CN103018680A - 一种电池电量计量方法、计量装置以及电池供电设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电池电量计量方法、计量装置以及电池供电设备。其中所述电池电量计量方法包括：检测电池输出端电压和温度；根据上一时刻的电池开路电压得到与之对应的第一校正系数；根据电池温度得到与之对应的第二校正系数；利用所述电池输出端电压、第一校正系数、第二校正系数、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

Description

一种电池电量计量方法、计量装置以及电池供电设备

技术领域

本发明涉及电池供电设备，尤其涉及一种电池电量的计量方法及计量装置。

背景技术

目前在手机、笔记本等可携式电子装置中，最常用的电池为锂离子电池，而在这些设备的使用过程中，电池的电量状态SOC（stage of charge）是一个很重要的物理量，它能够让使用者对剩余的电量有一个客观的了解。现有技术中存在多种计量电子装置的电池电量的作法，如比较常用的电压法，直接将电池输出端电压分成不同的区间并对应显示不同的电量，即通过单一的电池电压与电量的关系来计算剩余电量。但是电池电压与电量并不是绝对的对应关系，还会受到放电电流和工作温度的影响。因此在这种情况下，很容易给予用户错误的提示，甚至会出现误报警、误关机的情况。

另外比较常用的还有通过库仑计计算充入电池的电量和放出电池的电量的方法以及阻抗跟踪法等模拟电路的方法。如专利200610150400.6中提出的一种利用库伦计的电量计量电路，其原理框图如图1所示，需要检测电池组的放电电流和温度，通过放大器电路放大后再经过校正电路和多个比较器输入至多路器进行显示。其中校正电路包括装置141-149以及加法器152、154和156等多个器件。可见这种计量电路虽然采用的是多种数据模型的形式，但其模拟电路的结构非常复杂，随着使用次数的增加，库仑计的误差将越来越大，另外对于电池放电电流的多次测量也会产生累计的误差，这些都将影响到电池电量的精度。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种电池电量计量方法以及计量装置，以克服现有技术中的计量误差较大和计量电路过于复杂的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

依据本发明优选实施例的一种电池电量计量方法，包括：

检测电池输出端电压和温度；

根据上一时刻的电池开路电压得到与之对应的第一校正系数；

根据电池温度得到与之对应的第二校正系数；

利用所述电池输出端电压、第一校正系数、第二校正系数、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

进一步的，包括下列步骤：根据所述电池开路电压的变化速率判断电池是否处于松弛状态；

当电池处于松弛状态时，设置所述电池开路电压等于所述电池输出端电压。

进一步的，包括下列步骤：对实时的电池开路电压进行存储，用以计算下一时刻的电池开路电压。

进一步的，包括下列步骤：对电池进行测试，得到电池开路电压与电池电量的对应关系，并据此将实时的电池开路电压转换为电池电量。

进一步的，包括下列步骤：对电池进行测试，得到所述第一校正系数与所述电池开路电压的对应关系以及所述第二校正系数与所述电池温度的对应关系。

依据本发明优选实施例的一种电池电量计量装置，包括：

检测装置：用以检测电池输出端电压和温度；

存储装置：根据存储的数据得到与上一时刻的电池开路电压对应的第一校正系数、与电池温度对应的第二校正系数；

计算装置：根据所述电池输出端电压、第一校正系数、第二校正系数、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

显示装置：将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

优选的，进一步包括一校准电路；

所述校准电路与所述检测装置、计算装置相连接，并根据电池开路电压的变化速率判断电池是否处于松弛状态，并在电池处于松弛状态时设置所述电池开路电压等于所述电池输出端电压。

