CN101620256A - 检测电能存储单元电量的电量检测器、系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种检测电能存储单元电量的电量检测器、系统及方法。电量检测器包括第一缓冲器、第二缓冲器和连接至第一缓冲器和第二缓冲器的分压器。第一缓冲器根据第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，该第一可调参考电压根据电能存储单元的化学材料预先设置。第二缓冲器根据第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，该第二可调参考电压根据电能存储单元的化学材料预先设置。分压器将第一阈值参考电压和第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据电能存储单元的电压电量比特性产生多个电量参考电压来指示电能存储单元的多个电量百分比。本发明不需要使用相对昂贵的微控制器或扩展电路，因而结构简单，设计及制造成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种检测器，尤其涉及一种检测电能存储单元电量的电量检测器及方法。
背景技术
电量检测器，例如电池电量计，可用来检测电能存储单元，比如锂离子电池的电量。锂离子电池根据其内部化学材料的不同分为许多种，例如：锂锰电池，锂钴电池，锂磷电池等。这些不同的化学材料可导致不同的电压和电流特性，例如不同的极限充电电压特性和不同的电压电量比特性。比如说，化学材料为锰的锂离子电池的极限充电电压可为4.2伏，化学材料为钴的锂离子电池极限充电电压可为4.2伏，化学材料为镍钴锰的锂离子电池的极限充电电压可为4.1伏，化学材料为磷的锂离子电池的极限充电电压可为3.6伏。
测量电池组电量的传统方法包括：库仑计数法和电池单元电压测量法。库仑计数法通过测量流过的电荷数来测量流出电池的净电流从而测量电池电量。然而，电压与频率的转换，高频情况以及温度变化的频率补偿需要予以考虑，这成为了该方法的缺点。
电池单元电压测量法将实际电池单元的电压与充电电池的绝对容量阈值相比较。为适应不同种类化学材料的电池，不同的容量阈值需要通过调节或是通过一个控制器的非易失性集成存储器来设定。以上这两种方法均需要一个相对昂贵的微控制器或扩展电路来使其适用于不同场合的不同化学材料的电池及其不同的电流范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种电量检测器及方法，可以检测不同种类的电能存储单元的电量，并且不需要使用相对昂贵的微控制器或扩展电路，使成本得到降低。
为解决上述技术问题，本发明提供一种检测电能存储单元电量的电量检测器，其包括：第一缓冲器，用来根据第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；第二缓冲器，用来根据第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；和分压器，其连接至所述第一缓冲器和第二缓冲器，用来将所述第一阈值参考电压和第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据所述电能存储单元的电压电量比特性产生一组电量参考电压来指示所述电能存储单元的一组电量百分比。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述分压器包括串联连接的多个电阻，用来提供所述多个电量参考电压。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述多个电量参考电压根据所述多个电阻的阻值的改变而改变。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述多个电阻中的至少一个电阻包括：串联连接的多个独立电阻；和多个开关，分别与所述多个独立电阻相并联。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述电能存储单元是一个电池。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述第一可调参考电压用作一个过压阈值来保护所述电能存储单元。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述第二可调参考电压用作一个欠压阈值来保护所述电能存储单元。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述第一缓冲器是一个电压跟随器。
本发明所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，所述第二缓冲器是一个电压跟随器。
本发明还提供一种检测电能存储单元电量的系统，其包括电量检测器和连接至电量检测器的多个比较器。电量检测器连接至所述电能存储单元，用来根据预先设置的第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，根据预先设置的第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，并将所述第一阈值参考电压与第二阈值参考电压之间的电压进行分压以根据所述电能存储单元的电压电量比特性提供多个电量参考电压。多个比较器用来将所述电能存储单元的检测电压与所述多个电量参考电压分别比较并生成多个电量指示信号来指示所述电能存储单元的电量。
本发明所述的检测电能存储单元电量的系统，所述电量检测器包括：第一缓冲器，用来根据所述第一可调参考电压生成所述第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；第二缓冲器，用来根据所述第二可调参考电压生成所述第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；和分压器，其连接至所述第一缓冲器和所述第二缓冲器，用来将所述第一阈值参考电压和所述第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据所述电能存储单元的电压电量比特性产生所述多个电量参考电压来指示所述电能存储单元的多个电量百分比。
本发明所述的检测电能存储单元电量的系统，所述分压器包括串联连接的多个电阻，用来提供所述多个电量参考电压。
本发明所述的检测电能存储单元电量的系统，所述多个电量参考电压根据所述多个电阻的阻值的改变而改变。
