CN105785269A - 一种电池电量计量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种电池电量计量系统及方法，该系统包括：电池参数获取模块和控制模块；其中，所述电池参数获取模块，用于获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；所述控制模块，用于根据电池参数获取模块获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；以及根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对所述电池参数获取模块进行控制。本发明实施例根据电池电压、电池电流和电池温度中的一种或多种获取电池电量，从而能够准确获取电池的剩余电量，提高了用户体验度。

Description

一种电池电量计量系统及方法

技术领域

本发明涉及电池电量计量技术，尤其涉及一种电池电量计量系统及方法。

背景技术

对于电子设备而言，电池电量指示的准确性变得越来越重要，消费者需要精确的了解到电子产品还能正常工作多长时间，而简单的三段式电量指示准确度较低，已远远不能满足用户的需求。

发明内容

有鉴于此，为解决现有存在的技术问题，本发明实施例提供：

一种电池电量计量系统，包括：电池参数获取模块和控制模块；其中，

所述电池参数获取模块，用于获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

所述控制模块，用于根据电池参数获取模块获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；以及根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对所述电池参数获取模块进行控制。

一具体实施例中，所述电池参数获取模块包括：模拟信号采集单元、模数转换单元和数字逻辑执行单元；其中，

所述模拟信号采集单元，用于采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

所述模数转换单元，用于将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

所述数字逻辑执行单元，用于对所述数字信号进行校准并存储；以及根据控制模块的控制命令对模拟信号采集单元的硬件电路进行控制。

一具体实施例中，所述模拟信号采集单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一分压电阻、第二分压电阻、采样电阻、第一电阻、第二电阻和运算放大器；其中，

第一开关与第二电阻并联，且两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端；

采样电阻一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关一端连接电池负极，另一端连接第一电阻；

第二开关的两端分别连接第一电阻的另一端和运算放大器的反相输入端；

第三开关的一端连接于第四开关和第一电阻之间，另一端接地；

第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于电池正极和地之间；

第五开关、第六开关、第七开关和第八开关分别有一端连接运算放大器的正向输入端，第五开关的另一端连接电流通道参考电压，第六开关的另一端连接于第一分压电阻的第二分压电阻之间，第七开关的另一端连接温度通道电压，第八开关的另一端连接校准通道参考电压。

一具体实施例中，数字逻辑执行单元具体用于：

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关、第六开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关、第七开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关、第四开关、第五开关闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。

本发明实施例还提供一种电池电量计量方法，包括：

获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

根据所述获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制。

一具体实施例中，所述获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度，包括：

采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

对所述数字信号进行校准并存储。

一具体实施例中，采集模拟信号的电路包括：

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一分压电阻、第二分压电阻、采样电阻、第一电阻、第二电阻和运算放大器；其中，

第一开关与第二电阻并联，且两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端；

采样电阻一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关一端连接电池负极，另一端连接第一电阻；

第二开关的两端分别连接第一电阻的另一端和运算放大器的反相输入端；

第三开关的一端连接于第四开关和第一电阻之间，另一端接地；

第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于电池正极和地之间；

第五开关、第六开关、第七开关和第八开关分别有一端连接运算放大器的正向输入端，第五开关的另一端连接电流通道参考电压，第六开关的另一端连接于第一分压电阻的第二分压电阻之间，第七开关的另一端连接温度通道电压，第八开关的另一端连接校准通道参考电压。

一具体实施例中，所述根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制，包括：

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关、第六开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关、第七开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关、第四开关、第五开关闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。

本发明实施例所述的电池电量计量系统及方法，该系统包括：电池参数获取模块和控制模块；其中，所述电池参数获取模块，用于获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；所述控制模块，用于根据电池参数获取模块获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；以及根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对所述电池参数获取模块进行控制。本发明实施例根据电池电压、电池电流和电池温度中的一种或多种获取电池电量，从而能够准确获取电池的剩余电量，提高了用户体验度。

