CN109802152B - 监测锂一次性电池容量的电路结构的应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种监测锂一次性电池容量的电路结构，包括锂电池、滤波电容、精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、滤波电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和滤波电容之间设有线路接地；所述负载电路与滤波电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接。本发明监测锂一次性电池容量不仅精密度高，而且不增加成本和额外的能量消耗。

Description

监测锂一次性电池容量的电路结构的应用
【技术领域】
本发明属于电子技术领域，涉及一种监测锂一次性电池容量的电路结构的应用。
【背景技术】
随着物联网行业的发展以及基础网络的建设，传感器在物联网网络的中的应用越来越广泛。很多物联网传感器电路不便从电网取电，但是因为功耗很小，可以采用大容量一次性电池供电，可以维持8～10年的工作时间，比如水表，热表等。传感器模块需要定时向服务器端发送电池容量信息，并在电池耗尽之前，向服务器端发送告警信号，提醒网络维护人员及时更换电池，因此，能够准确地测量电池容量，成为物联网模块的必备功能。
随着电池电量的消耗，电池会出现内阻增加，输出电压降低的现象，因此目前电池容量监测可以采取直接测量电池在工作时的输出电压，通过输出电压判断电池容量的方式。但是这种方法测量的电压会随着输出负载电流变化，因此判断电池容量的精确度不高，只适合在输出电流相对恒定的模块中应用。另一种改进的方法是定时将电池正极与负载断开，通过切换开关连接到一个固定的假负载上，以得到相对固定的电流，测量输出电压来计算电池内阻，然后根据电池模型来判断电池剩余容量。这种方法的缺点是负载需要不停断电重启，同时需要增加切换开关以及开关控制电路，这种方法既增加了成本，也增加了额外的能量消耗。
【发明内容】
本发明提供一种监测锂一次性电池容量的电路结构的应用，以解决背景技术所存在的技术问题。
为了实现上述技术目的，本发明的设计方案如下：
一种监测锂一次性电池容量的电路结构，包括锂电池、滤波电容、精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、滤波电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和滤波电容之间设有线路接地；所述负载电路与滤波电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接。
进一步地，所述锂电池为锂一次性电池。
更进一步地，所述锂一次性电池为锂亚硫酰氯电池。
再更进一步地，所述的锂亚硫酰氯电池包括ER14250锂亚硫酰氯电池、ER18505锂亚硫酰氯电池中的一种。
进一步地，所述滤波电容为大容量超级电容。
更进一步地，所述大容量超级电容的容量≥1法拉。
进一步地，所述精密电阻为电流采样精密电阻，阻值为锂电池最小内阻的十分之一。
更进一步地，所述精密电阻可内嵌于锂电池中。
进一步地，所述负载电路中的负载包括水表、热表中的一种或多种。
进一步地，所述A/D电压转换电路可以内嵌于锂电池中。
通过本技术方案，可以实现以下效果：
(1)本发明采用新的电路结构，在锂电池和外接滤波电容之间串入极小的一个精密电阻，在负载工作的同时，通过A/D电压转换电路测量串联精密电阻上两端的对地电压，可以通过计算得到电池的输出电流，并通过电池输出电压来判断电池内阻，通过预先建立的电池容量模型，可以得到电池的剩余容量，并可在到达设定的阈值容量时发出报警，这种方式不仅精密度高，而且不增加成本和额外的能量消耗；
(2)本发明不必要断开负载的开关，降低了监测电路成本；
(3)本发明中的电流采样精密电阻可内嵌于锂电池中，简化负载电路设计；
(4)本发明中的A/D电压转换电路可以内锂电池中，简化负载电路的设计。
【附图说明】
图1是本发明监测锂一次性电池容量的电路结构示意图；
图2是负载工作电流和电池放电电流随时间变化图；
图3是ER14250，10mA恒流放电电压、容量、内阻的关系曲线图。
【具体实施方式】
下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
