CN101420036A - 一种电池供电管理装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池供电管理装置，适用于包括电池供电的设备，包括：数据获取模块，其包括第一数据获取单元，用于获取处于供电状态的电池的状态数据，所述电池为智能电池，所述状态数据至少包括剩余电量值；控制模块，用于将所述剩余电量值和该电池的切换阈值电量进行比较，在剩余电量值低于切换阈值电量时控制该电池结束供电。本发明同时还公开了一种电池供电管理方法，当处于供电状态的电池的剩余电量值低于切换阈值电量时结束该电池供电。本发明的电池供电管理装置及方法可保证设备运行过程中电池供电状态及时准确地转换。

Description

一种电池供电管理装置及方法

【技术领域】

本发明涉及电池供电管理领域，具体涉及一种电池供电管理装置及方法。

【背景技术】

电子设备的正常运作对于设备的供电管理往往具有较高的要求。在医疗电子设备领域，这种要求更加严格。例如，便携式除颤监护仪经常应用于院外实施急救，并且需要提供高能量的除颤电流和监护功能，因此除颤监护仪除了配备AC/DC适配器作为供电电源外，还配备有大容量的供电电池。并且在实施急救的过程中，除颤监护仪通常使用电池为主要供电电源。所以保证电池的正常使用尤其关键，特别是在电池容量不允许再使用时应该准确、及时地更换电池或关机。为了给除颤监护仪提供更多电量和更长的工作时间，同时防止一块电池故障导致无法进行救护，一般都需要使用两块电池进行供电，这时就会涉及电池之间的供电切换问题。因为除颤监护仪应用于紧急并且高风险的心脏除颤治疗场合，所以就要求在切换供电电池时，绝不能影响设备的正常工作，不能给设备带来额外的风险。目前关于两个电池之间切换供电的问题，已有的实现方案是通过检测当前供电电池的电压，当供电电池的电压低于某临界电压值时，自动切换到另一个电池供电。以Medtronic Physio-Control公司的除颤监护仪为例进行说明：机器开机时，电源选择电路选择一块电池进行供电，并由电池电压监控电路对供电电池的电压进行监控；当供电电池的电压低于一个临界电压值时(电池电量耗尽时)，由电源选择电路切换到另一个电池进行供电。通过电池电压来判断电池电量是基于电池电压与剩余电量之间存在某种已知关系，当电池无负载即处于松弛状态时，依据电池电压可估算出当前电池的电池充电状态参数(State Of Charge，简称SOC)，即电池的剩余电量。但是，以对电池电压的监控作为电池切换的依据存在着以下问题：

首先，电池内阻会引起压降，且电池内阻并不是一个定值，其阻抗大小与SOC、电池温度、电池使用年限等因素都有关，所以当电池带载时、环境温度改变时、电池使用了一定年限后，都必须对电池的SOC曲线进行修正，才可能通过电池电压在SOC曲线对应得到较为准确的电池剩余容量值。要实现对SOC曲线的校正就必须建立起一个庞大的数据表，工作量很大。

另外，电池还具有松弛特性，在电池停止供电或充电后其电压会长时间变化，且变化的时间和速率与充放电电流大小以及充放电时间有关。松弛特性使得依据电池电压对电池电量判断时会出现电量反弹现象。

在实际应用中，该方法还存在一个问题，由于在完整的电池放电过程中，电池电压的变化较小，下降较平缓，只有当电池电量快耗尽时，电池电压才会出现较大幅度的下降。因此大都是将电池切换阈值电压设定在电池电量即将耗尽时，而在电池电量基本耗尽时进行切换，对电池的损伤较大，会降低电池的使用寿命。

可以看到，电池电压受环境等因素影响较大，导致依据电池电压难以准确检测电池剩余电量，就可能出现在关断供电电池前，当前供电电池的剩余电量不足以支持一次较大能量的充放电，对设备的正常工作来说存在较大的风险，无法保证在电池的整个使用寿命内都实现准确的电池供电状态转换。

【发明内容】

本发明的所要解决的技术问题在于提供电池供电管理装置及方法，能够准确地依据电池的使用状态及时实现电池的供电状态转换。

本发明要解决的另一技术问题是提供一种用于多电池供电设备的智能电池切换装置及方法，将设备安全、及时地切换到其它电池供电，以保障设备的继续运行。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电池供电管理装置，适用于包括电池供电的设备，包括：

