发明内容

本发明需要解决的问题是提供一种可靠性高、显示电池实际容量准确、还能显示当前电池电压、电流、温度及电池的使用次数、出厂年月、额定电压、额定容量等参数的智能数字电池。

根据上述需解决的问题设计了一种智能数字电池，包括电池组以及与电池组连接的电流感应器、电压感应电路、温度感应电路和稳压电路，与上述电路连接的智能控制芯片，所述智能控制芯片由芯片IC3组成，型号为F9222，所述的智能控制芯片与存储器连接，在电流感应器与温度感应电路之间设置有放大电路和省电控制电路，所述的放大电路和省电控制电路与智能控制芯片连接，智能控制芯片还与数据收发电路连接，

所述数据收发电路由电阻R18-R22、三极管Q2、二极管D1、D2组成，三极管Q2的基极通过电阻R18与芯片IC3的12脚连接，电阻R20连接于芯片IC3的13脚与三极管Q2的集电极之间，电阻R21连接于三极管Q2的集电极与发射极之间，三极管Q2的集电极通过端口DATA与外部设备连接，其中电阻R22、二极管D1、D2提供端口保护。

所述的放大电路与电流感应器的输出端连接，将电流感应器产生的电流信号进行放大后送入智能控制芯片进行模数转换，放大电路包括运算放大器IC2A、IC2B、电阻R5-R12、电容C6、C7、C9-C11，运算放大器IC2A的反向输入端通过电阻R5与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2A的同向输入端通过电阻R6与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2A的电源脚与省电控制电路连接，运算放大器IC2A的输出端通过电阻R11与电容C6一端及智能控制芯片F9222的18脚连接；运算放大器IC2B的反向输入端通过电阻R7与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2B的同向输入端通过电阻R8与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R12与电容C7一端及智能控制芯片F9222的17脚连接。

所述的省电控制电路为温度感应电路及放大电路提供省电控制的电源，省电控制电路由场效应管Q1、电阻R15、R16、电容C4、C12组成，场效应管Q1的漏极与稳压电路的输出端连接，场效应管Q1的栅极通过电阻R16与智能控制芯片连接，场效应管Q1的源极与温度感应电路、运算放大器IC2A的电源脚均连接，并同时通过并联的电容C4、C12连接到地。

本发明还提供了一种智能数字电池的电池容量显示方法，该方法的执行步骤是：首先，检测电池电压是否足够，电压小于设定值则不工作；电压足够则顺序检测电池电压、充电电流、放电电流、温度等数据并记录存储；其次，若检测到有充电电流则表明电池正在充电，记录充电数据，累加充电充入电量，并根据充电电流及时间计算充电充入的电量对电池电量进行累加，得到电池的实际电量；第三，若没有检测到充电电流，而检测到有放电电流则表明电池正在放电，对电池电量进行累减，根据放电电流的大小和放电的时间计算放电消耗的电量，对电池电量进行累减，得到电池的实际电量。

当电池被过量充电时，根据电池的额定容量数据，限制电池电量值的累加，即满电量时的校正；当检测到电池彻底放完电时，自动对电池电量自动清零。电池充电时得到的电池实际容量和电池放电时得到的实际容量的数据，通过数据收发端，传送到相关设备进行转换和显示，所述的数据包括充电电流、充电时间、充电工作次数、放电电流、放电时间、电压、温度和容量曲线。

本发明电池主要功能是实时的反映电池的当前电量，从而使用该电池的设备可以估算电池还可以用多长时间，提供设备的使用安全保障。该电池还可以提供当前电池电压、电流、温度等数据及电池的使用次数、出厂年月、额定电压、额定容量等参数供设备读取。本发明的优点除了为设备提供容量数据保障设备安全运行外，还可以让设备读取所有的电池信息，设备可以根据这些信息作相关的处理，可以计算电池还可以坚持多长时间，是否需更换或充电以保证设备不间断工作，而列尾设备不间断工作才能为安全行车提供保障。

附图说明

附图1是本发明智能数字电池原理方框图；

附图2是图1的电路原理图；

附图3是本发明显示电池电量的工作流程图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面将结合具体实施例及附图对本发明工作原理作进一步详细描述：

