CN100585423C

CN100585423C - 电池电量计量电路

Info

Publication number: CN100585423C
Application number: CN200610150400A
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·美瑞努
Original assignee: O2Micro Inc
Current assignee: O2 Tech. International Ltd.
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2006-11-01
Publication date: 2010-01-27
Anticipated expiration: 2026-11-01
Also published as: US7531989B2; US20070096697A1; TWI319651B; CN1979207A; TW200804848A

Abstract

本发明为一种用于测量电池组电量的电池电量计量电路。该电池电量计量电路包括一个放大器电路、一个校正电路、多个比较器和一个多路器。放大器电路可检测到流经检测电阻的放电电流和电池组的温度变化并生成第一和第二电压信号，校正电路对这两个电压信号进行校正并由比较器将校正后的电压与参考电压比较。经过校正和比较后，多路器可将比较得来的信号传输给外部显示电路并控制其显示电池组电量。

Description

电池电量计量电路

技术领域

本发明系关于可充电电池，具体为用于检测电池剩余电量的电池电量计量电路。

背景技术

当前，便携式电子设备由于其功能的增强和应用的扩展在社会上使用越来越广泛，例如笔记本电脑、移动电话、个人数据助理(PDA)、寻呼机、便携式摄像机和数码相机等等。许多便携式电子设备使用可充电电池供电，由可充电的电池组作为备用电源。所使用的电池包括碱性电池，如大家熟知的镍镉电池和镍氢电池。近来，锂离子电池由于表现出高能量密度、低温度特征和稳定的存储能力而在高端的便携式电子设备中广为使用。

可充电电池组通常包括电路板、电路、机械部件和电机保护元件。通常可充电电池组需要使用一个充电器来对耗尽的电池进行充电。该充电器的功能包括开启、提高、降低或停止可充电电池组的充电电流，测量电池组温度等等。简单来说，电池组是一个复杂系统，其内部元件协调工作，以将电能安全提供给上面提到的便携式电子设备。

在使用中，可充电电池组的一个最受关注的问题就是如何得知电池组内的剩余电量。为测量剩余电量，当前技术的一些解决方案使用多种元件和不同的算法，虽然电量测量的精度提高了，生产成本也随之增加。此类解决方案通常依靠软件和模数转换器(ADC)，增大了便携式电子设备的制造成本和复杂程度。因此，在一些小型和低成本的应用中，此类解决方案不宜使用。

另有一些较为经济的解决方案，使用的元件也较少，也可用于测量可充电电池组的剩余电量。但是此类解决方案通常不够精确，效率较低，性能也不尽人意。使用此类解决方案难以准确预测可充电电池的剩余电量。

因此，需要有一种设备能够准确预测可充电电池组的剩余电量而不增加设备的复杂度和造价，本发明之主旨即为提供这种设备。

发明内容

本发明的一个实施例为用于测量可充电电池组剩余电量的一种电池电量计量电路。电池组可以生成电池电压和放电电流，其本身有一定的温度。该电池电量计量电路包括一个放大器电路、一个校正电路、多个比较器和一个多路器。放大器电路可以检测到电池组的放电电流和温度并根据放电电流和温度生成第一电压信号和第二电压信号。校正电路能够校正第一电压信号和第二电压信号并生成多个电压。多个比较器可接收一个根据电池电压得来的第一参考电压。多个比较器将第一参考电压和来自校正电路的多个电压相比并生成多个数字信号。多路器可接收这些数字信号并根据这些数字信号来控制外部显示电路显示出电池组的剩余电量。

本发明的另一实施例为一种用于测量电池电量的集成电路。该集成电路包括一个电池组、一个电阻、一个充电器、一个放大器电路、一个校正电路、多个比较器以及一个多路器。电池组可生成放电电流和电池电压，其本身有一定的温度。放电电流流经电阻。放大器电路可检测到放电电流和电池组的温度并根据放电电流和电池组温度生成第一电压信号和第二电压信号。校正电路可校正来自放大器电路的第一电压信号和第二电压信号并生成多个电压。多个比较器可接收一个根据电池电压得来的第一参考电压，将第一参考电压与来自校正电路的多个电压相比较并生成多个数字信号。多路器接收这些数字信号并根据这些数字信号控制外部显示电路显示电池组的剩余电量。

