CN102033204A - 电池电量检测电路、方法以及电子系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电池电量检测电路、电子系统以及方法，其通过与电池组相连的电压检测电路分别测量电池组中多个电池单元的开路电压，并借由与所述电压检测电路相连的处理器从多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系判定所述电池组的第一荷电状态；采用本发明的电池电量检测电路、电子系统以及方法能够相对较准确地判定电池组的剩余电量。
Description
技术领域
本发明涉及一种电量检测技术，特别是一种对含有多个电池单元的电池组进行电量检测的电路、系统以及方法。
背景技术
诸如笔记本电脑、个人数字助理、移动电话等各种电子设备都可以用电池组供电。一个电池组中可以包含多个串联的可充电电池单元。当一个合适的直流电源(如一个交流/直流适配器)与电子设备相连时，都可以给电池组充电。这些电子设备可以包含电池电量检测电路，用以计算电池组的剩余电量，从而使用者能够知道何时需要对电池组进行充电。
图1所示为一种传统的电池电量检测电路100的方框示意图。在图1所示的实施例中，电池组包括两个串联的电池单元102-1和102-2。电池电量检测电路100包括模数转换器(ADC)108，其通过分压电路106与电池单元102-1和102-2相连，用以检测电池组的开路电压(Open Circuit Voltage，OCV)。电池组的开路电压是指当电池组从电路中断开(既不充电也不放电)时其两端的电压。电池组的开路电压可以在电池组从电路中断开并经过足够长的一段时间后测量得到，此时电池组两端的电压相对稳定。
测量到的电池组的开路电压Vbat被存放在寄存器110中。处理器112从寄存器110中读取Vbat，并根据一个预设的OCV表114判定电池组的荷电状态(RelativeState Of Charge，RSOC)。具体来说，处理器112将Vbat除以电池组中电池单元的数目，以获得电池单元平均开路电压，并查找OCV表114来判定电池组的荷电状态。
OCV表114是一个查找表，能够指示电池单元的平均开路电压和对应的荷电状态之间的关系。如下表1中给出了一个OCV表的示例，其中包含了一组荷电状态和一组与其一一对应的电池单元平均开路电压。
表1
| RSOC(％) | 100 | 95 | 90 | 85 | 80 | 75 | 70 | 65 | 60 | 55 |
| OCV(mV) | 4160 | 4100 | 4062 | 4036 | 4005 | 3965 | 3922 | 3883 | 3848 | 3814 |
| RSOC(％) | 50 | 45 | 40 | 35 | 30 | 25 | 20 | 15 | 10 | 5 |
| OCV(mV) | 3773 | 3734 | 3695 | 3660 | 3623 | 3588 | 3557 | 3520 | 3485 | 3374 |
比如，如果测得Vbat为7.4V，处理器112计算得到电池单元平均开路电压为3.7V。在OCV表114中，3695mV的开路电压对应荷电状态为40％。因此，处理器112判定电池组的荷电状态大约为40％。如果电池组的标称总容量为1000mAh，则判定电池组的剩余电量大约是400mAh。
如上所述，传统的电池电量检测电路100利用电池单元平均开路电压来判定电池组的荷电状态。然而，对电池组多次的充电和放电操作会造成各电池单元电压的不均衡。如果一组串联的电池单元中，有一个或多个电池单元与其他的电池单元充电速度不同，则可能导致各电池单元电压的不均衡。因此，电池组中各个电池单元的电压可能各不相同。比如，如果Vbat为7.4V，电池单元102-1的电压可能为3.623V，而电池单元102-2的电压为3.777V。当电池组放电时，电池单元102-1的电压和电池单元102-2的电压都同时降低。当任一电池单元的电压下降到一个预设的保护门限值时(比如3V)，电池组会被终止放电。因为电池单元102-1的电压比电池单元102-2的电压低，如果电池单元102-1的电压降到3V，电池组会被终止放电。而此时电池单元102-2的电压还高于3V。换言之，电池单元102-2的部分电量没有利用上，从而导致电池组的实际总容量和标称总容量并不相同。因此，传统的电池电量检测电路100判定的剩余电量会有较大误差。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电池电量检测电路、电子系统以及方法，其能够比较精确地判定包含多个电池单元的电池组的剩余容量。
本发明的电池电量检测电路包括：与电池组相连的电压检测电路，用于分别测量电池组中多个电池单元的开路电压；以及与所述电压检测电路相连的处理器，用于从多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系判定所述电池组的第一荷电状态。
本发明的电子系统包括：与电池组相连的电压检测电路，用于分别测量所述电池组中多个电池单元的开路电压；与所述电压检测电路相连的处理器，用于从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据所述最小开路电压和预设的查找表判定所述电池组的第一荷电状态；与所述处理器相连的存储单元，用于存储所述查找表，其中所述查找表中储存有所述电池组的不同荷电状态和分别对应的最小开路电压。