数据获取模块，包括第一数据获取单元，所述第一数据获取单元用于获取处于供电状态的电池的状态数据，所述电池为智能电池，所述状态数据至少包括剩余电量值；

控制模块，用于将所述剩余电量值和切换阈值电量进行比较，在所述剩余电量值低于切换阈值电量时控制该电池结束供电。

进一步地，还包括电源选择单元，所述数据获取模块还包括用于获取备用电池的电量值的第二数据获取单元，所述控制模块还用于将所述备用电池的电量值和切换阈值电量进行比较，在所述备用电池的电量值高于切换阈值电量时输出切换控制信号，所述电源选择单元响应所述切换控制信号选通所述备用电池，所述控制模块在所述备用电池的电量值等于或低于切换阈值电量时输出关机控制信号。

本发明还进一步包括用于对切换阈值电量进行修正后提供给所述控制模块的阈值修正模块。所述阈值修正模块包括用于从智能电池至少获取电池充放电循环次数的参数获取单元、修正系数计算单元和阈值计算单元，所述修正系数计算单元用于根据电池充放电循环次数计算修正系数，所述阈值计算单元将修正系数和切换阈值电量相乘，且将乘积作为修正后的切换阈值电量。

所述修正系数根据如下公式计算：

$k=1+k\′*\frac{\mathrm{Cycles}}{n}$

其中，k为修正系数，k′为电池完全退化时的修正系数，Cycles当前的电池循环次数，n为电池完全退化时的循环次数。

本发明同时提供了一种电池供电的管理方法，适用于包括电池供电的设备，当处于供电状态的电池的剩余电量值低于切换阈值电量时结束该电池供电，所述方法包括如下步骤：

A1、监测处于供电状态的电池的剩余电量值；

B1、判断该剩余电量值是否低于切换阈值电量；

C1、若低于切换阈值电量，则结束该电池供电。

在所述步骤C1中结束该电池供电后控制设备关机或切换到其它电池供电。

进一步地，还包括根据电池的自身状况修正切换阈值电量的步骤，所述修正切换阈值电量的步骤包括如下子步骤：

A2、至少获取各电池充放电循环次数信息；

B2、根据充放电循环次数计算阈值修正系数；

C2、将切换阈值电量与该阈值修正系数相乘得到修正后的切换阈值电量。

所述阈值修正系数通过充放电循环次数和阈值修正系数对照表求得或通过公式 $k=1+k\′*\frac{\mathrm{Cycles}}{n}$ 计算得到，其中，k为修正系数，k′为电池完全退化时的修正系数，Gycles当前的电池循环次数，n为电池完全退化时的循环次数

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明以直接检测到的电池剩余电量作为电池切换的依据，通过将智能电池的剩余电量值和该电池的切换阈值电量进行比较，当剩余电量值低于切换阈值电量时就控制该电池结束供电，从而能够准确地判断电池的使用状态及时实现电池的供电状态转换，避免造成设备供电不正常和对电池的损伤，在一定程度上延长了电池的使用寿命。

2、在将供电切换到备用电池之前获取备用电池的电量值，将备用电池的电量值和其切换阈值电量进行比较，在备用电池的电量值高于切换阈值电量时才进行切换；在备用电池的电量值等于或低于切换阈值电量时，控制设备关机。从而在设备需要进行电池切换时将设备安全、及时地切换到其它电池供电或者执行关机保护，以保障设备的良好工作。

