CN108169686A - 一种电池电量检测电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电池电量检测电路及方法，所述电路包括：电压采样分支电路；放大分支电路；单片机的电压采样分支电路；所述电压采样分支电路包括：电阻R3与负载电阻R_LOAD串联，所述电阻R3与放大器U1的放大正极输入引脚、电源负极引脚并联；所述放大分支电路包括：电阻R1和电阻R2串联将所述放大器U1的放大输出引脚的电压分压给所述放大器U1的放大负极输入引脚；所述单片机的电压采样分支电路包括：接收电阻R3分压到的电压再经过所述放大器U1放大以后的电压的单片机，电容器C1和电容器C2均与所述单片机内部对应的模数转换器并联。电路结构简单，测量方法不受温度及输出功率大小的影响，得到的电池剩余电量值准确可靠。

Description

一种电池电量检测电路及方法
技术领域
本发明涉及一种电路设计，尤其涉及一种电池电量检测电路及方法。
背景技术
目前的大功率移动设备电量显示存在以下缺陷：单纯的靠检测电池两端的电压来判断当前的剩余电量，会存在很大的误差影响对剩余电量的判断。电池两端的电压的误差主要来自与两个方面：1、大功率设备工作时，因为输出功率很大，会在瞬间把电池电压拉低，比如没有输出工作时电压为4.1V，一工作，电压可能马上变为约3.95V，根据不同的电池特性和功率输出大小不同，电压被拉低的大小也不同；2、温度的影响：如果温度过低时，电池电压也会被拉低，比如常温25摄氏度时的电池电压为4.2V，放到0度时，虽然电量是一样多的，但是电池电压可能却变为约3.9V，具体电压因电池特性不同而不同。基于电池两端电压容易受到外界影响，所以采用电池电压判断电池剩余电量也存在很大的误差。
发明内容
本发明为了解决现有技术中采用电池两端电压判断电池剩余电量存在误差的问题，提供一种电池电量检测电路及方法。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案如下所述：
一种电池电量检测电路，包括：电压采样分支电路；放大分支电路；单片机的电压采样分支电路；所述电压采样分支电路包括：电阻R3与负载电阻R_LOAD串联，所述电阻R3与放大器U1的放大正极输入引脚、电源负极引脚并联；所述放大分支电路包括：电阻R1和电阻R2串联将所述放大器U1的放大输出引脚的电压分压给所述放大器U1的放大负极输入引脚；所述单片机的电压采样分支电路包括：单片机、电容器C1和电容器C2，所述单片机接收电阻R3分压到的电压再经过所述放大器U1放大以后的电压，所述电容器C1和电容器C2均与所述单片机内部对应的模数转换器并联。
优选地，所述电阻R1、电阻R2和电阻R3的电阻值的精确度在1％以内。
优选地，所述单片机的采样精度在10位以上。
优选地，所述单片机的电压采样分支电路还包括电阻R4和电阻R5串联分压给所述单片机的模数转换器；同时与所述电阻R3与负载电阻R_LOAD串联的支路并联。
优选地，所述放大分支电路还包括一个电容器C3，所述电容器与所述放大器U1的电源正极引脚和电源负极引脚并联。
优选地，所述放大分支电路还包括给放大器U1设置稳压电路。
优选地，所述放大分支电路还包括：电容器C4和电阻R6，电阻R6和电阻R3串联后再跟电容器C4形成并联。
一种采用如上所述的电路进行电池电量检测的方法，包括如下步骤：S1：通过所述单片机获取所述电阻R3分压到的电压再经过放大器放大以后的电压值Vi_OUT；S2：所述单片机根据所述电阻R1和电阻R2的阻值，根据Vi_OUT＝Vi_IN*R1/R2得到电阻R3分压到的电压值Vi_IN；由此根据电阻R3的阻值得到通过电阻R3的电流Ii，Ii＝Vi_IN/R3；S3：所述单片机获取负载正极的电压值Vv_OUT，则负载电阻R_LOAD消耗的功率为：P＝Vv_OUT*Ii，所述单片机按照频率获取所述负载消耗的功率得到所述负载电阻R_LOAD消耗的电量Wuse，则电池的剩余电量为：(Wbat-Wuse)*N/Wbat，其中Wbat为电池的总电量，N为1％-1000‰。
优选地，步骤S3中的频率范围是1US-10S。
优选地，所述Wuse为所述负载在通电时间内消耗电量的累计。
本发明的有益效果为：提供一种电池电量检测电路及方法，采用计算负载电阻消耗电量的方法进而得知电池的剩余电量，电路结构简单，测量方法不受温度及输出功率大小的影响，得到的电池剩余电量值准确可靠。
