CN102147450A - 一种锂电池电量监测系统 - Google Patents

Abstract

一种锂电池电量监测系统，包括状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、运算单元和锂电池；状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，运算单元则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；本系统监测锂电池的整个充/放电过程，以一个完整的充放电时间为周期，基于积分法动态更新电池容量，消除电池容量变化的影响，在每次电池充满电后启动锂电池阻抗跟踪单元，实时更新锂电池内阻，最后综合环境温度、负载条件等计算锂电池的剩余电量和剩余工作时间。

Description

一种锂电池电量监测系统

技术领域

本发明涉及一种锂电池电量监测系统，实现电池剩余电量的精确测量，准确预估电池剩余工作时间。

背景技术

由于锂电池具有能量高、无记忆等优良特性，锂电池在便携设备中得到了广泛的应用。随着便携设备对电池电量准确指示、剩余工作时间精确预估的要求日益提高，现有的锂电池电量监测系统越来越无法满足用户的需要。

现有的电池电量监测系统主要使用电压监测法和库伦计数法，其主要的弊端有：

1.电压监测法结合当前电池电压和常温放电曲线确定电池剩余电量。由于电压监测法既没有考虑负载条件的影响，也没有考虑工作温度的影响，所以电压监测法的测量结果误差较大。

2.库伦计数法通过不间断的库伦积分计算出消耗的电荷量，结合预知的电池容量确定电池剩余容量。由于库伦计数法不对电池容量进行周期矫正，所以随着使用时间的加长，库伦计数法的误差会逐渐增大。

随着电池使用时间的增长，电池容量会下降，电池阻抗会增加，这将导致电池运行时间的缩短。由于电压监测法和库伦计数法均无法解决以上问题，使用电压检测法和库伦计数法设计的电池电量监测系统为了防止突然关机，必须预留能量，这将造成电能的浪费。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种锂电池电量监测系统，该方法动态更新电池容量，消除电池容量变化的影响，能够实现电池剩余电量的精确测量，准确预估电池剩余工作时间。

本发明的技术解决方案是：

一种锂电池电量监测系统，包括状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、运算单元和锂电池；

其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，运算单元则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；

在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Q_max，并将所述累计输入电量Q_max发送给运算单元，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给运算单元；

在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给运算单元；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给运算单元，由运算单元计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。

在锂电池充电完成时，所述计算累计输入电量Q_max通过如下公式进行：

$Q_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt},$

其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；t_charge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有t_charge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。

所述计算锂电池内阻通过如下方式进行：当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值，得到所述可变电阻的电压值和电流值，阻抗跟踪单元通过如下公式计算锂电池内阻R_B：

$R_B=\frac{V_{a1}-V_{a2}}{I_{a2}-I_{a1}},$

其中，V_a1、I_a1为可变电阻第一次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值，V_a2、I_a2为可变电阻第二次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值。

在锂电池放电时，所述电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)通过如下公式进行：

$Q\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt},$

其中，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值。

所述计算锂电池剩余电量通过如下公式进行：

Q_r＝Q_max-Q(n)，

其中，Q_r为锂电池剩余电量，Q_max为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量。

所述计算锂电池的剩余工作时间通过如下步骤进行：

(1)通过公式V_stop(i)＝V_oc(stop)-R_B*I(i)计算锂电池的放电终止电压V_stop(i)，其中，V_oc(stop)为放电终止电压V_stop对应的电池开路电压，为锂电池默认参数；R_B为锂电池内阻，I(i)为锂电池当前输出电流；

(2)根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和步骤(1)中得到的放电终止电压V_stop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。

所述可变电阻第一次调整阻值R₁的大小等于锂电池的初始内阻值。

所述可变电阻第二次调整阻值R₂的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)锂电池随着充放电次数的增加和使用时间的增长，其内阻会变化，导致锂电池自身消耗的电压等参数会发生变化，这样的情况，现有技术中的基于电压监测法和库伦计数法的锂电池电量监测方法就不再适用，本发明监测锂电池的整个充/放电过程，以一个完整的充/放电时间为周期，基于积分法周期更新锂电池的容量，可以减小由电池容量变化而引起的剩余电量的计算误差，在对于锂电池电量需要精确测量的场合，能够发挥重要作用；

