CN107196374B - 电池电量指示电路和方法以及电池管理集成电路 - Google Patents

Abstract

公开了一种电池电量指示电路和方法以及电池管理集成电路。通过获取一个表征电池内阻和导线电阻导致的电压降的补偿电压，将补偿电压转换为补偿电流后，在补偿电流的补偿下比较预定的多个阈值电压和电池工作电压，从而可以以较为简单的电路实现电池内阻和导线上的电压的补偿。由此，本发明实施例的技术方案可以以简单的电路结构实现对于电池电量的精确指示。

Description

电池电量指示电路和方法以及电池管理集成电路

技术领域

本发明涉及电力电子技术，具体涉及一种电池电量指示电路和方法以及电池管理集成电路。

背景技术

电池管理电路通常需要向用户指示电池电量信息。电池电量信息可以通过电池的开路电压来衡量。在现有技术中，通过检测电池电压，并将其与预定的阈值电压比较来获取电池电量的信息。但是，在电池充放电过程中，相同的电池管理集成电路通常需要处理不同型号在不同的充放电电流条件下的电池电量。由于电池内阻的存在，采集到的电池电压并不是电池的实际开路电压，因此，电池电量指示会不准确。虽然可以通过采集电池的平均充放电电流，与电池内阻以及导线阻抗一起计算补偿值对采集获得的电池工作电压进行补偿，但是目前的实现方式都比较繁琐，电路结构复杂。

进一步地，在电池实际充放电过程中，采集获得的电池电压可能会出现跳变。例如，由于电池内阻以及电池到检测电路的导线电阻导致电池从不充电切换为充电的时刻会产生电池电压的跳变。这也会导致对于电池电量指示的混乱。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电池电量指示电路和方法以及电池管理集成电路，以简单的电路结构实现对于电池电量的精确指示。

根据本发明的第一方面，提供一种电池电量指示电路，包括：

补偿电路，用于将补偿电压转换为对应的补偿电流，所述补偿电压用于表征电池内阻以及导线电阻导致的电压降；以及

阈值比较电路，在所述补偿电流的补偿下以分时方式分别将多个的阈值电压与电池工作电压比较输出指示信号；

其中，所述阈值比较电路用于根据所述补偿电流偏置所述阈值电压或所述电池工作电压以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降，所述指示信号用于指示电池电量。

优选地，所述电池电量指示电路包括：

补偿电压获取电路，包括与电池充放电管理电路的电流设置端口串联连接的第一电阻和第二电阻；所述第二电阻的两端电压作为所述补偿电压，所述第一电阻和所述第二电阻还用于设置电池充放电控制电路输出的电池工作电流。

优选地，所述补偿电路包括：

转换电路，用于将补偿电压转换为对应的第一电流；以及

第一电流镜，根据所述第一电流生成对应的补偿电流输出到所述阈值比较电路。

优选地，所述阈值比较电路包括：

多路选择器，输入多个所述阈值电压并根据时钟信号顺序择一输出；

电流偏置比较器，适于根据输入的补偿电流偏置所述多路选择器的输出电压或所述电池工作电压后进行比较，输出比较结果。

优选地，所述电流偏置比较器在一侧输入端对应的电路设置有偏置电阻以实现所述偏置。

优选地，所述电流偏置比较器包括：

电流源，与补偿电流输入端连接；

第一晶体管，栅极连接到所述电流偏置比较器的一个输入端；

第二晶体管，栅极连接到所述电流偏置比较器的另一个输入端，源极与所述补偿电流输入端连接；

第二电流镜，输入端与所述第一晶体管的漏极连接，输出端与所述第二晶体管的漏极连接；以及

偏置电阻，连接在所述第一晶体管的源极和所述补偿电流输入端之间。

优选地，所述阈值比较电路还包括：

采样保持电路，在所述比较结果在一个时钟周期内保持预定时间时将所述比较结果转换为指示信号输出。

优选地，所述电池电量指示电路还包括：

LED解码电路，用于将指示信号解码为LED显示信号；

其中，所述指示信号包括多个阈值电压分别与电池工作电压比较的结果，所述LED解码电路在存在相互冲突的结果时，根据较大的阈值电压对应的比较结果来生成LED显示信号。

根据本发明的第二方面，提供一种电池管理集成电路，用于进行电池充放电管理和电量指示，所述电池管理集成电路包括：

电池充放电管理电路，具有电流设置端口和适于连接到电池的输出端口；以及

如上所述的电池电量指示电路；

其中，所述电池电量指示电路适于通过共用所述电流设置端口连接的电流设置电路获取所述补偿电压。

根据本发明的第三方面，提供一种电池电量指示方法，包括：

将补偿电压转换为对应的补偿电流，所述补偿电压用于表征电池内阻以及导线电阻导致的电压降；以及

在所述补偿电流的补偿下以分时方式将多个的阈值电压分别与电池工作电压比较输出指示信号；

其中，根据所述补偿电流偏置所述阈值电压或所述电池工作电压以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降，所述指示信号用于指示电池电量。