附图说明
图1是本发明实施例1中电池电量检测电路的结构示意图。
图2是本发明实施例1中电压采样分支电路的结构示意图。
图3是本发明实施例1中放大分支电路的结构示意图。
图4是本发明实施例1中单片机的电压采样分支电路的结构示意图。
图5是本发明实施例1中又一个电池电量检测电路的结构示意图。
图6是本发明实施例1中再一个电池电量检测电路的结构示意图。
图7是本发明实施例2中电池电量检测电路的结构示意图。
图8是本发明实施例2中电池电量检测方法的示意图。
具体实施方式
下面结合附图通过具体实施例对本发明进行详细的介绍，以使更好的理解本发明，但下述实施例并不限制本发明范围。另外，需要说明的是，下述实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构思，附图中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的形状、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局形态也可能更为复杂。
实施例1
如图1所示，一种电池电量检测电路，包括：电压采样分支电路；放大分支电路；单片机的电压采样分支电路。其中，放大器U1有五个引脚分别是：引脚1为放大正极输入引脚，引脚2为电源负极引脚，引脚3为放大负极输入引脚，引脚4为放大输出引脚，引脚5为电源正极引脚。LOAD-为负载的负极，LOAD+为负载的正极。
如图2所示，电流采样分支电路包括：电阻R3与负载电阻R_LOAD串联，电阻R3与放大器U1的放大正极输入引脚、电源负极引脚并联；为了减少电池电量检测电路自耗，电阻R3在满足信号采样要求的前提下，选择的电阻R3的阻值尽量小。
如图3所示，放大分支电路包括：电阻R1和电阻R2串联将放大器U1的放大输出引脚的电压分压反馈给所述放大器U1的放大负极输入引脚，从而达到输出电压的实时反馈作用；通过调节电阻R1和电阻R2的阻值大小进行调节Vi_IN电压的放大倍数，Vi_OUT为Vi_IN放大后的电压值：Vi_OUT＝Vi_IN*R1/R2。
如图4所示，单片机的电压采样分支电路包括：单片机、电容器C1和电容器C2，单片机接收电阻R3分压到的电压再经过所述放大器U1放大以后的电压，电容器C1和电容器C2均与所述单片机内部对应的模数转换器并联。
因为通过电阻R3采样到的电压值Vi_IN很小，必须能过放大器U1放大后才能被单片机识别。
电阻R1、电阻R2和电阻R3这三个电阻的电阻值精确度要高，尽量控制在1％以内，否则会影响整个系统的判断。
单片机的AD采样精度根据不同的品牌而不同，目前市面上的MCU的AD采样精度都是10位以上；现在以10位AD精度和3.0V的AD参考电压为例，若此时Vi_OUT采样到的AD值为Di，而Vv_OUT采样到的AD值为Dv，可以算出当前的输出功率P＝U*I＝(3*Dv/1024)*(Di*R2*3/1024/R1/R4)。
如图5所示，单片机的电压采样分支电路还包括电阻R4和电阻R5串联分压给所述单片机的模数转换器；同时与电阻R3与负载电阻R_LOAD串联的支路并联。目的是防止单片机检测的电压值Vv_OUT过大超过其最大的模数转换器参考电压值从而影响判断的准确性。
如图6所示，本发明一种实施例中还提供一种电池电量检测电路，其放大分支电路还包括一个电容器C3，电容器与放大器U1的电源正极引脚和电源负极引脚并联；电容器C3具有滤波的作用，这样放大器工作会更稳定；此外，因为放大器U1很容易受电源波动影响，一般会给放大器U1配一个稳压电路；因为Vi_IN有时候是变动很大的，此时会产生纹波，进而影响到采样精准避免放大器U1信号源不稳定而对采样稳定性的影响，放大分支电路还包括：电容器C4和电阻R6，电阻R6和电阻R3串联后再跟电容器C4形成并联。
实施例2
如图7所示，应用上述电路来测量一款电池的剩余电量，在上述电路接入一款电池，同时为了方便显示还增加了OLED屏，OLED屏显示电池的电压值和电池剩余电量值。在使用一款电池时，都知道其确定的容量值Wbat，单位一般为mWh(也有些标mAh，若是mAh正常情况下可以通过具体电池特性将单位转化mWh，像普通18650电池可以按mWh＝3.7*mAh进行转换为mWh；mWh这个容量单位的意思是，如果用1mW进行放电时，可以放电1个小时；为了方便程序计算，可以将mWh变换为mWS，其关系为1mWh＝3600mWs。