(2)本发明在每次锂电池充电完成后，启动阻抗跟踪单元计算锂电池内阻，与电压检测法和库伦计数法相比，本发明可以减小由于电池内阻变化引起的放电终止电压的计算误差；

(3)本发明实时监测锂电池的输出电流、输出电压以及工作温度，根据输出电流及工作温度更新放电曲线，综合放电曲线、电池内阻、放电终止电压和锂电池输出电压计算锂电池的剩余工作时间，与电压监测法和库伦计数法相比，本发明可以减小由负载条件、工作温度、放电终止电压变化引起的锂电池剩余工作时间计算误差。

附图说明

图1为本发明系统组成示意图；

图2为放电曲线示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的详细描述。

一种锂电池电量监测系统，包括状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、运算单元和锂电池。

其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，运算单元则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；

在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Q_max，并将所述累计输入电量Q_max发送给运算单元，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给运算单元；

在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给运算单元；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给运算单元，由运算单元计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。

具体的实现步骤为：

1.充电阶段

a.从锂电池(实例中的锂电池额定电池容量为8000mAh，额定输出电压为16.8V)开始充电到锂电池充电完成，状态监测单元实时监测锂电池的当前输入电流(实例中采用LT4151进行电流监控，LT4151工作在默认的连续扫描模式)；

b.在锂电池充电过程中，电量记录单元将定时向状态监测单元发送查询指令查询当前时刻输入电流，查询周期为预置值(实例中，查询指令为使能脉冲，由FPGA发出，查询周期为1s)；

c.在收到查询指令后，状态监测单元将锂电池当前输入电流发送给电量记录单元，电量记录单元计算从充电开始到当前时刻锂电池的输入电量，具体的计算公式为：

$Q\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt}$

其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值(实例中，在某次电量记录单元发送查询指令后，状态监测单元返回的锂电池输入电流值为1.25A，则该秒内锂电池的输入电量为)。

d.当充电电路给出充电完成指示时，锂电池充电过程结束，电量记录单元得到电池充满电量Q_max，

$Q_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt},$

其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；t_charge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有t_charge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。

由于电量记录单元发送查询指令的周期Δt恒定，则锂电池电量计算公式可以更新为：

$Q_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\mathrm{\Δt}\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}I\left(i\right)$

(实例中，在某次充电完成后，电池容量为7826mAh)；

e.在充电电路给出充电完成指令后，阻抗跟踪单元启动工作，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值；在调整前后，状态监测单元将测得的电流值、电压值发送给阻抗跟踪单元，阻抗跟踪单元根据切换前后预设的阻值及状态监测单元提供的电压值和电流值计算电池内阻，具体的计算公式为：

$\left\{\begin{array}{c}{I}_{a1}=\frac{V_B-V_{a1}}{R_B}\\ I_{a2}=\frac{V_B-V_{a2}}{R_B}\end{array}\right.\⇒R_B=\frac{V_{a1}-V_{a2}}{I_{a2}-I_{a1}}$

其中，V_a1、I_a1为可调电阻阻值为R₁时电阻两端的电压、电流值，V_a2、I_a2为可调电阻阻值为R₂时电阻两端的电压、电流值，R₁的大小等于锂电池的初始内阻值，R₂的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值，一般来讲，R₁和R₂的大小为锂电池出场默认值。R_B为电池内阻，V_B为电池电压(为了不影响电池寿命，电池放电电流不能过大，因此阻抗跟踪单元需要串接一个阻值较大的电阻，实例中选择阻值为10Ω的精密金属膜电阻；根据系统中应用的锂电池的具体参数，实例中选择可变电阻的阻值分别为：R₁＝20mΩ，R₂＝50mΩ；在某次充电完成后，阻抗跟踪单元中R₁上的电压和电流分别为31.44mV和1572.14mA，R₂上的电压和电流分别为78.37mV和1567.46mA，由此计算出的锂电池内阻为30mΩ)。