优选的，所述存储装置对实时的电池开路电压进行存储，用以计算下一时刻的电池开路电压。

优选的，所述存储装置存储表征电池开路电压与电池电量的对应关系的数据以提供给显示装置；电池开路电压与电池电量的对应关系通过对电池进行测试得到。

优选的，所述存储装置存储通过电池测试得到的表征电池开路电压与第一校正系数的对应关系以及电池温度与所述第二校正系数的对应关系的数据。

依据本发明优选实施例的一种电池供电设备，包括充电电源、电池、用电设备，还包括依据本发明的任一项电池电量计量装置；

所述充电电源对电池进行充电以向用电设备提供电能；

所述电池电量计量装置用以计量并显示电池电量。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种用数字电路实现电量计量的方法，通过建立电池的等效模型并对电池进行一系列的测试，只需检测电池输出端电压以及工作温度再通过数字电路进行计算即可得到电池电量，电路实现比较简单同时电压检测代替电流检测能够进一步提高电量计量的精度。通过下文优选实施例的具体描述，本发明的上述和其他优点更显而易见。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1所示为依据现有技术的一种电池电量计量电路的原理框图；

图2所示为电池的等效电路模型；

图3所示为依据本发明一实施例的电池电量计量方法的流程图；

图4所示为电池的开路电压与电池电量（OCV-SOC）的关系曲线；

图5所示为依据本发明一实施例的电池电量计量装置的原理框图；

图6所示为依据本发明又一实施例的电池电量计量装置的原理框图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的几个优选实施例进行详细描述，但本发明并不仅仅限于这些实施例。本发明涵盖任何在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。为了使公众对本发明有彻底的了解，在以下本发明优选实施例中详细说明了具体的细节，而对本领域技术人员来说没有这些细节的描述也可以完全理解本发明。

目前国内外普遍采用电池的电量状态SOC来描述电池电量，用以表征电池的剩余能量。而电池的SOC除了用电设备的耗电，一般还受到电池内部压降的影响，而电池的内部压降与电池的温度以及电池开路电压的变化相关。参照图2所示的电池的等效电路模型可以看出，电池的内部结构可以等效为两个串联的可控电压源：电池的内部压降V_int和电池开路电压V_icv（Open Circuit Voltage），而电池输出端电压V_bat可以表示为两个可控电压源之和，即V_bat=V_int+V_ocv。

根据实际经验以及数据拟合，所述电池内部压降V_int和电池开路电压V_ocv以及电池温度的关系可以用第一校正系数K₁、第二校正系数K₂表示为式子（1），其中所述第一校正系数K₁与电池开路电压V_ocv具有对应关系，第二校正系数K₂与电池温度具有对应关系：

$V_{\mathrm{int}}=K_1*K_2*\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{ocv}}}{\mathrm{dt}}---\left(1\right)$

将式（1）代入电池输出端电压公式中可得到以下关于电池开路电压V_ocv的关系式：

$V_{\mathrm{ocv}}=V_{\mathrm{bat}}-K_1*K_2*\frac{{\mathrm{dV}}_{\mathrm{ocv}}}{\mathrm{dt}}---\left(2\right)$

将式子（2）进行离散化后，得到以下式子：

$V_{\mathrm{ocv}}\left(k\right)=V_{\mathrm{bat}}\left(k\right)-K_1*K_2*\frac{V_{\mathrm{ocv}}\left(k\right)-V_{\mathrm{ocv}}(k-1)}{\mathrm{\Δt}}---\left(3\right)$

其中Δt代表第k个采样时刻与第（k-1）个采样时刻之间的时间间隔。对式子（3）进行整理推导出：

$V_{\mathrm{ocv}}\left(k\right)=\frac{V_{\mathrm{bat}}\left(k\right)\mathrm{\Δt}+K_1{K}_2{V}_{\mathrm{ocv}}(k-1)}{\mathrm{\Δt}+K_1{K}_2}---\left(4\right)$

由上面的式子关系可以看出，在已知实时的电池输出端电压V_bat、上一时刻的电池开路电压V_ocv(k-1)的数值以及与之对应的第一校正系数K₁、与电池温度对应的第二校正系数K₂的情况下，即可以计算出实时的电池开路电压。

因此由上述电池等效电路模型的建立和分析可以得到电池电量的计量方法。参考图3，所示为依据本发明的电池电量的计量方法的流程图，其中包括以下步骤：

S301：检测电池输出端电压V_bat和温度；

S302：根据上一时刻的电池开路电压得到与之对应的第一校正系数K₁；

S303：根据电池温度得到与之对应的第二校正系数K₂；

S304：利用所述电池输出端电压、第一校正系数K₁、第二校正系数K₂、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