本发明的电池电量检测方法，包括下列步骤：分别测量所述多个电池单元的开路电压；从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压；根据所述最小开路电压和预设的查找表判定所述电池组的第一荷电状态，其中所述查找表指示所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系。
综上所述，通过采用本发明所述的电池电量检测电路、电子系统以及方法，在各电池单元的电压不均衡的情况下，可以相对更准确的判定剩余电量。此外，利用本发明所述的电池电量检测电路、电子系统以及方法判定的电池组总容量估计值能够更准确地反映电池组的实际总容量。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1所示为一种传统的电池电量检测电路的方框示意图；
图2所示为包含根据本发明一个实施例的电池电量检测电路的电池组的方框示意图；
图3所示为包含根据本发明一个实施例的电池电量检测电路的电子系统的方框示意图；
图4所示为根据本发明一个实施例的电池电量检测的方法流程图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅只局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外，为了更好地说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手续、元件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明公开了一种电池电量检测电路。该电池电量检测电路测量电池组中每个电池单元的开路电压，并根据其中最小开路电压计算电池组的剩余电量。相比传统的电池电量检测电路100，计算得到的剩余电量更加精确。此外，本发明公开的电池电量检测电路根据各电池单元的平均开路电压和剩余电量计算得到的电池组总容量相对而言也更加精确。
图2所示为包含根据本发明一个实施例的电池电量检测电路218的电池组200的方框示意图。在图2的例子中，电池组200包含串联的电池单元202-1、202-2…202-N。
在一个实施例中，电池电量检测电路218包含电压检测电路206、模数转换器208、寄存器210和处理器212。电压检测电路206与电池单元202-1、202-2…202-N分别相连，在控制单元216的控制下分别测量电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压。电池单元的开路电压是指当电池组从电路中断开(既不充电也不放电，没有电流通过)时，电池单元两端的电压。在一个实施例中，当电池组从电路中断开足够长的一段时间后(比如3-4小时)，此时电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压已经变得相对稳定，电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压由电压检测电路206测得。
模数转换器208与电压检测电路206相连，将测量到的电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压数字化。寄存器210与模数转换器208相连，用于储存数字化后的电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压。处理器212根据电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压和预设的查找表214判定电池组200的剩余电量。在一个实施例中，查找表214被储存在与处理器212相连的存储单元204中。查找表214中存储的数据指示各电池单元不同的开路电压和分别与其对应的荷电状态之间的关系。电池组200中每个电池单元202-1、202-2…202-N共享一个查找表214。
在一个实施例中，处理器212从寄存器210中分别读取电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压，判定其中最小开路电压VCELL-MIN。比如，如果N＝2，各电池单元的开路电压分别是3.81V和3.96V，处理器212判定最小开路电压VCELL-MIN是3.81V。处理器212根据最小开路电压VCELL-MIN和查找表214判定电池组200的荷电状态。如下表2给出了查找表214的一个示例。在表2中，开路电压V1对应的荷电状态为5％，开路电压V2对应的荷电状态为10％，等等。
表2
| RSOC(％) | 100 | 95 | ...... | 70 | ...... | 55 | ...... | 15 | 10 | 5 |
| OCV(mV) | V7 | V6 | ...... | V5 | ...... | V4 | ...... | V3 | V2 | V1 |