优选地，所述方法还包括：

获取电池充放电管理电路的电流设置电路中的电压作为所述补偿电压。

通过获取一个表征电池内阻和导线电阻导致的电压降的补偿电压，将补偿电压转换为补偿电流后，在补偿电流的补偿下比较预定的多个阈值电压和电池工作电压，从而可以以较为简单的电路实现对电池内阻和导线电阻导致的电压降进行补偿。由此，本发明实施例的技术方案可以以简单的电路结构实现对于电池电量的精确指示。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的电池管理集成电路的示意图；

图2是本发明实施例的电池电量指示电路的电路图；

图3是本发明实施例的电流偏置比较器的一个实现方式的电路图；

图4是本发明实施例的电池电量指示方法的流程图。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

同时，应当理解，在以下的描述中，“电路”是指由至少一个元件或子电路通过电气连接或电磁连接构成的导电回路。当称元件或电路“连接到”另一元件或称元件/电路“连接在”两个节点之间时，它可以是直接耦接或连接到另一元件或者可以存在中间元件，元件之间的连接可以是物理上的、逻辑上的、或者其结合。相反，当称元件“直接耦接到”或“直接连接到”另一元件时，意味着两者不存在中间元件。

除非上下文明确要求，否则整个说明书和权利要求书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

图1是本发明实施例的电池管理集成电路的示意图。如图1所示，本实施例的电池管理电路包括电池充放电管理电路1、电池电量指示电路2和电流设置电路3。其中，电池充放电管理电路1具有电流设置端口cs和输出端口out。输出端口out连接到电池B。电池B可以等效为一个理想电池b和电阻Rs的串联电路。其中，电阻Rs由电池的内阻以及电池内部以及外部的电路板导线电阻决定。为了精确地指示电池电量(也即，精确地获取理想电池b的开路电压)，需要能够获取电阻Rs上的电压降。电流设置端口cs适于连接到电流设置电路3。电流设置电路3用于设置输出端口out的输出电流。电池充放电管理电路1实际上是一个具有控制器的功率变换器，用于将来自输入端(图中未示出)的能量按照设置转换为预定的输出电流输出到电池B。在现有技术中，电池设置电路3通常为一个电阻。通过改变该电阻的阻值，可以改变电池充放电管理电路1的输出电流的期望值。同时，流过电阻的电流与流向电池B的输出电流Ib成比例。由此，在本实施例中，利用电池充放电管理电路1的该特点来获取表征电阻R上的电压降的补偿电压。具体地，在本实施例中，电流设置电路3设置为包括两个串联在电流设置端口cs和接地端之间的电阻R1和R2。通过改变电阻R1和R2的阻值之和，就可以对电池充放电管理电路1的输出电流Ib进行设置。同时，将电阻R2的阻值设置为与电阻Rs的阻值对应，由此，可以使得电阻R2两端的电压Vc＝Ics*R2可以表征电阻Rs两端的电压Ib*Rs成比例。进而，可以采用电阻R2的两端电压作为补偿电压Vc表征由于电池内阻以及导线电阻导致的电压降。也就是说，在本实施例中，电阻R1和R2作为电流设置电路使用的同时，还用作为电池电量指示电路2的补偿电压获取电路24。

通过本实施例的方式来获取补偿电压Vc不需要在集成电路以外额外增加进行处理的电路或单片机。而且，也不需要在集成电路内另外增加电路来采集电池充电电电流Ib。因此，可以有效地减少集成电路的管脚数量，简化电路结构，减小集成电路面积。

应理解，上述为获取补偿电压Vc的优选方式，本领域技术人员也可以通过其它方式来获取补偿电压Vc。

在获取到补偿电压Vc后，需要将根据补偿电压Vc对电池工作电压VB进行补偿。该补偿可以通过将补偿电压Vc反相叠加到电池工作电压VB上或叠加到进行比较的阈值电压上来进行。但是，由于进行电压叠加的电路结构非常复杂，因此，直接进行电压的叠加会增加电路规模。本实施例采用将补偿电压Vc转换为补偿电流Ic的方式来进行补偿，从而可以简化电池电量指示电路2的结构。