MCU里面的程序每秒(若要求更高精度的电量计算可以进行微秒或毫秒级别)对负载进行扫描一次，可计算出此时消耗的功率值Wnew，而总消耗功率值Wuse进行加Wnew，最后算出当前的剩余电量为：(Wbat-Wuse)*N/Wbat；其中Wbat为电池总电量(功率)；Wuse为当前电池总消耗的电量(功率)；N代表要显示的“N分比”，如果电池是用百分比较显示，此时N N为100％或1000‰。
如图8所示，总结上述的思路得到一种电路进行电池电量检测的方法，包括如下步骤：
1：通过所述单片机获取所述电阻R3分压到的电压再经过放大器放大以后的电压值Vi_OUT；
2：所述单片机根据所述电阻R1和电阻R2的阻值，根据Vi_OUT＝Vi_IN*R1/R2得到电阻R3分压到的电压值Vi_IN；由此根据电阻R3的阻值得到通过电阻R3的电流Ii；
3：所述单片机获取负载正极的电压值Vv_OUT，则负载电阻R_LOAD消耗的功率为：P＝Vv_OUT*Ii，所述单片机按照频率获取所述负载消耗的功率得到所述负载电阻R_LOAD消耗的电量Wuse，则电池的剩余电量为：(Wbat-Wuse)*N/Wbat，其中Wbat为电池的总电量，N为N为1％-1000‰。
下面分别采用传统电池电量检测方法和本发明提供的方法分别对同一个电池电量进行测量，实现结果如下：
1.采用传统电量检测方法检测电池的剩余电量：
传统的电量算法为电量值跟电池电压值一一对应，例如4.15V为100％，而3.15V为0％的电量，即电压降0.01V就减少一格电。使用的电池(为一节2000MAH的18650钢壳高倍率电池，可持续10A放电；
(1)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上0.5欧姆的负载，即R_LOAD＝0.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：3.84V，电池的电量为：69％；
(2)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上1.0欧姆的负载，即R_LOAD＝1.0Ω时，电池的电压值瞬间变为：3.93V，电池的电量为：78％；
(3)不接负载时，电池的电压值为：4.14V，电池的电量为：99％；接上1.5欧姆的负载，即R_LOAD＝1.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：4.00V，电池的电量为：85％；
(4)不接负载时，电池的电压值为：4.13V，电池的电量为：98％；接上2.0欧姆的负载，即R_LOAD＝2.0Ω时，电池的电压值瞬间变为：4.04V，电池的电量为：89％；
(5)不接负载时，电池的电压值为：4.13V，电池的电量为：98％；接上2.5欧姆的负载，即R_LOAD＝2.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：4.06V，电池的电量为：91％；
2.采用本发明提供的电池电量检测电路及方法测量电池的剩余电量：使用的电池为一节2000MAH的18650钢壳高倍率电池(可持续10A放电)；
(1)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上0.5欧姆的负载，即R_LOAD＝0.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：3.85V，电池的电量为：100％；
(2)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上1.0欧姆的负载，即R_LOAD＝1.0Ω时，电池的电压值瞬间变为：3.92V，电池的电量为：100％；
(3)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上1.5欧姆的负载，即R_LOAD＝1.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：3.99V，电池的电量为：100％；
