CN107505577A - 一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统 - Google Patents

一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统，所述电池容量精确计算方法包括：S10：计算所述电阻的阻值；S20：计算经过所述设备负载的电流值；S30：计算所述电池的当前电容量。本发明先测量计算出电阻的实际阻值，而不是直接使用电阻标称值，解决了由于电阻两端实际值与标称值不一致而导致的终端设备电池容量检测误差问题，可提高电池容量的计算精度，进而解决电阻误差带来的错误引导、电量跳变、提前关机问题，提升用户使用体验，帮助用户正确安排设备使用。

Description

一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统
技术领域
本发明涉及移动设备电池计量技术领域，尤其涉及一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统。
背景技术
电池是移动设备等便携设备的必备元件，用以提供内部其他工作元件运作的电力，电池容量的多少影响着便携设备中工作元件的工作时长，人们对于设备使用时长的一般需求是越长越好，所以电容量也越大越好。然而在设计便携设备过程中，由于使用的电池容量越来越大，而用户对了解使用过程中的电量情况要求精度越来越高，所以需要对设备的电量显示进行优化以提高显示精度。
在实际电池运用中，由于使用在不同的环境(负载，温度随时改变)和电池本身化学特性(老化，储存电量递减)，使得预估电池容量，提醒使用者电源状况，变得复杂、难以精准估算。电池的化学反应经过长期充放电后会有老化的情况造成电池使用的寿命减短，使用时间缩短。使用者难以准确得知电池的真实状况；例如传统锂电池由于以截止充电电流、电压为终止充电的条件和截止放电电压(cut off voltage)为终止放电的条件，因此造成计算电池残存容量不易估算，又由于电池化学的特性容量会随时间(老化)与放电时的电压、电流和温度大小非线性的变化，更增加精确计算电池残存容量的困难度。
目前电池容量通常可利用查找表获得，如电池电压查表法，另外还可使用库伦计算法获得。现有技术中常见的电池电压查表法包括以下两种：第一种是，单纯电池电压查表法：此种情况的缺点是，测得的电压会跳动，所以有可能电池容量有可能是忽大忽小，例如75％→80％→65％→77％的跳动。第二种是，电流低于门槛值才利用测得的电压进行查表，然而，此种情况的缺点是必须一直等待电流低于门槛值，但有可能很长一段时间(如30分钟)甚至到电池没电都没低于门槛值。常见的库伦计算法有，单纯使用库伦演算法：此种方法是不断重复地(或者间隔时间)检测此电池的电流流量，并将多次电流的取样结果进行累计累加(即是对时间进行积分)，就可以知道到底耗用了多少的电量。然后，电池初始容量减去所耗的电量，就能取得目前电池所剩的电池容量，但是对与电流的取样标准并没有精确的界定，容易获取与实际电流有偏差的电流值。
如公开号为CN102081143A的专利文献公开的“电池电量的估测方法与系统”，所述方法包括：取得一库伦计数器计算的电池容量参数(CCBI)，CCBI是与从一电池中流出的累计电流量相关；取得一电池电压曲线追踪计算的电池容量参数(VCBI)，VCBI是与电池的温度、输出电压与流出的电流大小相关。根据CCBI与VCBI产生一调整过计算的电池容量参数MCBI，MCBI是介于CCBI与VCBI之间。该发明所需硬件较为简单，具有低成本且高精确度的优点，电量计算过程则相对复杂，运算量较大。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种电池容量测量电路、电池容量精确计算方法及系统，能够提供高精度的电池容量检测，帮助相关移动设备解决电量错误显示、电量显示跳变以及提前关机的问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电池容量测量电路，包括由电池、设备负载和电阻串联而成的主回路，与所述电阻一端连接的第一电压测量电路，以及与所述电阻另一端连接的第二电压测量电路，还包括：
电源管理电路和恒流源电路，所述电源管理电路与所述电池并联，所述恒流源电路与所述电阻并联，所述电源管理电路与所述恒流源电路连接。