本发明所述的检测电能存储单元电量的系统，所述电能存储单元是一个电池。
本发明所述的检测电能存储单元电量的系统，所述多个电量指示信号根据所述检测电压和所述多个电量参考电压的一组比较结果指示所述电能存储单元的电量。
本发明还提供一种检测电能存储单元电量的方法，其包括：根据第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；根据第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；根据所述电能存储单元的电压电量比特性将所述第一阈值参考电压和第二阈值参考电压之间的电压分压；和根据所述分压生成多个电量参考电压。
本发明所述的检测电能存储单元电量的方法，所述方法进一步包括：通过分别比较所述电能存储单元的检测电压与所述多个电量参考电压，产生多个电量指示信号。
本发明所述的检测电能存储单元电量的方法，所述方法进一步包括：通过比较所述检测电压与所述第一阈值参考电压检测所述电能存储单元的过压情形。
本发明所述的检测电能存储单元电量的方法，所述方法进一步包括：通过比较所述检测电压与所述第二阈值参考电压检测所述电能存储单元的欠压情形。
本发明所述的检测电能存储单元电量的方法，所述电能存储单元是一个锂离子电池。
与现有技术相比，本发明的电量检测器将第一阈值参考电压和第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据电能存储单元的电压电量比特性产生多个电量参考电压来指示电能存储单元的多个电量百分比，并且电量检测器可通过调节第一可调参考电压和第二可调参考电压来分别调节第一阈值参考电压和第二阈值参考电压，以测量不同种类电能存储单元的电量。并且本发明的电量检测器不需要使用相对昂贵的微控制器或扩展电路，因而结构简单，设计及制造成本低廉。
附图说明
图1是根据本发明的一个实施例的电池电压电量比特性曲线图。
图2是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的电量检测器的结构示意图。
图3是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的电量检测器中一个电阻的结构示意图。
图4是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的系统的结构示意图。
图5是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的方法的流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的具体实施方式进行阐述。本发明将结合一些具体实施例进行阐述，但本发明不限制于这些具体实施例。对本发明进行的修改或者等同替换，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明的一个实施例提供了一个检测电能存储单元电量的电量检测器。在一个实施例中，该电量检测器可根据电能存储单元的电压电量比特性来提供电量参数。另外，该电量检测器可适用于不同的场合。在本文中，本发明的实施例均结合电池(例如锂离子电池)进行说明。但是，本发明并非局限于此。一般来讲，本发明亦适用于其它类别的电能存储器。
图1是根据本发明的一个实施例的电池电压电量比特性曲线图100的示意图。该曲线图100的X轴(横轴)代表电池电量百分比，Y轴(纵轴)代表电池电压，单位是毫伏(mV)。两条曲线130和132代表两种化学材料不同的锂离子电池的电压电量比特性曲线。
例如，曲线130代表一种化学材料的电池(下文称电池A1)的电压电量比特性曲线。如曲线130所示，点102，104，106和108分别代表A1电池在电压为a1，a2，a3及a4mV的时候，电量百分比分别为25％，50％，75％及100％。
曲线132代表另一种化学材料的电池(下文称电池B1)的电压电量比特性曲线。如曲线132所示，点112，114，116和118分别代表B1电池在电压为b1，b2，b3及b4mV的时候，电量百分比分别为25％，50％，75％及100％。
虽然不同的电能存储单元有不同的电压电量比特性，但如果电能存储单元的电压已知或给定，该电能存储单元的电量可以通过其电压电量比特性得知。
图2是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的电量检测器200的示意图。在一个实施例中，电量检测器200，例如一个电池电量计，可用来提供阈值电压和电量参考电压。电量检测器200连接至被检测的电能存储单元用来检测该电能存储单元的电量。电量检测器200包括第一缓冲器212、第二缓冲器214以及连接至第一缓冲器212和第二缓冲器214的分压器220。
在一个实施例中，两个预先设置且可调节的参考电压，例如第一可调参考电压202和第二可调参考电压204，可分别输入至第一缓冲器212和第二缓冲器214。该第一可调参考电压202以及第二可调参考电压204可以指示电能存储单元的极限电压并可根据该电能存储单元的化学材料预先设置。具体的说，第一可调参考电压202可为上限参考电压，第二可调参考电压204可为下限参考电压。在一个实施例中，第一缓冲器212和第二缓冲器214可为电压跟随器，每个电压跟随器的环路增益近似为1。这样，第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238与第一可调参考电压202和第二可调参考电压204基本相等。
因此，第一缓冲器212可用来根据第一可调参考电压202生成第一阈值参考电压230，而第一可调参考电压202可根据电能存储单元的化学材料预先设置。第二缓冲器214可用来根据第二可调参考电压204生成第二阈值参考电压238，第二可调参考电压204也可根据电能存储单元的化学材料预先设置。
有利的是，第一可调参考电压202和第二可调参考电压204也可直接被用作(或可被用来提供)基于保护目的的过压阈值和欠压阈值。如图2的例子所示，电压阈值206和208分别与第一可调参考电压202和第二可调参考电压204基本相等。在一个实施例中，电压阈值206可被用作过压保护电路的过压阈值。例如，当过压保护电路检测到电池电压等于或大于过压阈值206时，电池充电过程可被终止。同理，电压阈值208被用作欠压保护电路的欠压阈值。例如，当欠压保护电路检测到电池电压等于或小于欠压阈值208时，电池放电过程可被终止。