如图1所示，一种智能数字电池，包括电池组以及与电池组连接的电流感应器、电压感应电路、温度感应电路和稳压电路，与上述电路连接的智能控制芯片，所述的智能控制芯片与存储器连接，电池组通过输出端与用电设备连接，在电流感应器与温度感应电路之间设置有放大电路和省电控制电路，所述的放大电路和省电控制电路与智能控制芯片连接，智能控制芯片还与数据收发电路连接，数据收发电路通过数据线与设备连接。

如图2所示，本发明智能数字电池电路原理图，电池组BT采用7.2V/8000mAH的电池，智能控制芯片由芯片IC3组成，采用的型号为F9222，存储器由IC4组成，采用的型号是24C512。

电池组BT与开关连接，并通过B+和B-端向设备输出电源。电池组的正极上连接有稳压电路和电压感应电路，稳压电路由电阻R1、电容C1、C2、C3和稳压芯片IC1组成的稳压电路，它提供+5V直流稳压电源，供给整个电路。电压感应电路将电池组的电压信号提供给芯片IC3，电压感应电路由电阻R3、R4、电容C8组成，电阻R4和电容C8并联后连接于芯片IC3的16脚，且电阻R4和电容C8并联后通过电阻R3连接于电池组的一端。

电池组BT的负极与电流感应器连接，该电流感应器由电阻R2组成，阻值是0.047Ω，用于感应电池的充电电流和放电电流。电流感应器与放大电路连接，该放大电路将电流感应器感应到的电流信息进行放大后送入智能控制芯片进行模数转换。所述放大电路包括运算放大器IC2A、IC2B、电阻R5-R12、电容C6、C7、C9-C11，运算放大器IC2A的反向输入端通过电阻R5与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2A的同向输入端通过电阻R6与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2A的电源脚与省电控制电路连接，运算放大器IC2A的输出端通过电阻R11与电容C6一端及智能控制芯片F9222的18脚连接；运算放大器IC2B的反向输入端通过电阻R7与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2B的同向输入端通过电阻R8与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R12与电容C7一端及智能控制芯片F9222的17脚连接；电阻R9、电容C9并联于运算放大器IC2A的输出端与反向输入端之间，电阻R10、电容C10并联于运算放大器IC2B的输出端与反向输入端之间。

省电控制电路由场效应管Q1、电阻R15、R16、电容C4、C12组成，场效应管Q1的漏极与稳压电路的输出端连接，场效应管Q1的栅极通过电阻R16与智能控制芯片连接，场效应管Q1的源极与温度感应电路、运算放大器IC2A的电源脚均连接，为运算放大器供电，场效应管Q1的源极同时通过并联的电容C4、C12连接到地。当芯片F9222睡眠时，其中睡眠时时间为1000毫秒(ms)，14脚置高电平，Q1关闭切断供电以节省电能；当芯片IC3睡眠唤醒到检测工作时14脚置低电平，Q1打开，恢复供电，IC2A和IC2B电流感应回路工作，芯片IC3开始检测电流电压温度等参数；检测完毕后14脚置高电平，Q1关闭，切断供电以节省电能，工作时间＜50毫秒(ms)，随后芯片IC3进入睡眠，如此反复；Q1打开供电仅占50毫秒(ms)/1000毫秒(ms)，大大节省电能。

温度感应电路由电阻R13、R14、热敏电阻RT和电容C5组成，热敏电阻RT和电阻R14串接后与智能控制芯片连接，电容C5并联于热敏电阻RT和电阻R14组成的串联电路两端，电阻R13的一端与省电控制电路连接、另一端与电阻R14和电容C5的连接点连接。

芯片F9222的12、13脚与数据收发电路连接，14脚与省电控制电路连接，F9222的16脚与电压感应电路连接，17、18脚与放大电路连接，19脚与温度感应电路连接。工作于间隙工作方式，以节省电能，其方式是：睡眠唤醒到检测工作再到睡眠的循环，其中睡眠时时间为1000毫秒(ms)，工作时间＜50毫秒(ms)，工作时同时打开省电控制电路进行供电，因此极为省电，平均静态电流小于0.2毫安(mA)。