本发明的另一实施例为一种便携式计算机。该便携式计算机包括一个输入设备供用户输入使用，包括一个微控制器来根据用户的输入执行操作，还包括一个电池电量计量电路用于测量一个用于给便携式计算机供电的电池组的剩余电量。该电池电量计量电路包括上述用于给便携式计算机供电的电池组、一个电阻、一个充电器、一个放大器电路、一个校正电路、多个比较器以及一个多路器。电池组可生成放电电流和电池电压，其本身有一定的温度。放电电流流经电阻。放大器电路可检测到放电电流和电池组的温度并根据放电电流和电池组温度生成第一电压信号和第二电压信号。校正电路可校正来自放大器电路的第一电压信号和第二电压信号并生成多个电压。多个比较器可接收一个根据电池电压得来的第一参考电压，将第一参考电压与来自校正电路的多个电压相比较并生成多个数字信号。多路器接收这些数字信号并根据这些数字信号控制外部显示电路显示电池组的剩余电量。

本发明的另一实施例为一种检测电池组电量的方法。该方法包括以下步骤：从电池组接收电池电压，根据电池电压生成一个检测电压，生成一个反映电池组温度的电压，校正检测电压和反映电池组温度的电压，根据校正后的结果生成多个阈值电压，将这多个阈值电压和第一参考电压比较，根据比较生成多个控制信号，根据所述多个控制信号控制外部显示电路来显示电池组电量。第一参考电压决定于电池电压。

附图说明

参照各个相应的附图，以下对典型实施例的详细描述使得本发明之优点显而易见。

图1为使用本发明实施例的一种典型电池电量计量设备的简化块图；

图2为图1中使用本发明实施例的电池电量计量设备其电池电量和电池电压的典型关系示意图；

图3为图1中使用本发明实施例的电池电量计量设备其阈值电压和放电电流的典型关系示意图；

图4为图1中使用本发明实施例的电池电量计量设备其电池电压和电池温度的典型关系示意图。

具体实施方式

简单来说，本发明为电池电量计量电路提供了一个校正电路，使得电池电量计量电路可以在不增加复杂性或降低精确度的前提下检测到可充电电池单元或电池组中的剩余电量。图1为一种典型电池电量计量电路100的简化块图。该电池电量计量设备包括充电器110，可充电电池组120和电池电量计量电路130。电池电量计量设备100可以根据可充电电池组120所剩余的电量在节点102生成一个合适的工作电压以给外部应用系统供电。在此实施例中，使用电池电量计量电路130来检测电池组120中的剩余电量。同时，电池电量计量电路130还可对来自电池组120的信号进行放电电流校正和电池温度校正，以准确预测电池组120的剩余电量。

充电器110可以对电池组120进行充电，使得电池组120有充足的电能来供给外部应用系统。检测电阻120可测量充电电流。图1中充电器110是电池组120外接，但也可并入电池组120内部。

可充电电池组120由多个可充电电池单元串联或并联组成。电池组120有101、103和105三个引脚。引脚101连接至检测电阻111，可根据电池组120的电池电压输出一个流经检测电阻111的放电电流。电池组120经过充电后在放电模式工作，引脚101上的电池电压会持续减小。引脚103接地。由于电池组120的温度在充电或放电时可能变化，电池组内部包含了一个电热计以测量各个电池单元的温度变化。电池组120可根据自身温度生成一个电压信号。引脚105负责输出这个反映各个电池单元温度的电压信号。

电池电量计量电路130有201、203和205三个输入引脚，以及202、204和206三个输出引脚。引脚201和203分别连接到电阻111的两端。电池电量计量电路130可以在引脚201和203之间接收到一个电压差，该电压差大小等于放电电流乘以电阻111的阻值。引脚205直接连接至电池组120的105引脚，故可以接收到一个电压信号，该电压信号反映了由内部电热计测量得来的电池组120的温度。