S305：将实时的电池开路电压转换为电池电量并进行显示。

其中步骤S304中可以进一步包括：对计算得到的实时的电池开路电压进行存储，用以计算下一时刻的电池开路电压。即存储计算得到的第k个采样时刻的电池开路电压V_ocv(k)，用以计算第(k+1)个采样时刻的电池开路电压V_ocv(k+1)。

由此可以看出每一时刻的电池开路电压均有上一时刻的电池开路电压计算得到，而初始时刻的电池开路电压即等于初始的电池输出端电压。

由于电池开路电压与电池电量具有一定的对应关系，而这种关系可通过对电池进行测试得到其OCV-SOC关系曲线，如图4所示的锂电池OCV-SOC关系曲线图。因此在步骤S305中，可以进一步包括以下方法：对电池进行测试，得到电池开路电压与电池电量的对应关系，并将相应的数据以对照表的形式进行存储，通过计算得知实时的电池开路电压后通过查表即得到电池电量SOC的值。

依据本发明的电量计量方法还可以进一步包括：对电池进行测试，得到所述第一校正系数K₁与所述电池开路电压的对应关系以及所述电池温度与所述第二校正系数K₂的对应关系，并将相应数据进行存储；

这样在计算的过程中根据上一时刻的电池开路电压以及检测到的电池温度，对照存储的数据既可以得到用于实时计算的第一、第二校正系数K₁、K₂。

对于所述第一校正系数K₁和第二校正系数K₂的测试可以具体采样如下做法：利用型号、性能、参数、制造工艺完全相同的同一批次的电池若干块，将其置于恒温箱中，利用高精度的万用表检测并记录电池的充放电电压和电流，对记录的数据进行数字统计分析以得到所需数据。

电池长期处于闲置不用的松弛状态后再重新使用电池时，需要对电池电量进行校准，优选的校准方法可以采用下列步骤：

检测电池开路电压V_ocv的微分值

是否小于一定的阈值，如果在一定的时间内，（一般为1.5小时~3个小时）

始终小于设定的阈值，即所述开路电压的变化速率长时间保持在设定值以下，就判定电池处于松弛状态，此时设置电池开路电压等于电池输出端电压（V_ocv(k)=V_bat(k)），以对电池电量的计量进行校准，保证电池从松弛状态转变为工作状态的初始时刻，电量显示更加精准。

由以上说明可以看出：本发明提供了一种用数字电路实现电量计量的方法，通过建立电池的等效模型并对电池进行一系列的测试，只需检测电池输出端电压以及工作温度再通过数字电路进行计算即可得到电池电量，电路实现比较简单同时无需检测放电电流。

另外，本发明还提供一种电池电量计量装置，图5中用电设备的供电电池与电池电量计量装置500相连接，所述电池电量计量装置包括：

检测装置501：用以检测电池输出端电压V_bat和温度；

存储装置502：接收所述检测装置501提供的电池温度的信息，并根据存储的数据得到与上一时刻的电池开路电压对应的第一校正系数K₁以及与电池温度对应的第二校正系数K₂；

计算装置503：接收所述检测装置501提供的电池输出端电压V_bat，并根据存储装置502提供的第一校正系数K₁、第二校正系数K₂和上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

显示装置504：与所述计算装置503相连接，将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

其中所述计算装置503和存储装置502可以实现数据的双向传输，所述计算装置503将计算得到的实时的电池开路电压的数据传输至所述存储装置502进行存储，在计算下一时刻的电池开路电压时再由所述存储装置502传输至所述计算装置503。

其中所述显示装置504还与所述存储装置502相连接，所述存储装置502存储通过电池测试得到的电池开路电压与电池电量的对应关系的数据（OCV-SOC关系曲线）并提供给所述显示装置504，以将电池开路电压转换为电池电量。