(4)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，电池的电量为：100％；接上2.0欧姆的负载，即R_LOAD＝2.0Ω时，电池的电压值瞬间变为：4.05V，电池的电量为：100％；
(5)不接负载时，电池的电压值为：4.15V，显示的电量为：100％；接上2.5欧姆的负载，即R_LOAD＝2.5Ω时，电池的电压值瞬间变为：4.09V，电池的电量为：100％；
通过上面的实验数据，可以看到传统电池电量检测方法中电池电量受输出负载的变化影响很大，输出电流变化越大，电量显示越不准；而本发明的电池电量检测方法却不受负载变化的影响。
同时，周围环境中的温度也会影响电池两端的电压值从而影响传统电池电量检测方法检测到的电池电量；而温度对本发明的电池电量检测方法却没有影响。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干等同替代或明显变型，而且性能或用途相同，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电池电量检测电路，其特征在于，包括：电压采样分支电路；放大分支电路；单片机的电压采样分支电路；
所述电压采样分支电路包括：电阻R3与负载电阻R_LOAD串联，所述电阻R3与放大器U1的放大正极输入引脚、电源负极引脚并联；
所述放大分支电路包括：电阻R1和电阻R2串联将所述放大器U1的放大输出引脚的电压分压给所述放大器U1的放大负极输入引脚；
所述单片机的电压采样分支电路包括：单片机、电容器C1和电容器C2，所述单片机接收电阻R3分压到的电压再经过所述放大器U1放大以后的电压，所述电容器C1和电容器C2均与所述单片机内部对应的模数转换器并联。
2.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述电阻R1、电阻R2和电阻R3的电阻值的精确度在1％以内。
3.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述单片机的采样精度在10位以上。
4.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述单片机的电压采样分支电路还包括电阻R4和电阻R5串联分压给所述单片机的模数转换器；同时与所述电阻R3与负载电阻R_LOAD串联的支路并联。
5.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述放大分支电路还包括一个电容器C3，所述电容器与所述放大器U1的电源正极引脚和电源负极引脚并联。
6.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述放大分支电路还包括给放大器U1设置稳压电路。
7.如权利要求1所述的电池电量检测电路，其特征在于，所述放大分支电路还包括：电容器C4和电阻R6，电阻R6和电阻R3串联后再跟电容器C4形成并联。
8.一种采用如权利要求1-7任一所述的电路进行电池电量检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1：通过所述单片机获取所述电阻R3分压到的电压再经过放大器放大以后的电压值Vi_OUT；
S2：所述单片机根据所述电阻R1和电阻R2的阻值，根据Vi_OUT＝Vi_IN*R1/R2得到电阻R3分压到的电压值Vi_IN；由此根据电阻R3的阻值得到通过电阻R3的电流Ii；
S3：所述单片机获取负载正极的电压值Vv_OUT，则负载电阻R_LOAD消耗的功率为：P＝Vv_OUT*Ii，所述单片机按照频率获取所述负载消耗的功率得到所述负载电阻R_LOAD消耗的电量Wuse，则电池的剩余电量为：(Wbat-Wuse)*N/Wbat，其中Wbat为电池的总电量，N为1％-1000‰。
9.如权利要求8所述的电池电量检测的方法，其特征在于，步骤S3中的频率的范围是1US-10S。
10.如权利要求8所述的电池电量检测的方法，其特征在于，所述Wuse为所述负载在通电时间内消耗电量的累计。
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