数据收发电路包括电阻R18-R22、三极管Q2、二极管D1、D2，三极管Q2的基极通过电阻R18与芯片F9222的12脚连接，电阻R20连接于芯片F9222的13脚与三极管Q2的集电极之间，电阻R21连接于三极管Q2的集电极与发射极之间，三极管Q2的集电极通过端口DATA与外部设备连接，其中电阻R22、二极管D1、D2提供端口保护。

如图3所示，本发明的工作原理是：按下开关，电池向用电设备供电，此时，智能控制芯片IC3唤醒开始工作，首先检测电池电压是否足够，电压小于5V则不工作，转入睡眠1秒；电压足够则开启省电控制电路，顺序检测电压、充电电流、放电电流、温度等数据并记录存储，此时若有充电电流则表明电池充电，记录充电数据，累加充电充入电量，数据包括充电电流、时间、充电工作次数，每次完整充电过程充电时间大于15分钟则整个过程为一次工作循环，工作次数加1，同时记录充电的电压、温度、容量曲线，并根据充电电流及时间计算充电充入的电量对电池电量进行累加；如果无充电电流而检测到有放电电流则表明电池放电，对电池电量进行累减，根据放电电流的大小，放电的时间计算放电消耗的电量，对电池电量进行累减；接下来监测数据收发端信号，根据接口命令要求收发相关数据及信息，然后IC3进入低功耗睡眠方式，进行省电，睡眠1秒后IC3再次唤醒。此外在睡眠方式中，一有外界数读取信号，IC3会立即退出睡眠，转入工作。

芯片IC3对电池的充电、放电进行动态检测，并对电池充入的电量或放走的电量进行电量的加减计算，而得出电池的实时电量(容量值)，而IC3对该容量值进行自动修正，即当电池彻底放完电时容量自动清0，即当对电池进行过量充电时，IC3根据电池的额定容量数据，限制容量值的累加，即满电量时的校正。

芯片IC4可以存储电池的相关信息，并可与芯片IC3或设备进行数据通信，该芯片IC4存储以下信息：

1)电池编号、生产年月；

2)电池工作次数；

3)额定电压、额定容量；

4)电池的充电转换成电量储存的效率；

5)电池的化学成份；

6)电池被充电的1000次历史数据记录；

7)电池被充电的最近的64次的充电曲线，曲线的解释是每次充电的电压、温度、电量对时间的曲线，共三条。

本电池的优点是使用该电池的设备可以随时读取电池的各种参数和数据，关健是当前电量(容量值)，这样设备可以计算电池还可以坚持多长时间，是否需更换或充电以保证设备不间断工作，而列尾设备不间断工作才能为安全行车提供保障。

本发明在列尾电池中的应用仅仅是一种应用，其发明的意义、经济效益、社会效益远大于此。本发明还可以应用到多种场合，甚至应用到所有使用电池的场合。例如各种通讯设备上的应用，包括对讲机、手机、军用电台、民用电台等，各种汽车电池、船用电池、航天飞行器电池等。

根据本发明智能数字电池的工作原理，得出一种智能数字电池的电池容量显示方法，该方法的执行步骤是：

首先，检测电池电压是否足够，电压小于设定值则不工作；电压足够则顺序检测电池电压、充电电流、放电电流、温度等数据并记录存储；

其次，若检测到有充电电流则表明电池正在充电，记录充电数据，累加充电充入电量，并根据充电电流及时间计算充电充入的电量对电池电量进行累加，得到电池的实际电量；

第三，若没有检测到充电电流，而检测到有放电电流则表明电池正在放电，对电池电量进行累减，根据放电电流的大小和放电的时间计算放电消耗的电量，对电池电量进行累减，得到电池的实际电量。

当电池被过量充电时，根据电池的额定容量数据，限制容量值的累加，即满电量时的校正；当检测到电池彻底放完电时，自动对电池容量自动清0。

电池充电时得到的电池实际电量和电池放电时得到的实际电量的数据，通过数据收发端，传送到相关设备进行转换和显示，所述的数据包括充电电流、充电时间、充电工作次数、放电电流、放电时间、电压、温度、容量曲线。

Claims (9)

1、一种智能数字电池，包括电池组以及与电池组连接的电流感应器、电压感应电路、温度感应电路和稳压电路，和与上述三个电路连接的智能控制芯片，所述智能控制芯片由芯片IC3组成，型号为F9222，所述的智能控制芯片与存储器连接，其特征在于：在电流感应器与温度感应电路之间设置有放大电路和省电控制电路，所述的放大电路和省电控制电路与智能控制芯片连接，智能控制芯片还与数据收发电路连接；