电池电量计量电路130包括一个电流检测放大器(CSA)132，一个温度放大器(TA)134，一个校正单元，比较器162、164和166，以及多路器170。CSA 132可以监测电阻111两端的电压并输出一个放大的电压。换言之，CSA 132可以检测到流经电阻111的放电电流，因为放电电流是电阻111两端电压的决定因素之一。TA 134可监测来自引脚105的电压信号并根据电池组120的温度生成一个放大的电压。因此，CSA 132和TA 134作为放大电路工作，放大电阻111两端的电压和来自引脚105的电压信号。

校正电路由三组系数生成器组成，比如第一组系数生成器包括141、142和143，第二组包括144、145和146，第三组包括147、148和149。校正电路还包括多个加法器，即152、154和156。实际工作中，系数生成器可提供各种系数，以满足不同用户的需求。这些系数用于校正来自电池组120的信号的误差或变化。图1中的系数生成器仅为说明用，其数目可根据相应应用的不同要求而变化。

第一组系数生成器从CSA 132接收到放大的电压后，将之与第一组系数相乘，并将校正后的电压分别传输给加法器152、154和156作为它们的第一输入信号。第二组系数生成器从TA 134接收到放大的电压后将之与第二组系数相乘，并将校正后的电压传输给加法器152、154和156作为第二输入信号。第三组系数生成器可接收一个由电池电量计量电路130内部生成的参考电压，并将参考电压与第三组系数相乘，将校正后的参考电压输出给加法器152、154和156作为第三输入信号。

加法器152从系数生成器141接收到校正后的电压，从系数生成器144接收到校正后的电压，并从系数生成器147接收到校正后的参考电压。加法器152将以上三个电压相加，将和输出给比较器162的非反相输入端。这个和即为比较器162的一个阈值。其余加法器如154和156的功能与此类同，故不再赘述。加法器154生成的和传输给比较器164，加法器156生成的和传输给比较器166。

校正单元还可包括一个系数生成器151。系数生成器151可提供一个系数，其大小为1除以电池组120中电池单元的个数。将此系数乘以电池组120的电池电压，以此来校正电池电压。经校正的电池电压传输给比较器162、164和166的反相输入端。比较器162、164和166分别将来自系数生成器151的数值与来自加法器152、154和156的阈值相比较，并各自输出一个数字信号给多路器170。对于比较器162来说，当其非反相输入端接收到的阈值小于反相输入端接收到的值时，其输出为0。如果上述阈值大于反相输入端接收到的值，则输出为1。本领域技术人员将理解，其它比较器也有与比较器162类似的功能和性能，因此在此不再赘述其它比较器。

多路器170可通过输出引脚202、204和206将多个数字信号传输给外部显示电路以显示电池组120的剩余电量。本领域技术人员将理解，显示电路可以为任何可能的硬件、软件或软硬件结合。例如，显示电路可以使用LED或者总线系统的微控制器来实现。

在此电池电量计量电路130为电池组120外接，本领域技术人员显然理解该电池电量计量电路130也可集成在电池组120中。换言之，电池电量计量电路130和电池组120可以集成在一个专用的集成电路(IC)中。本领域技术人员还将理解，电池电量计量电路130还可与充电器110和电池组120一起组装和/或集成在一个专用的IC中。而且，电池电量计量电路130的引脚数也非固定，而是可以根据阈值电压的个数而变化。

图2为图1中电池电量计量设备100中电池电量与电池电压典型关系的示意图。为说明例证，图2中给出了一个电池放电循环。当电池组120以不同的功率在放电模式工作时，引脚101上的电池电压都将减小，比如从4伏降低到3伏。曲线202、204和206分别为电池组120的输出功率为12.5瓦、10瓦和7.5瓦时电池电量与电池电压的关系。

当电池组120的输出功率恒定(比如12瓦)时，在不同的放电电流大小时，随着电池电量的减少，电池电压都会降低。如果电池组120有着固定的电池电量而放电电流不同，就会产生不同的电池电压，其大小由电池电量、放电电流和电池组120内部的串联电阻阻值决定。