电池电量指示电路2包括补偿电路21和阈值比较电路22。其中，补偿电路21用于将补偿电压Vc转换为对应的补偿电流Ic，并输出到阈值比较电路22。阈值比较电路22在补偿电流Ic的补偿下以分时方式将多个的阈值电压Vref1-Vref4分别与电池工作电压VB比较输出指示信号DATA。阈值比较电路22适于根据补偿电流Ic偏置阈值电压Vref1-Vref4或电池工作电压VB以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降。这种方式在本领域可以通过多种方式实现，其优点在于电路结构简单。同时，通过时分方式来进行比较使得只需要使用一个比较器件就能完成所有的比较，与阈值电压的数量无关。这可以进一步地减小电路的规模。指示信号DATA可以是串行信号也可以是并行信号，其包括阈值电压Vref1-Vref4分别与电池工作电压VB比较所获得的结果。该结果可以用于指示电池开路电压所在的范围，从而指示电池电量。应理解，在本实施例中示例性地通过四个阈值电压Vref1-Vref4将电池电量分为5档，本领域技术人员可以根据实际应用场景和需要设置阈值电压的数量。

优选地，在通过LED来进行电量指示时，电池电量指示电路2还可以包括LED解码电路23，用于将指示信号DATA解码为对应的LED显示信号LED1-LED4以驱动对应的LED点亮或熄灭，从而以用户可见的方式指示电池电量。

在本实施例中，电池电量指示电路2的部分电路可以与电池充放电管理电路1集成在同一个电池管理集成电路中，从而不需要增加过多的管脚和电路规模就可以将电池电量指示的功能集成在电池管理集成电路中。

通过获取一个表征电池内阻和导线电阻导致的电压降的补偿电压，将补偿电压转换为补偿电流后，在补偿电流的补偿下比较预定的多个阈值电压和电池工作电压，从而可以以较为简单的电路实现电池内阻和导线电阻导致的电压降的补偿。由此，本发明实施例的技术方案可以以简单的电路结构实现对于电池电量的精确指示。

图2是本发明实施例的电池电量指示电路的电路图。如图2所示，在本实施例的电池电量指示电路2中，补偿电路21包括转换电路21a和电流镜21b。其中，转换电路21a用于根据补偿电压Vc生成一个对应的电流I1。电流镜21b用于将电流I1复制到输出端，从而可以方便地向阈值比较电路1输出补偿电流Ic。具体地，转换电路21a包括晶体管M1、电阻R3和R4以及误差放大器EA1。误差放大器EA1的一个输入端(图2中为同相输入端)输入补偿电压Vc。另一个输入端连接到电阻R4和R3的公共端。晶体管M1采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)，其栅极与误差放大器EA1的输出端连接，源极与电阻R4连接，漏极与电流镜21b的输入端连接。电阻R4和R3按顺序串联连接在晶体管M1的源极和接地端之间。由此，上述部件形成一个受控电流源，其通过电阻R3采样流过晶体管M1的电流，并通过误差放大器EA1来控制晶体管M1使得流过的电流I1与补偿电压Vc相对应。在本实施例中，设置两个电阻的目的在于通过调节R3可以调节电流I1的大小以方便后续电路参数的设置。电流镜21b包括晶体管M2和M3。其中，晶体管M2和M3的栅极相互连接。晶体管M2的漏极与晶体管M1的漏极连接。同时，晶体管M2的漏极还与自身的栅极连接。晶体管M3的漏极与电流镜的输出端连接。晶体管M2和晶体管M3的源极均连接到上拉电源。电流镜21b将输入端一侧的电流I1复制到输出端，生成一个适于向阈值比较电路22输出的补偿电流Ic。应理解，图2所示的电路仅为示例，本领域技术人员可以采用其它的电路结构来实现相同的功能。同时，本领域技术人员也可以根据应用场景的需要改变所使用的器件类型。

在图2中，阈值比较电路22包括多路选择器22a、电流偏置比较器CMP1和采样保持电路22b。多路选择器22a输入阈值电压Vref1-Vref4，并根据时钟信号clk在不同的时钟周期将所述阈值电压择一输出。例如，根据输入的具有预定频率的时钟信号clk，多路选择器22a在第一时钟周期选通输出阈值电压Vref1，在随后的第二时钟周期选通输出阈值电压Vref2，在第三时钟周期选通输出阈值电压Vref3，在第四时钟周期选通输出阈值电压Vref4。然后，进入下一个循环，在第五时钟周期再次选通输出阈值电压Vref1，依此循环。