所述数据收发电路由电阻R18-R22、三极管Q2、二极管D1、D2组成，三极管Q2的基极通过电阻R18与芯片IC3的12脚连接，电阻R20连接于芯片IC3的13脚与三极管Q2的集电极之间，电阻R21连接于三极管Q2的集电极与发射极之间，三极管Q2的集电极通过端口DATA与外部设备连接，其中电阻R22、二极管D1、D2提供端口保护。

2、根据权利要求1所述的智能数字电池，其特征在于：所述的放大电路与电流感应器的输出端连接，将电流感应器产生的电流信号进行放大后送入智能控制芯片进行模数转换，放大电路包括运算放大器IC2A、IC2B、电阻R5-R12、电容C6、C7、C9-C11，运算放大器IC2A的反向输入端通过电阻R5与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2A的同向输入端通过电阻R6与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2A的电源脚与省电控制电路连接，运算放大器IC2A的输出端通过电阻R11与电容C6一端及智能控制芯片连接；运算放大器IC2B的反向输入端通过电阳R7与电流感应器的输入端连接，运算放大器IC2B的同向输入端通过电阻R8与电流感应器的输出端连接，运算放大器IC2B的输出端通过电阻R12与电容C7一端及智能控制芯片连接。

3、根据权利要求2所述的智能数字电池，其特征在于：所述的省电控制电路为温度感应电路及放大电路提供省电控制的电源，省电控制电路由场效应管Q1、电阻R15、R16、电容C4、C12组成，场效应管Q1的漏极与稳压电路的输出端连接，场效应管Q1的栅极通过电阻R16与智能控制芯片连接，场效应管Q1的源极与温度感应电路、运算放大器IC2A的电源脚均连接，并同时通过并联的电容C4、C12连接到地。

4、根据权利要求3所述的智能数字电池，其特征在于：所述的温度感应电路由电阻R13、R14、热敏电阻RT和电容C5组成，热敏电阻RT和电阻R14串接后与智能控制芯片连接，电容C5并联于热敏电阻RT和电阻R14组成的串联电路两端，电阻R13的一端与省电控制电路连接、另一端与电阻R14和电容C5的连接点连接。

5、根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的智能数字电池，其特征在于：芯片IC3的12脚和13脚与数据收发电路连接，芯片IC3的14脚与省电控制电路连接，芯片IC3的16脚与电压感应电路连接，芯片IC3的17脚和18脚与放大电路连接，芯片IC3的19脚与温度感应电路连接。

6、根据权利要求5所述的智能数字电池，其特征在于：所述的电压感应电路将电池组的电压信号提供给芯片IC3，电压感应电路由电阻R3、R4、电容C8组成，电阻R4和电容C8并联后连接于芯片IC3的16脚，且电阻R4和电容C8并联后通过电阻R3连接于电池组的一端。

7、一种应用于权利要求1或6所述的智能数字电池的电池容量显示方法，该方法的执行步骤是：

首先，检测电池电压是否足够，电压小于设定值则不工作；电压足够则顺序检测电池电压、充电电流、放电电流、温度并记录存储；

其次，若检测到有充电电流则表明电池正在充电，记录充电数据，累加充电充入电量，并根据充电电流及时间计算充电充入的电量对电池电量进行累加，得到电池的实际容量；

第三，若没有检测到充电电流，而检测到有放电电流则表明电池正在放电，对电池电量进行累减，根据放电电流的大小和放电的时间计算放电消耗的电量，对电池电量进行累减，得到电池的实际容量。

8、根据权利要求7所述的电池容量显示方法，其特征是：当电池被过量充电时，根据电池的额定容量数据，限制电池电量的累加，满电量时进行校正，停止充电；当检测到电池彻底放完电时，对电池电量自动清零。

9、根据权利要求7所述的电池容量显示方法，其特征是：电池充电时得到的电池实际容量的数据和电池放电时得到的电池实际容量的数据包括充电电流、充电时间、充电工作次数、放电电流、放电时间、电压、温度和容量曲线，通过数据收发端，传送到相关设备进行转换或显示。

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