如上已述，电池电压由系数生成器151转换为一个参考电压，也就是一个校正后的电压，并提供给比较器162、164和166。当放电电流大小固定时，放大器132可以检测到流经电阻111的放电电流大小。因此，放电电流由放大器132检测到并由校正电路校正后可以转换为多个阈值电压。这些阈值电压与来自系数生成器151的参考电压相比较，外部显示电路根据比较结果来预测电池组120的剩余电量。因此，对于某个特定大小的放电电流来说，电池电量对应多个电压阈值，可以由放电电流来调整电压阈值。

图3为图1中电池电量计量设备100中阈值电压与放电电流典型关系的示意图。曲线302、304和306分别为电池电量保持为75％、50％和25％时阈值电压与放电电流之间的关系。在此实施例中，假定电池组120为4000mA/h的锂离子电池，室温为25摄氏度。曲线302、304和306分别为电池输出功率为12.5瓦、10瓦和7.5瓦时阈值电压与电流的关系。如以下等式(1)、(2)和(3)所示，阈值电压由不同的放电电流决定。图3中，当锂离子电池在放电模式工作时，当放电电流减小，阈值电压随之增大。

V_th_75％＝3.8636-0.1138＊Iout[V](1)

V_th_50％＝3.7190-0.0902＊Iout[V](2)

V_th_25％＝3.8636-0.0876＊Iout[V](3)

以上等式中，Iout为锂离子电池的放电电流。以上等式给出了当室温为25摄氏度、电池电量分别为75％、50％和25％时如何计算阈值电压的大小。

本领域技术人员将理解，在此论述锂离子电池的阈值电压和放电电流关系仅为说明例证。本领域技术人员还将理解，上述原则对于其它类型的电池同样适用。因此，对于其它类型的电池不再赘述。

图4为图1中电池电量计量设备100中电池电压与温度的典型关系示意图。曲线402、404和406分别为电池电量为75％、50％和25％时电池电压与温度的关系。当电池电量分别为75％、50％和25％时，电池电压取决于不同的温度，以下等式(4)、(5)和(6)中电池电量计量电路130有着不同的固定阈值电压。

Vbatt_m(75％)＝0.0017＊T+3.6850[V](4)

Vbatt_m(50％)＝0.0037＊T+3.5117[V](5)

Vbatt_m(25％)＝0.0005＊T+3.4133[V](6)

以上等式中T为电池温度，单位为摄氏度，0.0017、0.0037和0.0005为电池电量分别为75％、50％和25％时的系数。3.6850、3.5117和3.4133分别为电池电量分别为75％、50％和25％时的阈值电压。

以下等式(7)为电池电压和温度的一般关系。

Vbatt_m＝1/Km＊T+V_th_m[V](7)

其中T为电池温度，单位为摄氏度，K为比率除数，m为比较器角标，Km为Ta 134的比率除数，V_th_m为电池温度校正之前的第m个比较器的阈值电压。

在电池电量计量设备100中，当参考电压用于放电电流校正和电池温度校正时，阈值电压满足以下一般等式(8)。

V_th_m＝Vref＊1/Bm-Io＊1/Am+1/Km＊T[V](8)

以上等式中Am、Bm和Km为系数生成器生成的用于执行放电电流校正和电池温度校正的系数。本领域技术人员将理解，系数Am、Bm和Km的大小可以因放电电流和电池温度的变化而改变，以便于准确预测电池组120的剩余电量。

图2中给出了电池电量和电池电压之间的关系，但本领域技术人员应理解，曲线202、204和206仅作说明例证用。本领域技术人员还将理解，电池电量和电池电压之间的关系可能因为电池电量计量设备100的相关属性变化而改变。与图2类似，图3和图4中的曲线在不背离本发明精神的前提下也可能变动。因此，不再对图3和图4作类似描述。