3、本发明对采用的切换阈值电量进行实时修正，能够解决电池性能随电池使用时间下降所带来的问题，保证了切换阈值电量设置的准确性和灵活性。

【附图说明】

图1为本发明实施例一的电池供电管理装置结构框图；

图2为本发明实施例一的电池供电管理流程图；

图3为本发明实施例一采用双电池的供电状态切换管理流程图；

图4为本发明实施例二的电池供电管理装置结构框图；

图5为本发明实施例二的切换阈值电量修正流程图；

图6为本发明实施例二采用双电池的供电状态切换管理流程图。

【具体实施方式】

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

本发明适用于包括电池供电的设备，电池可以有一个或一个以上个，通常为两个。

实施例一：

如图1所示，电池供电管理装置包括数据获取模块1、控制模块2、电源选择单元3。电池电源的输出端通过电源选择单元3耦合到DC/DC变换器5，DC/DC变换器5的输出端耦合到系统负载7。本实施例所应用的设备采用智能电池供电，智能电池中具有一个电池管理单元BMU(BatteryManagement Unit)，它能获取电池剩余电量、充电循环次数等状态数据并保存于其存储器中。数据获取模块1通过SMBus(系统管理串行总线)与电池管理单元BMU连接，读取电池管理单元BMU中的电池剩余电量，并将其送至控制模块2，控制模块2根据电池剩余电量输出控制信号，电源选择单元3响应该控制信号，对智能电池进行供电状态的管理。作为对电池供电的一种补充，本实施例所应用的设备还可通过AC/DC适配器4引入外部交流电源，和智能电池一同供电源选择单元3选择，为后级DC/DC变换器5和系统负载7提供能量，电池供电管理装置同时对AC/DC适配器4的输出进行供电状态管理。

本实施例中，数据获取模块1包含第一数据获取单元11，第一数据获取单元11与处于供电状态的电池B1的电池管理单元BMU相连，读取电池B1剩余电量值信息，并将剩余电量值信息送至控制模块2。控制模块2将电池B1的剩余电量值和切换阈值电量进行比较，当判断其剩余电量值低于切换阈值电量时，控制设备关机或向电源选择单元3输出电池切换控制信号，使电源选择单元3切换到其它后备电池，从而停止电池B1的供电。其中，电池的切换阈值电量为设备进行规定次数的最大能量充放电操作所需的电量或者规定时间内设备正常运行所需的电量。这样不至于将电池的电量耗尽再进行切换，避免对电池产生损伤。针对于除颤监护仪，这样做符合除颤监护仪关机时电池还应保留至少能够进行一次除颤操作的电量的标准规定。

数据获取模块1还具有第二数据获取单元12，第二数据获取单元12与备用电池B2的电池管理单元BMU相连，读取备用电池B2电量值信息，并将其电量值信息送至控制模块2。当判断当前工作电池B1需结束供电时，控制模块2将备用电池B2的电量值与切换阈值电量进行比较，在备用电池B2的电量值高于切换阈值电量时输出切换控制信号，电源选择单元3响应该切换控制信号选通备用电池B2向系统负载供电；在备用电池B2的电量值等于或低于切换阈值电量时，控制模块2则输出关机控制信号，控制设备关机；当没有备用电池时，第二数据获取单元12无法获得电池的电量值，所以控制模块2也无法比较，此种情况下控制模块2输出关机控制信号，控制设备关机。

当判断当前工作电池B1需结束供电时，控制模块2还可以先判断是否有备用电池在位，当有备用电池在位时，再将备用电池B2的电量值与其切换阈值电量进行比较。如果没有备用电池在位，则直接输出关机控制信号，控制系统关机。

系统关机时，可由控制模块2直接控制关机，也可以通过上位机执行关机操作。如图1所示，上位处理模块6通过串行口与控制模块2进行通讯，实现与电池管理相关的数据交互和控制。当上位处理模块6接收到关机控制信号时，作出相应处理，具体可以是调用用户交互程序，或者通过显示终端发出提示关机信息后直接关机。

在多个电池型号不同的情况下，当电池接入时，控制模块2与电池进行通讯，得到电池的型号信息，然后选择与该型号电池对应的切换阈值电量进行判断。

以下结合图2和图3说明本实施例的电池供电切换管理流程：

在步骤S0中，数据获取模块1中的第一数据获取单元11实时监测当前供电电池B1的剩余电量值，控制模块2将剩余电量值与电池B1的切换阈值电量B1_SOC进行比较，当剩余电量值低于切换阈值电量时，接下来进入判断是否执行电池切换的步骤。

在步骤S1中，控制模块2通过电池在位信号判断是否有其它电池在位，如果判断备用电池B2不处于在位状态，则执行步骤S2；如果判断备用电池B2处于在位状态，则执行步骤S3；

在步骤S2中，控制模块2通知上位处理模块6，上位处理模块6向用户发送提示信息并执行关机命令；

在步骤S3中，控制模块2进一步根据第二数据获取单元12获取的备用电池B2的电量值，将其与电池B2的切换阈值电量B2_SOC进行比较，判断其电量值是否低于切换阈值电量，如果低于切换阈值电量，转步骤S2；否则执行步骤S4中。