附图说明

图1为本发明实施例一种电池电量计量系统结构示意图；

图2为本发明实施例一电池参数获取模块的详细结构示意图；

图3为本发明实施例一模拟信号采集单元详细结构示意图；

图4为本发明实施例一种电池电量计量方法流程示意图；

图5为本发明实施例一种获取电池参数的流程示意图；

图6为本发明实施例1中锂电池电量计量系统的实现框图；

图7为本发明实施例1中电量计量系统的工作模式控制状态示意图；

图8为本发明实施例1中电量计量系统在采样电池电流时的buffer连接方式；

图9为本发明实施例1一种电量计量流程示意图。

具体实施方式

通常条件下，电量计量系统不间断的检测电池的剩余电量和工作状态，并将计量结果上报。精确的电量计量需要考虑到电池电压、充放电电流速率、电池温度、自放电率和电池使用时间等多种因素。电量计可以工作在电池侧也可以工作在系统侧。

基于上述考虑，为了精确监控电池的剩余电量和工作状态，本发明实施例提供了一种电池电量计量系统，如图1所示，该系统包括：电池参数获取模块11和控制模块12；其中，

所述电池参数获取模块11，用于获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

所述控制模块12，用于根据电池参数获取模块11获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；以及根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对所述电池参数获取模块进行控制。

一具体实施例中，如图2所示，所述电池参数获取模块11包括：模拟信号采集单元111、模数转换单元112和数字逻辑执行单元113；其中，

所述模拟信号采集单元111，用于采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

所述模数转换单元112，用于将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

所述数字逻辑执行单元113，用于对所述数字信号进行校准并存储；以及根据控制模块的控制命令对模拟信号采集单元111的硬件电路进行控制。具体的，数字逻辑执行单元产生硬件电路的控制信号和校准(offset)信号，计算校准后的电池电压、电流和温度，并完成用户寄存器(UserRegister)的存储和读取。

需要说明的是，控制模块可以根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，调整电量计硬件电路的工作状态(如关闭模式、正常模式、休眠模式等)。

一具体实施例中，如图3所示，所述模拟信号采集单元111包括：第一开关S1、第二开关S2、第三开关S3、第四开关S4、第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7、第八开关S8、第一分压电阻RFB1、第二分压电阻RFB2、采样电阻R_sense、第一电阻R1、第二电阻R2和运算放大器AMP；其中，

第一开关S1与第二电阻R2并联，且两端分别连接运算放大器AMP的反相输入端和输出端；

采样电阻R_sense一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关S4一端连接电池负极，另一端连接第一电阻R1；

第二开关S2的两端分别连接第一电阻R1的另一端和运算放大器AMP的反相输入端；

第三开关S3的一端连接于第四开关S4和第一电阻R1之间，另一端接地；

第一分压电阻RFB1和第二分压电阻RFB2串联连接于电池正极和地之间；

第五开关S5、第六开关S6、第七开关S7和第八开关S8分别有一端连接运算放大器AMP的正向输入端，第五开关S5的另一端连接电流通道参考电压V_{curr_ref}，第六开关S6的另一端连接于第一分压电阻RFB1的第二分压电阻RFB2之间，第七开关S7的另一端连接温度通道电压V_temp，第八开关S8的另一端连接校准通道参考电压V_{ofst_ref}。

需要说明的是，该系统还可包括外置的抗混叠滤波器，分别连接与电池的正极、负极、和NTC/ID端口(位于与电池串联的精密电阻上)，对应于电池电压通道、电池电流通道、电池温度通道，滤除高频噪声和干扰。

一具体实施例中，数字逻辑执行单元113具体用于：

根据控制模块12的控制命令，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关S1、第六开关S6闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据控制模块12的控制命令，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关S1、第七开关S7闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据控制模块12的控制命令，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关S2、第四开关S4、第五开关S5闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。

本发明实施例还相应地提出而了一种电池电量计量方法，如图4所示，该方法包括：

步骤41：获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

步骤42：根据所述获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；

步骤43：根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制。

一具体实施例中，如图5所示，所述获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度，包括：

步骤51：采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

步骤52：将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

步骤53：对所述数字信号进行校准并存储。

一具体实施例中，参考图3，采集模拟信号的电路包括：

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一分压电阻、第二分压电阻、采样电阻、第一电阻、第二电阻和运算放大器；其中，