电池电量计量电路130可用于各种便携式设备，例如移动电话、笔记本电脑、数码相机和PDA。在这些便携式设备中，电池电量计量电路130可以测量电源(例如电池组120)的剩余电量。简便起见，以下只对笔记本电脑中的应用作简单描述。

笔记本电脑通常包括一个微控制器、一个输入设备(比如键盘)和可充电电池(即电源)。当用户通过输入设备使用笔记本电脑，例如播放一个音频文件，可充电电池的电量就会下降。为使笔记本电脑的用户得知剩余电量，可以使用上述电池电量计量电路130。电池电量计量电路130可以嵌入可充电电池中，也可外接。在此不再重复其工作原理。

实际使用中，笔记本电脑可配备微控制器和/或相应的软件来显示可充电电池的剩余电量。同时，用户在测量剩余电量的同时还可以激活充电器110来给电池充电。

实际操作中，当电池组120工作在放电模式时，电池电量计量电路130可以执行放电电流校正和电池温度校正，以准确预测电池组120的剩余电量。许多关键因素诸如放电电流、电池温度、电池电压等都能影响对于电池组120剩余电量的预测。换言之，以上参数的变化都会影响剩余电量的预测。当电池组120的放电电流、电池温度或者电池电压变化的时候，就需要有一种补偿技术来保证预测的准确。

为使电量预测准确，由电池电量计量电路130来执行放电电流校正和温度校正。当放电电流变化的时候，电流检测放大器132可以检测到其变化的差值，并使用第一组系数进行校正，校正后的信号传输给各个加法器作为第一输入信号。与之类似，当电池120的环境温度变化时，温度放大器134可以检测到温度变化的差值，并使用第二组系数进行校正，校正后的信号分别传输给各个加法器作为第二输入信号。放电电流校正和温度校正还需要一个参考电压。参考电压使用第三组系数进行校正，并传输给各个加法器作为第三组输入信号。各个加法器将三个输入信号相加并生成不同的阈值电压。

来自第1个，第2个......直至第M个加法器(即加法器162、164......直至加法器166)的阈值电压分别传输给第1个、第2个......直至第M个比较器(即比较器162、164......直至比较器166)的非反相输入端。各组比较器分别将接收到的阈值电压与参考电压相比，该参考电压大小等于电池电压除以电池组120内电池单元的个数。比较后，各个比较器在输出端生成数字信号。多路器170接收到这些数字信号后传输给外部显示电路，由外部显示电路来显示电池组120的剩余电量。

在此描述之实施例仅为使用本发明的多个实施例之部分，用于说明例证而非限于此。在不背离后附权利要求书所界定的本发明之精神和发明范围的前提下，显然可以有众多其它实施例，其它实施例本领域技术人员也易于理解。另外，在此描述和要求的本发明之要素可能为单数，在不特别注明限于单数的情况下同样适用于复数。