一种基于上述电池容量测量电路的电池容量精确计算方法，所述方法包括以下步骤：
S10：计算所述电阻的阻值；
S20：计算经过所述设备负载的电流值；
S30：计算所述电池的当前电容量。
进一步地，所述步骤S10包括：
S11：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述电阻两端的电压差△U1；
S12：读取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述恒流源电路的电流值后，断开所述电源管理电路给所述恒流源电路的供电；
S13：根据所述电阻两端的电压差△U1和所述恒流源电路的电流值，计算所述电阻的阻值。
进一步地，所述步骤S20包括：
S21：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，所述电阻两端的电压差△U2；
S22：根据步骤S10计算的所述电阻的阻值和所述电阻两端的电压差△U2，计算经过所述电阻的电流值。
进一步地，所述步骤S30中通过库伦积分法计算所述电池的当前电容量，所述库伦积分法计算公式如下：
C(tn)＝C(t0)-∫i(t)dt
其中，t为电流放电时间，t0为初始时间，tn为当前时间，C(t0)为初始电容量，C(tn)为当前电容量，i(t)为放电电流即所述设备负载的电流值。
进一步地，所述电阻的阻值等于所述电压差△U1除以所述恒流源电路的电流值所得的数值。
进一步地，经过所述设备负载的电流值等于经过所述电阻的电流值等于所述电压差△U2除以步骤S10计算的所述电阻的阻值所得的数值。
进一步地，所述步骤S11包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U11与所述第二电压测量电路测得电压值U21，电压值U11和电压值U21之差的绝对值为电压差△U1。
进一步地，所述步骤S21包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U12与所述第二电压测量电路测得电压值U22，电压值U12和电压值U22之差的绝对值为电压差△U2。
一种电池容量精确计算系统，应用于一种包括上述电池容量测量电路的移动终端，所述系统包括：
第一计算模块，用于计算所述电阻的阻值；
第二计算模块，用于计算经过所述设备负载的电流值；
第三计算模块，用于计算所述电池的当前电容量。
采用上述技术方案后，本发明的有益效果是：(1)通过加入恒流源电路，方便简单快速的测量计算出电阻的实际阻值；(2)通过加入电源管理电路，可智能控制恒流源电路工作与否节省电能的同时，还可为智能快速的获取第一电压测量电路和第二电压测量电路测得的电压值，方便电阻阻值和负载电流的计算提供条件；(3)先测量计算出电阻的实际阻值，而不是直接使用电阻标称值，解决了由于电阻两端在运用中的实际值与标称值不一致而导致的终端设备电池容量检测误差的问题，可提高电池容量的计算精度，进而解决电阻误差带来的错误引导、电量跳变、提前关机等问题；(4)根据电阻的实际阻值计算出经过负载的电流，再通过库伦积分法，可高精度的计算出电池的当前容量，移动设备等可以利用这个当前容量除以总容量所得的比例，作为界面电量百分比显示，总体上提升用户的使用体验，给出更精确的电量指示，帮助用户合理安排工作。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术的技术方案，附图如下：
图1为本发明实施例1提供的一种电池容量测量电路结构示意图；
图2为本发明实施例2提供的一种电池容量精确计算方法流程图；
图3为本发明实施例3提供的一种电池容量精确计算方法流程图；
图4为本发明实施例4提供的一种电池容量精确计算系统框图。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
目前电池容量的百分比计算，有一部分是根据电池电压来测算的。比如满电的电池电压是4.2V，没电的电池电压是3.4V，把这中间的电压区间，等分成100份，去计算电池容量百分比。但是其实该方法是无法正确的计算容量的，因为容量并不与电池的电压成正比。也就是说，从4.2V到4V，和4V到3.8V这两个区间，显示百分比下降值都是，但是耐用度是不同的。比如4.2V到4V，可能连续使用2个小时，而4V到3.8V，可能1个小时不到就用完了。可见上述的计量方式并不够准确，亟待改善。