在步骤S4中，控制模块2发送切换控制信号，电源选择单元3响应切换控制信号，将供电通路由电池B1切换到电池B2，由备用电池B2继续向负载供电。

尽管本实施例是对智能电池为两块的情形进行说明，但本发明的电池供电管理装置显然还可用于对两块以上的电池进行供电状态的切换管理。此时，控制模块2可以通过预制的选择程序在符合条件的备用电池中择一选通，从而使设备的供电更加方便、可靠。可制订一个优先选择的机制，对于n块电池，切换优先级可由高到低依次排列为电池1到电池n，电池1电量低时检测电池2电量，电池2符合要求则切换至电池2，不符合要求则继续检测电池3，电池3符合要求则切换至电池3……以此类推直至电池n。另外，本发明可以不设置备用电池，当控制模块2判断供电电池电量不足时，直接调用关机保护程序，仍然能够达到防止设备供电不良和保护电池的效果。

作为优选的实施方式，本实施例对备用电池均采取实时电量检测的方式进行管理。然而，在事先保证所有备用电池的电量值高于其切换电量阈值的情形下，也可以只设置采集处于工作态电池电量的第一数据获取单元11，而省去采集备用电池电量的第二数据获取单元12。此种情形可以采用例如将备用电池排队依次选通使用等方法来实现，当所有电池用完一轮之后更换即可。

在处理资源充裕的情况下，可以将控制模块2与上位处理模块6统一结合构成的上位控制单元，各数据采集控制程序、切换控制程序以及系统关机保护和用户交互等管理程序均由该上位控制单元的直接指令统一运行。

本实施例中，切换阈值电量可由用户从外部输入，也可以由控制模块2对来自电池管理单元BMU的数据信息进行分析处理，自动地或者在其基础上结合用户提供的信息运算生成。如上文所述，电池切换阈值电量设定的依据可以是具体设备进行规定次数的最大能量充放电操作所需的电量或者规定时间内设备正常运行所需的电量。针对医疗电子设备，例如由电池供电的除颤监护仪，根据ANSI/AAMI DF80：2003标准的要求，对在执行切换电池时，该电池应至少还可提供3次最大能量除颤充放电操作。所以，本发明能很方便地满足这一要求。

此外，电池与控制模块2之间除了使用SMBus总线通信，还可以使用例如HDQ等其它串行总线传输电池数据。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一相比，不同之处在于增加阈值修正模块8，阈值修正模块8对切换阈值电量进行修正后提供给控制模块2。阈值修正模块8又包括参数获取单元、修正系数计算单元和阈值计算单元。其中，参数获取单元至少从智能电池的电池管理单元BMU获取电池充放电循环次数，修正系数计算单元根据电池充放电循环次数计算修正系数，阈值计算单元将修正系数和切换阈值电量相乘，将乘积作为修正后的切换阈值电量。上述修正系数根据如下公式计算：

$k=1+k\′*\frac{\mathrm{Cycles}}{n}$

式中，k为修正系数，k′为电池完全退化时的修正系数，Cycles当前的电池循环次数，n为电池完全退化时的循环次数。对切换阈值电量进行修正，可以避免电池性能随电池使用年限下降后所带来的问题，进一步保证所取的切换阈值电量的合理性。

本实施例对电池的切换阈值电量进行修正的过程如图5所示。

在步骤SA中，参数获取单元获取电池充放电循环次数信息；

在步骤SB中，修正系数计算单元根据充放电循环次数计算出电池当前的修正系数k；

在步骤SC中，阈值计算单元将切换阈值电量与该阈值修正系数K相乘得到修正后的切换阈值电量SOC’，即SOC’＝k*SOC。

除了根据电池充放电循环次数计算修正系数k，还可以通过参数获取单元获取电池最大剩余容量和/或电池温度等数据，对电池切换阈值电量进行修正。修正系数k还可以通过查表获得，例如通过事先存储的电池充放电循环次数和修正系数对照表获得。