比如，如果最小开路电压VCELL-MIN是3.81V，处理器212查询查找表214，根据具有3.81V开路电压的电池单元的荷电状态判定电池组200的第一荷电状态RSOC1。假设查找表214(表2)中的V4的值为3.81V。根据该查找表，具有3.81V开路电压的电池单元的荷电状态为55％。从而处理器212判定电池组200的第一荷电状态RSOC1为55％。处理器212可以查询查找表214，找到与最小开路电压最接近的开路电压值，并据此判定电池组200的第一荷电状态RSOC1。换言之，可以认为查找表214中存储的是电池组不同的荷电状态和与这些荷电状态分别对应的电池单元最小开路电压。
每个电池组都具有一个已知的标称总容量CRATED。举例而言，图2中电池组200的标称总容量CRATED为1000mAh。在一个实施例中，处理器212根据第一荷电状态RSOC1和标称总容量CRATED判定电池组200的剩余电量CREMAIN。剩余电量CREMAIN可以由以下式子得到：
CREMAIN＝CRATED*RSOC1 (1)
在上述例子中，第一荷电状态RSOC1为55％，标称总容量CRATED为1000mAh，因此，处理器212判定电池组200的剩余电量CREMAIN为550mAh。
由于电池单元电压的不均衡，电池组200的实际总容量可能不同于标称总容量。此处，“实际总容量”是指电池组从充满电的状态开始放电，直到某一电池单元的电压下降到预设的保护门限的总电量。在一个实施例中，处理器212进一步判定电池组200的总容量估计值CEST。其中，总容量估计值CEST与实际总容量之间的差别可能小于标称总容量CRATED与实际总容量之间的差别。
在一个实施例中，处理器212判定电池单元202-1、202-2…202-N的平均开路电压VCELL-AVG，并根据查找表214和平均开路电压VCELL-AVG判定电池组200的第二荷电状态RSOC2。然后，处理器212根据所述第二荷电状态RSOC2和剩余电量CREMAIN判定电池组200的总容量估计值CEST。
更具体地说，在一个实施例中，电压检测电路206测量电池组200的开路电压。模数转换器208将测量到的电池组200的开路电压数字化，并存储于寄存器210中。在另一个实施例中，通过把电池单元202-1、202-2…202-N的各开路电压相加得到电池组200的开路电压，处理器212将电池组200的开路电压除以电池单元202-1、202-2…202-N的总数目(即数字N)，得到电池单元202-1、202-2…202-N的平均开路电压VCELL-AVG。处理器212根据电池单元202-1、202-2…202-N的平均开路电压VCELL-AVG，查询查找表214，判定电池组200的第二荷电状态RSOC2。在判定电池组200的第二荷电状态RSOC2之后，处理器212将剩余电量CREMAIN除以第二荷电状态RSOC2，得到电池组200的总容量估计值CEST。即总容量估计值CEST由以下式子得到：
CEST＝CREMAIN/RSOC2 (2)
比如，如果电池组200包含两个电池单元202-1和202-2(N＝2)，电池组200的开路电压为7.84V，则电池单元202-1、202-2…202-N的平均开路电压VCELL-AVG为3.92V。在查找表214(表2)中，假设开路电压V5的值为3.92V。根据该查找表214，V5对应的荷电状态为70％。从而处理器212判定电池组200的第二荷电状态RSOC2为70％。处理器212可以查询查找表214，找到与平均开路电压VCELL-AVG最接近的开路电压值，并据此判定电池组200的第二荷电状态RSOC2。如前所述，电池组200的剩余电量CREMAIN为550mAh。因此，处理器212将剩余电量CREMAIN(550mAh)除以第二荷电状态RSOC2(70％)，得到总容量估计值CEST(785.7mAh)。
在电池组的充电或放电过程中，电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压有可能不能直接测量得到，因此不能直接根据查找表214判定荷电状态。根据本发明的一个实施例，在这种情况下，可以利用总容量估计值CEST来判定电池组200的第三荷电状态RSOC3。当电池组在充电或者放电时，流入或流出电池组或电池单元的电量可以通过一个库仑计数电路(Coulomb counting circuit)(图2中未示出)测得。如果电池组充电，利用该库仑计数电路计算充电过程中电池组增加的电量。把充电前的剩余电量CREMAIN加上充电过程中电池组增加的电量CCHG，得到充电结束时的当前剩余电量CREMAIN-END1。充电结束时的当前剩余电量CREMAIN-END1可以由以下式子得到：
CREMAIN-END1＝CREMAIN+CCHG (3)
处理器212将当前剩余电量CREMAIN-END1除以总容量估计值CEST，得到电池组200的第三荷电状态RSOC3(充电结束时的荷电状态)。第三荷电状态RSOC3可以由以下式子得到：
RSOC3＝CREMAIN-END1/CEST (4)
如前所述，之前判定的剩余电量CREMAIN为550mAh，如果电池组充电过程中增加的电量为50mAh，则充电结束时的当前剩余电量CREMAIN-END1为600mAh。将当前剩余电量(600mAh)除以总容量估计值(785.7mAh)，得到电池组200的第三荷电状态(76％)。