进一步的，所述存储装置502存储通过电池测试得到的表征所述第一校正系数与所述电池开路电压的对应关系以及电池温度与所述第二校正系数的对应关系的数据（具体测试方法已经在前文有所介绍，不再赘述），将数据以对照表的形式存储，以为计算装置提供计算参数。

图6所示的电池电量计量装置，是在图5所示实施例的基础上加入了一校准电路601，其与所述检测装置501和计算装置503相连接，用以在电池长期处于闲置不用的松弛状态再重新使用时对电池电量进行校准。

所述校准电路601根据电池的开路电压的变化速率判断电池是否处于松弛状态，所述开路电压的变化速率长时间保持在设定值以下，就判定电池处于松弛状态，此时所述校准电路根据检测装置501提供的电池输出端电压，对计算装置输出的电池开路电压进行设置，使其等于所述电池输出端电压（V_ocv(k)=V_bat(k)），以对电池电量的计量进行校准，保证电池从松弛状态转变为工作状态的初始时刻，电量显示更加精准。

本发明还提供一种电池供电设备，包括充电电源、电池、用电设备以及依据本发明的任一合适的电池电量计量装置；所述充电电源对电池进行充电以向用电设备提供电能；所述电池电量计量装置用以计量并显示电池电量。由此可见包括依据本发明的电池电量计量装置的供电设备也在本发明的保护范围之内。

另外，还需要说明的是，在本文中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

对所提供的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所提供的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (11)

1.一种电池电量计量方法，其特征在于，包括：

检测电池输出端电压和温度；

根据上一时刻的电池开路电压得到与之对应的第一校正系数；

根据电池温度得到与之对应的第二校正系数；

利用所述电池输出端电压、第一校正系数、第二校正系数、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

2.根据权利要求1所述的电池电量计量方法，其特征在于，进一步包括：

根据所述电池开路电压的变化速率判断电池是否处于松弛状态；

当电池处于松弛状态时，设置所述电池开路电压等于所述电池输出端电压。

3.根据权利要求1所述的电池电量计量方法，其特征在于，进一步包括：对实时的电池开路电压进行存储，用以计算下一时刻的电池开路电压。

4.根据权利要求1所述的电池电量计量方法，其特征在于，进一步包括：对电池进行测试，得到电池开路电压与电池电量的对应关系，并据此将实时的电池开路电压转换为电池电量。

5.根据权利要求1所述的电池电量计量方法，其特征在于，进一步包括：对电池进行测试，得到所述第一校正系数与所述电池开路电压的对应关系以及所述第二校正系数与所述电池温度的对应关系。

6.一种电池电量计量装置，其特征在于，包括：

检测装置：用以检测电池输出端电压和温度；

存储装置：根据存储的数据得到与上一时刻的电池开路电压对应的第一校正系数、与电池温度对应的第二校正系数；

计算装置：根据所述电池输出端电压、第一校正系数、第二校正系数、上一时刻的电池开路电压以及与上一时刻的时间间隔计算实时的电池开路电压；

显示装置：将实时的电池开路电压转换为电池电量进行显示。

7.根据权利要求6所述的电池电量计量装置，其特征在于，进一步包括一校准电路；

所述校准电路与所述检测装置、计算装置相连接，并根据电池开路电压的变化速率判断电池是否处于松弛状态，并在电池处于松弛状态时设置所述电池开路电压等于所述电池输出端电压。

8.根据权利要求6所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述存储装置对实时的电池开路电压进行存储，用以计算下一时刻的电池开路电压。

9.根据权利要求6所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述存储装置存储表征电池开路电压与电池电量的对应关系的数据以提供给显示装置；电池开路电压与电池电量的对应关系通过对电池进行测试得到。

10.根据权利要求6所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述存储装置存储通过电池测试得到的表征电池开路电压与第一校正系数的对应关系以及电池温度与所述第二校正系数的对应关系的数据。

11.一种电池供电设备，包括充电电源、电池、用电设备，其特征在于，包括权利要求6-10任一项所述的电池电量计量装置；

所述充电电源对电池进行充电以向用电设备提供电能；

所述电池电量计量装置用以计量并显示电池电量。

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