2.放电阶段

a.从锂电池开始放电到放电结束，状态监测单元实时监测锂电池当前时刻的输出电压、输出电流和环境温度(实例中采用LT4151进行电流监控，采用温感电阻进行温度监控)；

b.从锂电池开始放电到放电结束，电量记录单元将定时向状态监测单元发送查询指令查询当前时刻输出电流(实例中，查询指令为使能脉冲，由FPGA发出，查询周期为1s)；

c.在收到查询指令后，状态监测单元将电池当前输出电流值发送给电量记录单元，电量记录单元根据该数值及查询周期计算累计输出电量Q(n)，具体的计算公式为：

$Q\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt}$

其中，，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值，(实例中，在某次电量记录单元发送查询指令后，状态监测单元返回的锂电池输出电流值为0.5A，则该秒内锂电池的输入电量为

累计输出电量为1800mAh)。

d.电量记录单元根据电池充满电量和已用电量计算得出电池剩余电量，具体的计算公式为：

Q_r＝Q_max-Q(n)

其中，Q_r为锂电池剩余电量，Q_max为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量。

(实例中，锂电池剩余电量的表示方法是剩余电量占总电量的百分比，当累计输出电量为1800mAh时，锂电池剩余电量为)

e.运算单元根据电池阻抗和放电终止电压计算放电终止电压对应的电池开路电压，具体的计算公式为：

$V_{\mathrm{stop}}\left(i\right)=V_{\mathrm{oc}\left(\mathrm{stop}\right)}\left(i\right)-R_B*I\left(i\right)$

$\⇒V_{\mathrm{oc}\left(\mathrm{stop}\right)}\left(i\right)=V_{\mathrm{stop}}\left(i\right)+R_B*I\left(i\right)$

其中，V_stop(i)为根据电量记录单元第i次查询到得电池输出电流计算出的放电终止电压；V_oc(stop)(i)为该放电终止电压对应的锂电池开路电压，为锂电池默认参数；R_B为电池内阻，I(i)为电量记录单元第i次查询到得电池输出电流，即当前输出电流；(实例中放电终止电压预设为12V，当输出电流为1.6A，内阻为30mΩ时，V_oc(stop)(i)为12.048V)。

f.根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和放电终止电压V_stop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。

如图2所示，由状态监测单元发送的电压、电流和环境温度信息分别为：当前输出电压为15.2V，输出电流为1.6A，当环境温度为25度时，选择25度、0.2倍率放电曲线(放电曲线为锂电池默认参数)，由于V_oc(stop)(i)为12.048V，根据当前输出电压为15.2V和V_oc(stop)(i)为12.048V，且完整的电池工作时间为9.4小时(V_oc(stop)(i)对应的时间值就是电池能够工作的最长时间，由图2中可以看出，当V_oc(stop)(i)为12.048V时，对应的时间值为9.4小时)，则锂电池剩余工作时间为9.4-2.8＝6.6小时。

一般来讲，锂电池默认提供的放电曲线为-20度，0度，25度，45度，60度，80度这几种，当实际温度介于这些曲线之间的时候，则取相邻两条给出的默认曲线的平均值。例如，当前温度为35度，则将25度曲线对应的工作时间和45度曲线对应的工作时间取平均值，作为35度时的锂电池的已工作时间。35度时，锂电池能够工作的最长时间也为25度时和45度时最长工作时间的平均值。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种锂电池电量监测系统，其特征在于：包括状态监测单元、电量记录单元、阻抗跟踪单元、运算单元和锂电池；