实验数据表明，通过库伦积分法去计算电池容量，根据电池总容量以及当前容量的比例去计算电池百分比，能更真实准确的获取电池百分比。库仑积分法是基于负载实时电流，而实时电流获取方式通常是：将一个10毫欧电阻接在电池和负载之间(为了不影响运行，所以该电阻很小，一般是10毫欧)，测量电阻两端的电压，得到两端电压差值除以该电阻的阻值(10毫欧)得到经过该电阻的电流，即经过负载的电流；而在实际应用中我们发现，这个电阻由于出厂就有公差再加上焊锡等影响(本来电阻就较小，所以焊锡的电阻就无法忽略了)，标称阻值与实际阻值有数值之差，影响实际电量残余的计算。
本发明是通过在常规电路中集成一个恒流源，在开机时计算电阻值，获取最真实的电阻值，提高电池容量计算精准度，从而解决由电阻误差带来的电量跳变、提前关机等问题。
实施例1
如图1所示，本实施例提供一种电池容量测量电路，包括由电池、设备负载和电阻串联而成的主回路，与所述电阻一端连接的第一电压测量电路，以及与所述电阻另一端连接的第二电压测量电路，第一电压测量电路和第二电压测量电路用于测量端电压值，还包括：
电源管理电路和恒流源电路，所述电源管理电路与所述电池并联，实现电池供电，保障电源管理电路管理工作；所述恒流源电路与所述电阻并联，实现给电阻施加一个恒定电流，帮助实际电阻值的计算；所述电源管理电路与所述恒流源电路连接，以便控制恒流源电路的供电通断，适时节省电能。
可选的，电源管理电路还与第一电压测量电路和第二电压测量电路连接，可智能快速的获取第一电压测量电路和第二电压测量电路测得的电压值，以便实际电阻值和负载电流的精确计算。
优选地，电源管理电路可采用MC34708型号的PMIC。
本实施例提供的电池容量测量电路，能够集中的智能的快速获取相关参数，解决由于电阻安装和生产误差带来的实际值与标称值不一致，导致的主机设备电池容量检测误差的问题，为精确计算实际电阻和实际电池容量提供物理条件，最终提高用户体验满意度。
实施例2
如图2所示，本实施例提供一种基于实施例1所述电池容量测量电路的电池容量精确计算方法，所述方法包括以下步骤：
S10：计算所述电阻的阻值；本步骤中，可以根据第一电压测量电路、第二电压测量电路以及恒流源电路相关参数值的获取，计算出实际运用中，电阻的阻值(区别于标称值，包括焊锡和电阻本身生产误差带来的阻值变化)。
S20：计算经过所述设备负载的电流值；本步骤中，可通过相关电量设备直接测得经过设备负载的电流值，也可先测得电阻两端的电压差值后，除以电阻实际阻值来获得经过电阻的电流，根据物理理论知识可得，串联连接的回路上具有相同的电流流过，故经过电阻的电流值大小就是经过设备负载的电流值大小。
S30：计算所述电池的当前电容量。本步骤中，通过设备负载每时每刻使用的电流流量进行安培小时法累加，可直接获得电容量的消耗量，再用电容量消耗之前的初始量减去消耗量可得当前电容量。
后期相关移动终端可再对该数值加以计算，在终端上显示出电量百分比，就可为用户提供更高精确度的电量指示，同时还能帮助移动终端解决电量跳变或者电量未用尽就提前关机的误判问题，提高用户体验满意度。
实施例3
如图3所示，本实施例与实施例2的区别在于，本实施例提供一种更加详细的基于电池容量测量电路的电池容量精确计算方法，所述步骤S10包括：
S11：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述电阻两端的电压差△U1；终端设备开机状态下，电池放电，通过正极将电流输出，电源管理电路受电工作，给恒流源电路供电，此时恒流源就会产生一个恒定电流施加给电阻，电阻两端会产生电压差，本步骤中，在电源管理电路给恒流源电路供电情况下，通过第一电压测量电路和第二电压测量电路采集到电阻两端的电压U11和U21，再计算△U1值，其中△U1＝U11-U21(这里假设U11大于U21，如果U11小于U21，则△U1＝U21-U11)。
S12：读取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述恒流源电路的电流值后，断开所述电源管理电路给所述恒流源电路的供电；算出△U1值后，读取恒流源电路产生的电流值I，再然后电源管理电路给恒流源电路断开供电。