分压器220可以用来将第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238之间的电压进行分压并提供多个电量参考电压232，234和236。在一个实施例中，分压器220包含多个串联的电阻222，224，226和228来提供电量参考电压232，234和236。电阻222，224，226和228的阻值可以预先设置。电量参考电压232，234和236可用来根据电能存储单元的电压电量比特性来指示该电能存储单元的电量百分比。在一个实施例中，第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238也可被用于指示电能存储单元的电量百分比。以A1电池为例，电量参考电压232，234和236可被设置为如图1所示的a3，a2和a1 mV来分别指示A1电池的电量百分比为75％，50％和25％。在一个实施例中，因为第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238可分别指示上限电池电压和下限电池电压，所以，它们也可用来分别指示A1电池的电量百分比为100％和0％。
有利的是，电量检测器200可通过调节第一可调参考电压202和第二可调参考电压204来适用于不同的电池。另外，通过改变分压比例，分压器220可以提供不同的电量参考电压以满足不同的应用需求。例如，电量参考电压可用来指示其它的电量百分比，如30％或40％，可根据不同应用进行调节。在一个实施例中，通过调节电阻222，224，226和228的阻值，可调节电量参考电压232，234和236以满足不同需求。
在一个实施例中，为增强电量检测器200的适用性，电阻222，224，226和228的阻值可通过使用多个独立电阻得到调节。图3是根据本发明的一个实施例的一个电阻300的示意图。该电阻300可为图2所示电阻222，224，226和228中的任何一个。电阻300可包含多个串联的独立电阻282，284，286和288。每个独立电阻与一个对应的开关292，294，296和298并联连接。开关292，294，296和298可以导通或断开。在一个实施例中，开关292，294，296和298可通过编程进行控制。通过控制开关292，294，296和298，例如导通其中一些开关同时断开其它开关，电阻300的阻值可以被改变。这样，电量参考电压，例如图2中所示的电量参考电压232，234和236可被调节以适应不同的电压电量比特性的电池。例如，对B1电池来说，可通过调节电阻222，224，226和228的阻值使输出的电量参考电压232，234和236为图1中所示的b3，b2和b1 mV，来分别指示电量百分比为75％，50％以及25％。
图4是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的系统400的示意图。该系统400包含了图2所示的电量检测器200。系统400可用来产生多个电量指示信号来指示电能存储单元的电量百分比。在一个实施例中，电量参考电压232，234和236以及第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238可被分别输入至比较器362，364，366，360和368与电能存储单元的检测电压350相比较。
在一个实施例中，比较器362可用来将电量参考电压232与检测电压350相比较并根据比较结果输出一个电量指示信号382。在一个实施例中，电量指示信号382为正可表示检测电压350大于电量参考电压232，也即，电能存储单元的电量大于电量参考电压232所指示的电量百分比。类似的，比较器360，364，366和368可分别输出电量指示信号380，384，386和388来指示电量。例如，如果电量参考电压232指示的电量百分比为75％，当电量指示信号382为正时，电能存储单元的电量百分比大于75％。在一个实施例中，电量指示信号382，384和386可根据检测电压350与电量参考电压232，234和236的比较结果来指示电能存储单元的电量。另外，电量指示信号380和388也可根据检测电压350与第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238的比较结果来指示电能存储单元的电量。
因此，通过对检测电压350与电量参考电压232，234和236以及第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238相比较，可获知电能存储单元的电量，相应的控制信号可被提供以实现能量管理。
在一个实施例中，图2中的电量检测器200或是图4中的系统400可通过一个周期导通的开关来控制以节省能耗。
图5是根据本发明的一个实施例的检测电能存储单元电量的方法500的流程图。对图5的说明是结合图4进行的。
在步骤510中，根据第一可调参考电压202产生一个第一阈值参考电压230，例如，通过第一缓冲器212产生。该第一可调参考电压202可根据电能存储单元的化学材料预先设置。
在步骤512中，根据第二可调参考电压204产生一个第二阈值参考电压238，例如，通过第二缓冲器214产生。该第二可调参考电压204可根据电能存储单元的化学材料预先设置。因为不同化学材料的电能存储单元可能导致不同的充电极限电压，第一可调参考电压202和第二可调参考电压204可根据相应的电能存储单元和/或应用需要进行设置。
在步骤514中，一个包含多个串联电阻222，224，226和228的分压器220可根据电能存储单元的电压电量比特性来对第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238之间的电压进行分压。在一个实施例中，电阻222，224，226和228的阻值可根据相应的电能存储单元和/或应用需要预先设置。
在步骤516中，可根据上述分压产生电量参考电压232，234和236。电量参考电压232，234和236以及第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238可分别用来指示电能存储单元的电量百分比。并且，通过分别比较检测电压350与电量参考电压232，234和236以及第一阈值参考电压230和第二阈值参考电压238，可产生电量指示信号380，382，384，386和388。另外，在一个实施例中，当检测电压350等于或大于第一阈值参考电压230时，过压情形可被检测到。当检测电压350等于或小于第二阈值参考电压238时，欠压情形可被检测到。
因此，本发明的较佳实施例提供了一种电量检测器/系统，该电量检测器/系统可根据电能存储单元对应的电压电量比特性来检测该电能存储单元的电量。有利的是，该电量检测器/系统的电量参考电压可进行调节以适用于不同场合。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明而并非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明进行修改或者等同替换，而不脱离本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (20)