类似的，如果电池组放电，利用该库仑计数电路计算放电过程中电池组消耗的电量。把放电前的剩余电量CREMAIN减去放电过程中电池组消耗的电量CDCHG，得到放电结束时的当前剩余电量CREMAIN-END2。放电结束时的当前剩余电量CREMAIN-END2可以由以下式子得到：
CREMAIN-END2＝CREMAIN-CDCHG (5)
处理器212将当前剩余电量CREMAIN-END2除以总容量估计值CEST，得到电池组200的第三荷电状态RSOC3(放电结束时的荷电状态)。第三荷电状态RSOC3可以由以下式子得到：
RSOC3＝CREMAIN-END2/CEST (6)
在图2的例子中，电池电量检测电路218集成于电池组200中。在另一个实施例中，电池电量检测电路218可以设于电池组200之外。
图3所示为包含根据本发明一个实施例的电池电量检测电路218的电子系统300的方框示意图。图3中与图2编号相同的部件具有类似的功能。
在一个实施例中，电子系统300中包含连接于电源302和电池组308之间的电源管理单元304。在一个实施例中，电源302是一个交流/直流适配器，接收墙上电源插座提供的交流电，并将其转换成直流电。电池组308包含串联的电池单元202-1、202-2…202-N。电子系统300还包括与电池组308相连的电池电量检测电路218和用户接口306。电子系统300还可以包括用于实现各种功能的其他部件。
电源管理单元304监测并控制来自电源302的电力，用电源302提供的电力为电子系统300中的各部件供电，也可用电源302提供的电力为电池组308充电。电源管理单元304也监测并控制电池组308提供的电力，并用电池组308提供的电力为电子系统300中的各部件供电。电池电量检测电路218利用电压检测电路206测量每个电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压。处理器212从电池单元202-1、202-2…202-N的开路电压中判定最小开路电压VCELL-MIN。之后，处理器212根据最小开路电压VCELL-MIN和存储于存储单元204中的预设的查找表214，判定电池组308的第一荷电状态RSOC1。根据第一荷电状态RSOC1和电池组308的标称总容量CRATED，处理器212判定电池组308的剩余电量CREMAIN。根据电池单元202-1、202-2…202-N的平均开路电压VCELL-AVG和查找表214，处理器212判定电池组308的第二荷电状态RSOC2。根据第二荷电状态RSOC2和剩余电量CREMAIN，处理器212判定电池组308的总容量估计值CEST。处理器212还可以进一步利用总容量估计值CEST来判定充电/放电过程结束时电池组308的第三荷电状态RSOC3。
用户接口306可以包括视频显示设备或音频输出设备，用于通知使用者电子系统300的电力状况。电子系统300的电力状况可以包括电池组308的荷电状态和剩余电量等。
图4所示为根据本发明一个实施例的电池电量检测的方法流程图400。图4将结合图2和图3进行描述。
在步骤402中，分别测量电池组中多个电池单元的开路电压，比如利用电压检测电路206测量。
在步骤404中，从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，比如由处理器212进行判定。
在步骤406中，根据所述最小开路电压和预设的查找表判定所述电池组的第一荷电状态，该查找表指示所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系。
在步骤408中，根据所述第一荷电状态和所述电池组的标称总容量来判定所述电池组的剩余电量。
如前所述，本发明公开了一种电池电量检测电路，其根据各电池单元开路电压中的最小开路电压计算电池组的剩余电量。与传统方法相比，在电池单元电压不均衡的情况下，根据本发明判定的剩余电量更加精确。
此外，本发明的电池电量检测电路根据各电池单元的平均开路电压和剩余电量判定电池组的总容量估计值，由于总容量估计值与实际总容量之间的差别可能小于标称总容量与实际总容量之间的差别，因此总容量估计值能够更精确的反映电池组的实际总容量。
在此使用之措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性之任何等同物(或部分等同物)排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改、变体和替换物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。
Claims (19)
1.一种电池电量检测电路，其特征在于，所述电池电量检测电路至少包括：
与电池组相连的电压检测电路，用于分别测量所述电池组中多个电池单元的开路电压；
与所述电压检测电路相连的处理器，用于从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系判定所述电池组的第一荷电状态。
2.根据权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述电池电量检测电路还包括：
与所述处理器相连的存储单元，用于存储指示所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系的查找表。