S13：根据所述电阻两端的电压差△U1和所述恒流源电路的电流值，计算所述电阻的阻值。根据物理电阻的计算公式，所述电阻的阻值R等于所述电阻两端的电压差△U1除以所述恒流源电路的电流值I，即R＝△U1/I,其中“/”为除以运算符。
通过上述步骤获得的R值相比于标称阻值，更符合实际，数值更真实，可帮助后期计算出更为精确的负载电流值。
所述步骤S20包括：
S21：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，所述电阻两端的电压差△U2；电源管理电路给恒流源电路断开供电后，通过第一电压测量电路和第二电压测量电路再次采集到电阻两端的电压U12和U22，再计算△U2值，其中△U2＝U12-U22(这里假设U12大于U22，如果U12小于U22，则△U2＝U22-U12)。
S22：根据步骤S10计算的所述电阻的阻值和所述电阻两端的电压差△U2，计算经过所述电阻的电流值。根据物理电流计算公式经过所述电阻的电流值I’等于所述电阻两端的电压差△U2除以所述电阻的阻值R，即I’＝△U2/R，其中“/”为除以运算符。
结合之前所以步骤获取的数据值可得，I’＝△U2/(△U1/I)。
所述步骤S30中通过库伦积分法计算所述电池的当前电容量，所述库伦积分法计算公式如下：
C(tn)＝C(t0)-∫i(t)dt
其中，t为电流放电时间，t0为初始时间，tn为当前时间，C(t0)为事先测量的初始电容量，C(tn)为当前电容量，i(t)为放电电流即所述设备负载的电流值。由于电阻和设备负载是串联，所以所述电阻的电流值I’等于所述设备负载的电流值，将不同时刻的I’计算出来，代入库伦积分法计算公式即可计算出所述电池的当前电容量。
本实施例中，所述电阻的阻值等于所述电压差△U1除以所述恒流源电路的电流值所得的数值。
本实施例中，经过所述设备负载的电流值等于经过所述电阻的电流值等于所述电压差△U2除以步骤S10计算的所述电阻的阻值所得的数值。
本实施例中，所述步骤S11包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U11与所述第二电压测量电路测得电压值U21，电压值U11和电压值U21之差的绝对值为电压差△U1。
本实施例中，所述步骤S21包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U12与所述第二电压测量电路测得电压值U22，电压值U12和电压值U22之差的绝对值为电压差△U2。
本实施例提供的电池容量精确计算方法，利用常规电路组成，选取不同测量指标，精算出最符合实际的电容量值，校正了电阻两端实际值与标称值不一致而导致的终端设备电池容量检测误差的问题，可提高电池容量的计算精度，进而解决电阻误差带来的错误引导、电量跳变、提前关机等问题，帮助用户合理安排设备使用强度。
实施例4
如图4所示，本实施例为实现上述实施例中所述电池容量精确计算方法，提供一种电池容量精确计算系统，应用于一种包括上面所述电池容量测量电路的移动终端，可以是手机、平板等移动设备，所述系统包括：
第一计算模块100，用于计算所述电阻的阻值；先在所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，获取所述电阻两端的电压差△U1，然后读取出所述恒流源电路的电流值I后，断开所述电源管理电路给所述恒流源电路的供电，最后根据物理电阻的计算公式，计算所述电阻的阻值R等于所述电阻两端的电压差△U1除以所述恒流源电路的电流值I，即R＝△U1/I,其中“/”为除以运算符。
第二计算模块200，用于计算经过所述设备负载的电流值；先在所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，获取所述电阻两端的电压差△U2，然后根据第一计算模块100计算的所述电阻的阻值R和所述电阻两端的电压差△U2，计算经过所述电阻的电流值I’，I’＝△U2/R，其中“/”为除以运算符。
第三计算模块300，用于计算所述电池的当前电容量。利用库伦积分法计算公式，将电池开始工作起到当前时间内第二计算模块200计算得到的所有I’求积分得到电量消耗量，并用电池开始工作前的总容量减去电量消耗量得到当前电池的容量。