电流偏置比较器CMP1适于根据输入的补偿电流Ic偏置多路选择器22a的输出电压Vrefn或电池工作电压VB后进行比较，并输出比较结果。具体地，在本实施例中电流偏置比较器CMP1在一侧输入端对应的内部电路设置偏置电阻Rb以实现所述偏置。通过在比较器中将两侧电路设置为不对称就可以引入偏置，这种偏置用电流的方式来引入是较为容易实现的。图3是本发明实施例的电流偏置比较器的一个实现方式的电路图。在图3所示的电流偏置比较器CMP1中，通过在阈值电压Vrefn一侧引入偏置来对电池内阻以及导线电阻导致的电压降进行补偿。如图3所示，电流偏置比较器CMP1包括晶体管M4、M5、M6和M7、电流源I2和偏置电阻Rb。其中，晶体管M7和M6组成一个电流镜。晶体管M4栅极连接到电流偏置比较器CMP1的一个输入端。在图3中，晶体管M4的栅极与多路选择器22a的输出端连接，接收阈值电压Vrefn，n＝1,2,3,4。晶体管M4的源极与偏置电阻Rb连接。偏置电阻Rb的另一端连接到补偿电流输入端c。晶体管M4的漏极与电流镜的输入端连接。晶体管M5的源极和漏极则分别与补偿电流输入端c以及电流镜的输出端(也即比较器的输出端o)连接。电流源I2设置在上拉电源和补偿电流输入端c之间。可见，如果不设置偏置电阻Rb，则上述元件构成的是一个普通的比较器电路。在平衡态，晶体管M4和M5的栅极电压相等，流过两个晶体管的电流相同，电流镜将输入端的电流复制到输出端。如果晶体管M4的栅极电压低于晶体管M5的栅极电压，则经由电流镜复制到晶体管M5一侧的电流偏大，使得晶体管M5的漏极电压下拉为低电平。如果晶体管M4的栅极电压高于晶体管M5的栅极电压，则经由电流镜复制到晶体管M5一侧的电流偏小，这会将晶体管M5的漏极电压上拉为高电平。由此，可以实现比较的功能。在图3所示的电路中，偏置电阻Rb的引入使得晶体管M4的源极电压与晶体管M5的源极电压不同，从而可以实现对晶体管M4一侧输入的栅极电压引入偏置。该偏置与偏置电阻Rb上的电压降相关，使得与电池工作电压VB比较的标的变为Vrefn+(1/2)*Ic*Rb。通过配置电阻R2、R3以及Rb的参数，就可以有效地使得(1/2)*Ic*Rb等于电阻Rs两端的电压，从而对其进行补偿。

如前所述，多路选择器22a根据时钟信号在不同的时钟周期将不同的阈值电压Vref1-Vref4输出到电流偏置比较器CMP1的输入端。由此，电流偏置比较器CMP1在不同的时钟周期内将对应的阈值电压Vrefn偏置后与电池工作电压VB比较，输出比较结果。该结果呈现为一个串行信号。每四个时钟周期的比较结果可以构成一个指示信号单元，显示电池开路电压Vb位于阈值电压Vref1-Vref4分隔的那个区间内。

进一步地，为了避免由于噪声或电池工作状态切换导致的电压跳变影响电量指示的准确性，本实施例设置采样保持电路22b。采样保持电路22b根据所述时钟信号采样获取不同的阈值电压与所述电池工作电压的比较结果并转换为指示信号输出。具体地，采样保持电路22b在一个时间周期内的比较结果信号保持不变持续预定时间(例如0.5s)时将该结果采样并输出。由此，可以避免出段时间的电压跳变导致比较结果错误。采样保持电路22b可以不改变输入的信号形式，仍然以串行信号形式输出，也可以锁存每四个周期的比较结果后以并行方式输出。

进一步地，通过改进LED解码电路的工作逻辑，可以消除某些持续时间较长的电池工作电压跳变所导致的负面影响。在本实施例中，LED解码电路在存在相互冲突的结果时，以较大的阈值电压的比较结果为准。例如，对于满足Vref1<Vref2<Vref3<Vref4的四个阈值电压。电池工作电压VB与阈值电压Vref4比较的结果具有最高判定权限，与阈值电压Vref3比较的结果、与阈值电压Vref2比较的结果以及与阈值电压Vref1比较的结果的判定权限由高至低排列。在指示信号指示Vb>Vref4，同时又指示Vb<Vref3时，两个比较结果矛盾，此时，根据优先级，以与较大的阈值电压比较的结果为准，也即，按照Vb>Vref4来生成LED显示信号。由此，可以避免由于电池工作电压跳变导致LED闪烁。