其中状态监测单元监测锂电池当前的输出电压、输出电流以及环境温度，电量记录单元记录锂电池充电时的输入电量和放电时的输出电量；阻抗跟踪单元在锂电池每次充电完成之后计算锂电池内部阻抗，运算单元则根据输入数据计算锂电池的剩余电量和锂电池的剩余工作时间；

在锂电池充电时，状态检测单元监测出锂电池的输入电流之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输入电流发送给电量记录单元；电量记录单元计算从锂电池开始充电到锂电池充电完成累计的输入电量Q_max，并将所述累计输入电量Q_max发送给运算单元，当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元开始工作，计算锂电池的当前内阻，并将所述锂电池的当前内阻发送给运算单元；

在锂电池放电时，状态检测单元监测出锂电池的输出电流、输出电压和环境温度之后等待电量记录单元的查询指令，状态监测单元收到所述查询指令之后即将监测到得锂电池当前输出电流发送给电量记录单元，同时将监测到的锂电池的输出电压和环境温度发送给运算单元；电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)，并将所述累计输出电量Q(n)发送给运算单元，由运算单元计算出锂电池的剩余电量和剩余工作时间。

2.根据权利要求1所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于在：在锂电池充电完成时，所述计算累计输入电量Q_max通过如下公式进行：

$Q_{\max }=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt},$

其中，n为电量记录单元发送查询指令的次数，Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输入电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；t_charge为锂电池开始充电到充电完成所需的时间且有t_charge＝n×Δt；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输入电流值。

3.根据权利要求1所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：所述计算锂电池内阻通过如下方式进行：当锂电池充电完成时，阻抗跟踪单元通过先后两次调整可变电阻的阻值，得到所述可变电阻的电压值和电流值，阻抗跟踪单元通过如下公式计算锂电池内阻R_B：

$R_B=\frac{V_{a1}-V_{a2}}{I_{a2}-I_{a1}},$

其中，V_a1、I_a1为可变电阻第一次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值，V_a2、I_a2为可变电阻第二次调整阻值时可变电阻两端的电压值和电流值。

4.根据权利要求1所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：在锂电池放电时，所述电量记录单元计算从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量Q(n)通过如下公式进行：

$Q\left(n\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}Q\left(i\right)=\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}\underset{0}{\overset{\mathrm{\Δt}}{\∫}}I\left(i\right)\mathrm{dt},$

其中，n为从锂电池开始放电到当前时刻，电量记录单元发送查询指令的次数；Q(i)为电量记录单元第i次发送查询指令和第i-1次发送查询指令之间锂电池的累积输出电量，Δt为电量记录单元发送查询指令的周期，为预设值；I(i)为电量记录单元第i次发送查询指令之后查询到得当前输出电流值。

5.根据权利要求1所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：所述计算锂电池剩余电量通过如下公式进行：

Q_r＝Q_max-Q(n)，

其中，Q_r为锂电池剩余电量，Q_max为锂电池充电完成时的累计输入电量，Q(n)为从锂电池开始放电到当前时刻锂电池累计的输出电量。

6.根据权利要求1所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：所述计算锂电池的剩余工作时间通过如下步骤进行：

(1)通过公式V_stop(i)＝V_oc(stop)-R_B*I(i)计算锂电池的放电终止电压V_stop(i)，其中，V_oc(stop)为放电终止电压V_stop对应的电池开路电压，为锂电池默认参数；R_B为锂电池内阻，I(i)为锂电池当前输出电流；

(2)根据状态监测单元发送的当前环境温度和当前输出电流确定锂电池放电曲线，根据当前输出电压和步骤(1)中得到的放电终止电压V_stop(i)确定锂电池的剩余工作时间；锂电池放电曲线为预设参数。

7.根据权利要求3所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：所述可变电阻第一次调整阻值R₁的大小等于锂电池的初始内阻值。

8.根据权利要求3所述的一种锂电池电量监测系统，其特征在于：所述可变电阻第二次调整阻值R₂的大小等于锂电池经循环充/放电500次后的内阻值。

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