请参见图6，本实施例的电池切换管理流程与实施例一相比有如下区别：

在步骤S0’之前，还包括对各电池的切换阈值电量进行修正的步骤，分别得到电池B1和电池B2的修正切换阈值电量B1_SOC’和B2_SOC’；

在步骤S0’中，控制模块2将第一数据获取单元11获取的电池B1的剩余电量值与修正后的切换阈值电量B1_SOC’进行比较，根据比较结果执行相应的操作；

在步骤S3’中，控制模块2将第二数据获取单元12获取的备用电池B2的电量值与与修正后的切换阈值电量B2_SOC’进行比较，根据比较结果输出相应的控制信号；

本发明尤其适用于符合智能电池规范SBS(Smart BatterySpecification)的带有双智能电池供电的除颤监护仪类产品，还可以进一步推广用于双智能电池供电的便携设备，例如便携式超声诊断仪、麻醉机等双电池供电的医疗设备中。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种电池供电管理装置，适用于包括电池供电的设备，其特征在于包括：

数据获取模块，包括第一数据获取单元，所述第一数据获取单元用于获取处于供电状态的电池的状态数据，所述电池为智能电池，所述状态数据至少包括剩余电量值；

控制模块，用于将所述剩余电量值和切换阈值电量进行比较，在所述剩余电量值低于切换阈值电量时控制该电池结束供电。

2.如权利要求1所述的电池供电管理装置，其特征在于：还包括电源选择单元，所述数据获取模块还包括用于获取备用电池的电量值的第二数据获取单元，所述控制模块还用于将所述备用电池的电量值和切换阈值电量进行比较，在所述备用电池的电量值高于切换阈值电量时输出切换控制信号，所述电源选择单元响应所述切换控制信号选通所述备用电池，所述控制模块在所述备用电池的电量值等于或低于切换阈值电量时输出关机控制信号。

3.如权利要求1或2所述的电池供电管理装置，其特征在于：还包括用于对切换阈值电量进行修正后提供给所述控制模块的阈值修正模块。

4.如权利要求3所述的电池供电管理装置，其特征在于，所述阈值修正模块包括用于从智能电池至少获取电池充放电循环次数的参数获取单元、修正系数计算单元和阈值计算单元，所述修正系数计算单元用于根据电池充放电循环次数计算修正系数，所述阈值计算单元将修正系数和切换阈值电量相乘，且将乘积作为修正后的切换阈值电量。

5.如权利要求4所述的电池供电管理装置，其特征在于，所述修正系数根据如下公式计算：

$k=1+k\′*\frac{\mathrm{Cycles}}{n}$

其中，k为修正系数，k′为电池完全退化时的修正系数，Cycles当前的电池循环次数，n为电池完全退化时的循环次数。

6.一种电池供电管理方法，适用于包括电池供电的设备，其特征在于：

所述方法包括如下步骤：Al、监测处于供电状态的电池的剩余电量值；

B1、判断该剩余电量值是否低于切换阈值电量；

C1、若低于切换阈值电量，则结束该电池供电。

7.如权利要求6所述的电池供电管理方法，其特征在于：在所述步骤C1中结束该电池供电后控制设备关机或切换到其它电池供电。

8.如权利要求7所述的电池供电管理方法，其特征在于：在切换到其它电池供电之前包括以下步骤：判断是否存在电量值高于切换阈值电量的备用电池，如果存在则切换到电量值高于切换阈值电量的备用电池供电，否则控制设备关机；或者

在切换到其它电池供电之前包括以下步骤：D1、判断是否有备用电池

在位，如果有则执行步骤E1；

E1、判断备用电池的电量值是否高于切换阈值电量，如果是，则切换到电量值高于切换阈值电量的备用电池供电，否则控制设备关机。

9.如权利要求6至8中任一项所述的电池供电管理方法，其特征在于：所述切换阈值电量为规定次数的最大能量充放电操作所需的电量或规定时间内维持正常工作所需的电量。

10.如权利要求6至8中任一项所述的电池供电管理方法，其特征在于：还包括修正切换阈值电量的步骤，所述修正切换阈值电量的步骤包括如下子步骤：

A2、至少获取各电池的充放电循环次数信息；

B2、根据充放电循环次数求得阈值修正系数；

C2、将切换阈值电量与该阈值修正系数相乘得到修正后的切换阈值电量。

11.如权利要求10所述的电池供电管理方法，其特征在于：所述阈值修正系数通过充放电循环次数和阈值修正系数对照表求得或通过公式 $k=1+k\′*\frac{\mathrm{Cycles}}{n}$ 计算得到，其中，k为修正系数，k′为电池完全退化时的修正系数，Cycles当前的电池循环次数，n为电池完全退化时的循环次数。

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