第一开关与第二电阻并联，且两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端；

采样电阻一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关一端连接电池负极，另一端连接第一电阻；

第二开关的两端分别连接第一电阻的另一端和运算放大器的反相输入端；

第三开关的一端连接于第四开关和第一电阻之间，另一端接地；

第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于电池正极和地之间；

第五开关、第六开关、第七开关和第八开关分别有一端连接运算放大器的正向输入端，第五开关的另一端连接电流通道参考电压，第六开关的另一端连接于第一分压电阻的第二分压电阻之间，第七开关的另一端连接温度通道电压，第八开关的另一端连接校准通道参考电压。

一具体实施例中，所述根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制，包括：

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关、第六开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关、第七开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关、第四开关、第五开关闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。

需要说明的是，锂离子电池和锂聚合物电池是最广泛应用的两种锂电池，拥有高能量密度的特点，需要精确的充放电控制，以防止电池损害并达到最佳工作状态，本发明实施例所述的方案即可应用于锂电池。

下面通过具体实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。

实施例1

因为锂离子电池和锂聚合物电池被广泛的应用于电子设备中，对其剩余电量进行精确计量，可使用户获得最佳的体验效果，本实施例即以对锂电池进行电量计量为例进行说明。

图6所示为本发明实施例1中锂电池电量计量系统的实现框图，如图6所示，本实施例中，电池参数获取模块由IC电路实现，控制模块由微处理器实现，另外，该系统还包括用户界面，用于向用户展示电池电量信息，以及接收用户操作信息。

图6中，IC电路部分通过检测与锂电池串联的精密电阻上的压降以监测电池的充放电电流，并同时检测电池两端的电压和电池温度等信息，微处理器读取硬件数据，并完成电池电量的计算和校准，该锂电池电量计量系统可提供锂电池充放电状态、续航时间、剩余电量、电池电压、电池温度等信息。

图7所示为本发明实施例1中电量计量系统的工作模式控制状态示意图，如图7所示，在通电复位(PoweronReset，POR)阶段，电量计量系统初始化，进入关闭模式(offmode)，等待启动命令。当接收到启动命令后，复位数字寄存器，并进入到启动(normalmode)。如果是首次启动，在normalmode中先执行一次校准，待校准完成后，再自动进行正常的电池信息转换。当电池的放电电流小于预设值并持续预设时间后，电量计量系统可以选择进入休眠模式(sleepmode)，以降低功率消耗。

本实施例中，电量计量系统的IC电路部分如图3所示，该IC电路主要实现电压放大、共模电平的提升、和offset校准功能，并为各个通道提供足够的驱动能力。在normalmode或者sleepmode下，电池信息的采样过程相同。电池电压采样时：S1、S6闭合，S2-S5，S7-S8断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力。电池温度采样时：S1、S7闭合，S2-S6，S8断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力。电池电流采样时：S2、S4、S5闭合，S1、S3、S6-S8断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力，同时将采样电阻两端的压降进行放大和电平提升，使信号放大到模数转换器的输入范围内。

在采样电池电流时，只要保证设置vref大于Rsense两端压降的最大值，模拟信号采集单元既可以测量到正电压也可以采样到负电压值，参见图8。

$V_{\mathrm{out}}=V_{\mathrm{ref}}+\frac{V_{\mathrm{ref}}-V_{\mathrm{sense}}}{R_1}\×R_2=V_{\mathrm{ref}}\×(1+\frac{R_2}{R_1})-\frac{R_2}{R_1}\×V_{\mathrm{sense}}.$