3.根据权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述处理器根据所述第一荷电状态和所述电池组的标称总容量判定所述电池组的剩余电量。
4.根据权利要求3所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述处理器判定所述多个电池单元的平均开路电压，根据所述平均开路电压判定所述电池组的第二荷电状态，并根据所述剩余电量和所述第二荷电状态判定所述电池组的总容量估计值。
5.根据权利要求4所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述电压检测电路将所述剩余电量除以所述第二荷电状态，以判定所述总容量估计值。
6.根据权利要求4所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述处理器将所述剩余电量加上所述电池组充电过程中增加的电量得到当前电量，并将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
7.根据权利要求4所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述处理器将所述剩余电量减去所述电池组放电过程中消耗的电量得到当前电量，并将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
8.一种电子系统，其特征在于，所述电子系统至少包括：
与电池组相连的电压检测电路，用于分别测量所述电池组中多个电池单元的开路电压；
与所述电压检测电路相连的处理器，用于从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压，并根据所述最小开路电压和预设的查找表判定所述电池组的第一荷电状态；
与所述处理器相连的存储单元，用于存储所述查找表，其中所述查找表中储存有所述电池组的不同荷电状态和分别对应的最小开路电压。
9.根据权利要求8所述的电子系统，其特征在于，所述处理器根据所述第一荷电状态和所述电池组的标称总容量判定所述电池组的剩余电量。
10.根据权利要求9所述的电子系统，其特征在于，所述处理器判定所述多个电池单元的平均开路电压，根据所述查找表和所述平均开路电压判定所述电池组的第二荷电状态，并根据所述剩余电量和所述第二荷电状态判定所述电池组的总容量估计值。
11.根据权利要求10所述的电子系统，其特征在于，所述电压检测电路将所述剩余电量除以所述第二荷电状态，以判定所述总容量估计值。
12.根据权利要求10所述的电子系统，其特征在于，所述处理器将所述剩余电量加上所述电池组充电过程中增加的电量得到当前电量，并将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
13.根据权利要求10所述的电子系统，其特征在于，所述处理器将所述剩余电量减去所述电池组放电过程中消耗的电量得到当前电量，并将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
14.一种电池电量检测方法，用于检测包含多个电池单元的电池组的电量，其特征在于，所述电池电量检测包括下列步骤：
分别测量所述多个电池单元的开路电压；
从所述多个电池单元的开路电压中判定最小开路电压；
根据所述最小开路电压和预设的查找表判定所述电池组的第一荷电状态，其中所述查找表指示所述最小开路电压和具有所述最小开路电压的电池单元所对应的荷电状态之间的关系。
15.根据权利要求14所述电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：
根据所述第一荷电状态和所述电池组的标称总容量判定所述电池组的剩余电量。
16.根据权利要求15所述电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：
判定所述多个电池单元的平均开路电压；
根据所述查找表和所述平均开路电压判定所述电池组的第二荷电状态；
根据所述剩余电量和所述第二荷电状态判定所述电池组的总容量估计值。
17.根据权利要求16所述电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：
将所述剩余电量除以所述第二荷电状态，以判定所述总容量估计值。
18.根据权利要求16所述电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：
将所述剩余电量加上所述电池组充电过程中增加的电量得到当前电量；
将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
19.根据权利要求16所述电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：
将所述剩余电量减去所述电池组放电过程中消耗的电量得到当前电量；
将所述当前电量除以所述总容量估计值得到所述电池组的第三荷电状态。
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