Claims

1.一种用于测量可充电电池组剩余电量的电池电量计量电路，电池组可生成一个电池电压和放电电流，电池组本身有一定温度，该电池电量计量电路包括：

一个放大器电路，该放大器电路可检测到电池组的放电电流和温度并根据其放电电流和温度生成第一电压信号和第二电压信号；

一个校正电路，用于校正第一电压信号和第二电压信号并生成多个电压；

多个比较器，比较器接收到一个根据电池电压得来的第一参考电压，并将第一参考电压与来自校正电路的多个电压相比较以生成多个数字信号；及

一个多路器，该多路器可从比较器接收多个数字信号并根据此数字信号控制外部显示电路显示电池组的剩余电量。

2.如权利要求1所述之电池电量计量电路，其特征在于，还包括一个连接至电池组的检测电阻，该检测电阻具有一定的阻值，所述放电电流流经其中。

3.如权利要求2所述之电池电量计量电路，其特征在于，所述放大器电路还包括：

一个第一放大器，第一放大器可检测到检测电阻两端的电压，将此电压放大并生成所述第一电压信号，检测电阻两端的电压等于所述放电电流乘以该检测电阻的阻值；及

一个第二放大器，可接收到一个反映电池组温度的电压，将此电压放大并生成所述第二电压信号。

4.如权利要求1所述之电池电量计量电路，其特征在于，所述校正电路还包括：

第一组系数生成器，用于接收来自放大器电路的第一电压信号并将之与第一组系数相乘后得到第一组校正后的信号；

第二组系数生成器，用于接收来自放大器电路的第二电压信号并将之与第二组系数相乘后得到第二组校正后的信号；

第三组系数生成器，用于接收第二参考电压并将之与第三组系数相乘后得到第三组校正后的信号；及

多个加法器，各个加法器分别从第一组系数生成器接收到一个校正后的信号，从第二组系数生成器接收到一个校正后的信号，从第三组系数生成器接收到一个校正后的信号，并将三个校正后的信号相加生成所述多个电压中的一个电压。

5.一种用于测量电池电量的集成电路，其特征在于，包括：

一个电池组，可生成电池电压和放电电流，其本身有一定温度；

一个电阻，放电电流流经其中；

一个充电器，可通过所述电阻给电池组充电；

一个放大器电路，该放大器电路可检测到电池组的放电电流和温度并由此生成第一电压信号和第二电压信号；

一个校正电路，该校正电路可校正来自放大器电路的第一电压信号和第二电压信号并生成多个电压；

多个比较器，可接收一个根据电池电压得来的第一参考电压，并将第一参考电压与来自校正电路的多个电压相比较，生成多个数字信号；及

一个多路器，该多路器从比较器接收到多个数字信号并根据数字信号控制外部显示电路显示电池组的剩余电量。

6.如权利要求5所述之集成电路，其特征在于，所述电池组包括多个电池单元。

7.如权利要求5所述之集成电路，其特征在于，所述电阻为检测电阻。

8.如权利要求5所述之集成电路，其特征在于，所述放大器电路还包括：

一个第一放大器，可检测所述电阻两端的电压，将之放大并生成所述第一电压信号，电阻两端的电压大小等于放电电流乘以所述电阻的阻值；及

一个第二放大器，可接收一个根据电池组温度得来的电压，将之放大并生成所述第二电压信号。

9.如权利要求5所述之集成电路，其特征在于，所述校正电路还包括：

10.一种便携式计算机，其特征在于，包括：

一个输入设备供用户输入用；

一个微控制器，用于执行用户输入的操作；及

一个电池电量计量电路，该电池电量计量电路包括：

一个用于给便携式计算机供电的电池组，电池组可生成电池电压和放电电流，电池组本身有一定温度；

一个电阻，放电电流流经其中；

一个充电器，可通过所述电阻给电池组充电；

11.如权利要求10所述之便携式计算机，其特征在于，所述电池组包括多个电池单元。

12.如权利要求10所述之便携式计算机，其特征在于，所述电阻为检测电阻。

13.如权利要求10所述之便携式计算机，其特征在于，所述放大器电路还包括：

14.如权利要求10所述之便携式计算机，其特征在于，所述校正电路还包括：

15.一种用于检测电池组电量的方法，其特征在于，其步骤包括：

a)从电池组接收一个电池电压；

b)根据电池电压生成一个检测电压；

c)根据电池温度生成一个电压；

d)校正生成的检测电压和根据电池温度生成的电压；

e)根据校正后的结果生成多个阈值电压；

f)将多个阈值电压与第一参考电压比较，第一参考电压根据电池电压得来；

g)根据比较结果生成多个控制信号；及

h)根据所述多个控制信号，控制外部显示电路显示电池组电量。

16.如权利要求15所述之方法，其特征在于，所述步骤b)还包括：

根据电池电压生成一个放电电流；及

将放电电流转换为检测电压。

17.如权利要求15所述之方法，其特征在于，所述步骤d)还包括：

将检测电压乘以第一组系数，得到第一组校正后的电压；

将根据电池温度生成的电压乘以第二组系数，得到第二组校正后的电压；

将第二参考电压乘以第三组系数，得到第三组校正后的电压；及

将第一组校正后的电压、第二组校正后的电压和第三组校正后的电压分别累加。