本实施例中，电量计量系统在初始化阶段，会控制模拟信号采集单元依次采样电池电压、充放电电流和电池温度作为充电状态(StateOfCharge，SOC)初始值，以便进行后续计算。通过对于电池当前电压值的比较，判断电池是否工作在安全区域。如果电池当前电压高于上限电压(例如4.35V)或者低于下限电压(例如3.25V)，则终止后续操作，并上报操作系统。如果处于正常工作状态，则进入正常的SOC计算过程。先进行计算周期判断，是否满足判断条件取决于系统工作状态。如果不满足，则等待，如果满足，则再一次读取电池温度，以确定是否需要更新电池参数列表。结合电量计量系统的前状态和现状态，决定电池电量的具体计算方式，并更新SOC和放电深度(DOD)的计算结果。如果DOD已经大于85％，则更新电池循环次数结果，记录电池老化程度。最后更新电池当前工作状态，产生硬件电路的控制信号，生成下周期计算时间。下周期电量计算过程将重复以上过程。基于上述描述，本实施例一种电量计量流程参见图9。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种电池电量计量系统，其特征在于，该系统包括：电池参数获取模块和控制模块；其中，

所述电池参数获取模块，用于获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

所述控制模块，用于根据电池参数获取模块获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；以及根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对所述电池参数获取模块进行控制。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电池参数获取模块包括：模拟信号采集单元、模数转换单元和数字逻辑执行单元；其中，

所述模拟信号采集单元，用于采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

所述模数转换单元，用于将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

所述数字逻辑执行单元，用于对所述数字信号进行校准并存储；以及根据控制模块的控制命令对模拟信号采集单元的硬件电路进行控制。

3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于，所述模拟信号采集单元包括：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一分压电阻、第二分压电阻、采样电阻、第一电阻、第二电阻和运算放大器；其中，

第一开关与第二电阻并联，且两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端；

采样电阻一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关一端连接电池负极，另一端连接第一电阻；

第二开关的两端分别连接第一电阻的另一端和运算放大器的反相输入端；

第三开关的一端连接于第四开关和第一电阻之间，另一端接地；

第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于电池正极和地之间；

第五开关、第六开关、第七开关和第八开关分别有一端连接运算放大器的正向输入端，第五开关的另一端连接电流通道参考电压，第六开关的另一端连接于第一分压电阻的第二分压电阻之间，第七开关的另一端连接温度通道电压，第八开关的另一端连接校准通道参考电压。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，数字逻辑执行单元具体用于：

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关、第六开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关、第七开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据控制模块的控制命令，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关、第四开关、第五开关闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。

5.一种电池电量计量方法，其特征在于，该方法包括：

获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度；

根据所述获取的电池参数，以及预设的算法计算电池电量信息；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述获取以下至少一种电池参数：电池电压、电池电流和电池温度，包括：

采集以下至少一种模拟信号：电池电压、电池电流和电池温度；

将所述模拟信号采集单元采集的模拟信号转换为数字信号；

对所述数字信号进行校准并存储。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，采集模拟信号的电路包括：

第一开关、第二开关、第三开关、第四开关、第五开关、第六开关、第七开关、第八开关、第一分压电阻、第二分压电阻、采样电阻、第一电阻、第二电阻和运算放大器；其中，

第一开关与第二电阻并联，且两端分别连接运算放大器的反相输入端和输出端；

采样电阻一端连接电池负极，另一端接地；

第四开关一端连接电池负极，另一端连接第一电阻；

第二开关的两端分别连接第一电阻的另一端和运算放大器的反相输入端；

第三开关的一端连接于第四开关和第一电阻之间，另一端接地；

第一分压电阻和第二分压电阻串联连接于电池正极和地之间；

第五开关、第六开关、第七开关和第八开关分别有一端连接运算放大器的正向输入端，第五开关的另一端连接电流通道参考电压，第六开关的另一端连接于第一分压电阻的第二分压电阻之间，第七开关的另一端连接温度通道电压，第八开关的另一端连接校准通道参考电压。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息对电池参数获取进行控制，包括：

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电压采样时，控制第一开关、第六开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池电压通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池温度采样时，控制第一开关、第七开关闭合，其他开关均断开，电路连接成单位增益放大器形式，为电池温度通道提供驱动能力；

根据预设的控制算法，以及所述电池参数和/或电池电量信息，确定需要进行电池电流采样时，控制第二开关、第四开关、第五开关闭合，其他开关均断开，电路连接成加法器形式，为电池电流通道提供驱动能力。