图4是本发明实施例的电池电量指示方法的流程图。如图4所示，所述方法包括：

步骤S100、获取电池充放电管理电路的电流设置电路中的电压作为补偿电压。所述补偿电压用于表征电池内阻以及导线电阻导致的电压降。

应理解，本步骤并非必须，本领域技术人员也可以采用其它方式来获取补偿电压。

步骤S200、将补偿电压转换为对应的补偿电流。

步骤S300、在所述补偿电流的补偿下以分时方式将多个的阈值电压分别与电池工作电压比较输出指示信号。

其中，根据所述补偿电流偏置所述阈值电压或所述电池工作电压以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降，所述指示信号用于指示电池开路电压。

本实施例通过获取一个表征电池内阻和导线电阻导致的电压降的补偿电压，将补偿电压转换为补偿电流后，在补偿电流的补偿下比较预定的多个阈值电压和电池工作电压，从而可以以较为简单的电路实现电池内阻和导线上的电压降的补偿。由此，本发明实施例的技术方案可以以简单的电路结构实现对于电池电量的精确指示。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电池电量指示电路，包括：

补偿电路，用于将补偿电压转换为对应的补偿电流，所述补偿电压用于表征电池内阻以及导线电阻导致的电压降；以及

阈值比较电路，在所述补偿电流的补偿下以分时方式分别将多个的阈值电压与电池工作电压比较输出指示信号；

其中，所述阈值比较电路用于根据所述补偿电流偏置所述阈值电压或所述电池工作电压，以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降，所述指示信号用于指示电池电量。

2.根据权利要求1所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述电池电量指示电路包括：

补偿电压获取电路，包括与电池充放电管理电路的电流设置端口串联连接的第一电阻和第二电阻；所述第二电阻的两端电压作为所述补偿电压，所述第一电阻和所述第二电阻还用于设置电池充放电控制电路输出的电池工作电流。

3.根据权利要求1所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述补偿电路包括：

转换电路，用于将补偿电压转换为对应的第一电流；以及

第一电流镜，根据所述第一电流生成对应的补偿电流输出到所述阈值比较电路。

4.根据权利要求1所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述阈值比较电路包括：

多路选择器，输入多个所述阈值电压并根据时钟信号顺序择一输出；

电流偏置比较器，适于根据输入的补偿电流偏置所述多路选择器的输出电压或所述电池工作电压后进行比较，输出比较结果。

5.根据权利要求4所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述电流偏置比较器在一侧输入端对应的电路设置有偏置电阻以实现所述偏置。

6.根据权利要求5所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述电流偏置比较器包括：

电流源，与补偿电流输入端连接；

第一晶体管，栅极连接到所述电流偏置比较器的一个输入端；

第二晶体管，栅极连接到所述电流偏置比较器的另一个输入端，源极与所述补偿电流输入端连接；

第二电流镜，输入端与所述第一晶体管的漏极连接，输出端与所述第二晶体管的漏极连接；以及

偏置电阻，连接在所述第一晶体管的源极和所述补偿电流输入端之间。

7.根据权利要求4所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述阈值比较电路还包括：

采样保持电路，在所述比较结果在一个时钟周期内保持预定时间时将所述比较结果转换为指示信号输出。

8.根据权利要求1所述的电池电量指示电路，其特征在于，所述电池电量指示电路还包括：

LED解码电路，用于将指示信号解码为LED显示信号；

其中，所述指示信号包括多个阈值电压分别与电池工作电压比较的结果，所述LED解码电路在存在相互冲突的结果时，根据较大的阈值电压对应的比较结果来生成LED显示信号。

9.一种电池管理集成电路，用于进行电池充放电管理和电量指示，所述电池管理集成电路包括：

电池充放电管理电路，具有电流设置端口和适于连接到电池的输出端口；以及

如权利要求1,3-8中任一项所述的电池电量指示电路；

其中，所述电池电量指示电路适于通过共用所述电流设置端口连接的电流设置电路获取所述补偿电压。

10.一种电池电量指示方法，包括：

将补偿电压转换为对应的补偿电流，所述补偿电压用于表征电池内阻以及导线电阻导致的电压降；以及

在所述补偿电流的补偿下以分时方式将多个的阈值电压分别与电池工作电压比较输出指示信号；

其中，根据所述补偿电流偏置所述阈值电压或所述电池工作电压以补偿电池内阻以及导线电阻导致的电压降，所述指示信号用于指示电池电量。

11.根据权利要求10所述的电池电量指示方法，其特征在于，所述方法还包括：

获取电池充放电管理电路的电流设置电路中的电压作为所述补偿电压。