1.一种检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述电量检测器包括：
第一缓冲器，用来根据第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；
第二缓冲器，用来根据第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；和
分压器，其连接至所述第一缓冲器和所述第二缓冲器，用来将所述第一阈值参考电压和所述第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据所述电能存储单元的电量电压比特性产生多个电量参考电压来指示所述电能存储单元的多个电量百分比。
2.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述分压器包括串联连接的多个电阻，用来提供所述多个电量参考电压。
3.根据权利要求2所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述多个电量参考电压根据所述多个电阻的阻值的改变而改变。
4.根据权利要求2所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述多个电阻中的至少一个电阻包括：
串联连接的多个独立电阻；和
多个开关，分别与所述多个独立电阻相并联。
5.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述电能存储单元是一个电池。
6.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述第一可调参考电压用作一个过压阈值来保护所述电能存储单元。
7.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述第二可调参考电压用作一个欠压阈值来保护所述电能存储单元。
8.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述第一缓冲器是一个电压跟随器。
9.根据权利要求1所述的检测电能存储单元电量的电量检测器，其特征在于，所述第二缓冲器是一个电压跟随器。
10.一种检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述系统包括：
电量检测器，其连接至所述电能存储单元，用来根据预先设置的第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，根据预先设置的第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，并将所述第一阈值参考电压与所述第二阈值参考电压之间的电压进行分压以根据所述电能存储单元的电压电量比特性提供多个电量参考电压；和
多个比较器，其连接至所述电量检测器，用来将所述电能存储单元的检测电压与所述多个电量参考电压分别进行比较并生成多个电量指示信号来指示所述电能存储单元的电量。
11.根据权利要求10所述的检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述电量检测器包括：
第一缓冲器，用来根据所述第一可调参考电压生成所述第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；
第二缓冲器，用来根据所述第二可调参考电压生成所述第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；和
分压器，其连接至所述第一缓冲器和所述第二缓冲器，用来将所述第一阈值参考电压和所述第二阈值参考电压之间的电压进行分压并根据所述电能存储单元的电压电量比特性产生所述多个电量参考电压来指示所述电能存储单元的多个电量百分比。
12.根据权利要求11所述的检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述分压器包括串联连接的多个电阻，用来提供所述多个电量参考电压。
13.根据权利要求12所述的检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述多个电量参考电压根据所述多个电阻的阻值的改变而改变。
14.根据权利要求10所述的检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述电能存储单元是一个电池。
15.根据权利要求10所述的检测电能存储单元电量的系统，其特征在于，所述多个电量指示信号根据所述检测电压和所述多个电量参考电压的一组比较结果指示所述电能存储单元的电量。
16.一种检测电能存储单元电量的方法，其特征在于，所述方法包括：
根据第一可调参考电压生成第一阈值参考电压，所述第一可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；
根据第二可调参考电压生成第二阈值参考电压，所述第二可调参考电压根据所述电能存储单元的化学材料预先设置；
根据所述电能存储单元的电压电量比特性将所述第一阈值参考电压和所述第二阈值参考电压之间的电压进行分压；和
根据所述分压产生多个电量参考电压。
17.根据权利要求16所述的检测电能存储单元电量的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过分别比较所述电能存储单元的检测电压与所述多个电量参考电压，产生多个电量指示信号。
18.根据权利要求17所述的检测电能存储单元电量的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过比较所述检测电压与所述第一阈值参考电压检测所述电能存储单元的过压情形。
19.根据权利要求17所述的检测电能存储单元电量的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
通过比较所述检测电压与所述第二阈值参考电压检测所述电能存储单元的欠压情形。
20.根据权利要求16所述的检测电能存储单元电量的方法，其特征在于，所述电能存储单元是一个锂离子电池。
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