还包括显示模块，用于将当前电池的容量除以电池开始工作前的总容量得到电量百分比，并将电量百分比以百分比数值显示出来。
本实施例提供的电池容量精确计算系统，可高精度的计算出电池的当前容量，给出更精确的电量指示，帮助移动终端解决电量跳变或者电量未用尽就提前关机的误判问题，提升用户的使用体验，帮助用户合理安排设备使用。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种电池容量测量电路，包括由电池、设备负载和电阻串联而成的主回路，与所述电阻一端连接的第一电压测量电路，以及与所述电阻另一端连接的第二电压测量电路，其特征在于，还包括：
电源管理电路和恒流源电路，所述电源管理电路与所述电池并联，所述恒流源电路与所述电阻并联，所述电源管理电路与所述恒流源电路连接。
2.一种基于权利要求1所述的电池容量测量电路的电池容量精确计算方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
S10：计算所述电阻的阻值；
S20：计算经过所述设备负载的电流值；
S30：计算所述电池的当前电容量。
3.根据权利要求2所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述步骤S10包括：
S11：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述电阻两端的电压差△U1；
S12：读取所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，所述恒流源电路的电流值后，断开所述电源管理电路给所述恒流源电路的供电；
S13：根据所述电阻两端的电压差△U1和所述恒流源电路的电流值，计算所述电阻的阻值。
4.根据权利要求2所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述步骤S20包括：
S21：获取所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，所述电阻两端的电压差△U2；
S22：根据步骤S10计算的所述电阻的阻值和所述电阻两端的电压差△U2，计算经过所述电阻的电流值。
5.根据权利要求2所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述步骤S30中通过库伦积分法计算所述电池的当前电容量，所述库伦积分法计算公式如下：
C(tn)＝C(t0)-∫i(t)dt
其中，t为电流放电时间，t0为初始时间，tn为当前时间，C(t0)为初始电容量，C(tn)为当前电容量，i(t)为放电电流即所述设备负载的电流值。
6.根据权利要求3所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述电阻的阻值等于所述电压差△U1除以所述恒流源电路的电流值所得的数值。
7.根据权利要求4所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，经过所述设备负载的电流值等于经过所述电阻的电流值等于所述电压差△U2除以步骤S10计算的所述电阻的阻值所得的数值。
8.根据权利要求3所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述步骤S11包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U11与所述第二电压测量电路测得电压值U21，电压值U11和电压值U21之差的绝对值为电压差△U1。
9.根据权利要求4所述的一种电池容量精确计算方法，其特征在于，所述步骤S21包括：所述电源管理电路给所述恒流源电路断开供电情况下，获取所述第一电压测量电路测得电压值U12与所述第二电压测量电路测得电压值U22，电压值U12和电压值U22之差的绝对值为电压差△U2。
10.一种电池容量精确计算系统，其特征在于，应用于一种包括权利要求1所述电池容量测量电路的移动终端，所述系统包括：
第一计算模块，用于计算所述电阻的阻值；
第二计算模块，用于计算经过所述设备负载的电流值；
第三计算模块，用于计算所述电池的当前电容量。
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