锂亚硫酰氯电池属于锂一次性电池，这种电池的特点是容量大，放电电流小，自漏电极小，因此适合为低功耗，长时间工作的物联网传感器电路供电。由于这类锂电池的放电电流小，一般不能满足在负载电路全功率工作时的电流消耗，因此在电池两端会并联一个漏电小的大容量超级电容，电容容量在1法拉以上，因此在负载工作的时候，大部分能量消耗都由电容提供，在负载进入待机状态后，由于电容电量的消耗，电容电压会低于电池电压，因此电池会持续向电容充电，直至电容电压等于电池输出电压。由于电路的这种特性，负载全功率工作时间通常很短，而充电时间则会比负载工作时间长得多。
基于电路的这种特性，本发明设计了一种新的监测锂一次性电池容量的电路结构，可以避免超级电容影响电池内阻的测量，如图1所示，所述监测锂一次性电池容量的电路结构包括锂电池、滤波电容、电流采样精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、滤波电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和滤波电容之间设有线路接地；所述负载电路与滤波电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接。
所述锂电池为锂一次性电池，所述锂一次性电池为锂亚硫酰氯电池，所述的锂亚硫酰氯电池包括ER14250锂亚硫酰氯电池、ER18505锂亚硫酰氯电池中的一种。
所述滤波电容为大容量超级电容，容量≥1法拉。
所述精密电阻为电流采样精密电阻，阻值为锂电池最小内阻的十分之一。
所述精密电阻可内嵌于锂电池中。
所述负载电路中的负载包括水表、热表中的一种或多种。
所述A/D电压转换电路由电压模数转换电路组成，可以内嵌于锂电池中。
所述电池内阻计算及容量判断固件由单片机组成，实现中会采用单片机电路，接在A/D电压转换电路之后，读取电流采样精密电阻上的电压值，根据两次测量的不同电压值(对应电流采样精密电阻上的两次不同电流值采样)，来计算电池内阻。
本发明的监测锂一次性电池容量的电路结构包含一个用于判断内阻和电池放电模型匹配点的计算单元。该计算单元也同样是单片机电路，跟上面的电池内阻计算及容量判断固件采用同一个单片机，相当于是运行在单片机内的不同的固件程序。
精密电阻的阻值选择依据电池最大放电电流以及电压测量精度而定，精密电阻阻值的选择不能过大，以免额外消耗过多的能量，也不能过小，否则电压测量精度不够，导致无法区分电阻两端的电压差，影响电流计算精度。精密电阻的精度误差会直接影响电流的测量精度，进而影响电池内阻的测量精度和电池容量的判断。精密电阻串联在电池正极和超级电容正极之间，经过试验长期选择，最终选择精密电阻的阻值为锂电池最小内阻的十分之一，比如对于ER18505锂一次性电池的正常内阻为10～300欧姆之间，则电流采样精密电阻的阻值取1欧姆。
下面通过更具体的实施例加以说明。
实施例1
如图1所示，一种监测锂一次性电池容量的电路结构，包括锂电池、滤波电容、电流采样精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、滤波电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和滤波电容之间设有线路接地；所述负载电路与滤波电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接。
所述锂电池为锂一次性电池，所述锂一次性电池为锂亚硫酰氯电池，所述的锂亚硫酰氯电池为ER14250锂亚硫酰氯电池。
所述滤波电容为大容量超级电容，容量为1.2法拉。
所述精密电阻为电流采样精密电阻，阻值为锂电池最小内阻的十分之一。
所述负载电路中的负载为热表。
实施例2
一种监测锂一次性电池容量的电路结构，包括锂电池、滤波电容、电流采样精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、滤波电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和滤波电容之间设有线路接地；所述负载电路与滤波电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接。
所述锂电池为锂一次性电池，所述锂一次性电池为锂亚硫酰氯电池，所述的锂亚硫酰氯电池为ER18505锂亚硫酰氯电池。
所述滤波电容为大容量超级电容，容量为1法拉。
所述精密电阻为电流采样精密电阻，阻值为锂电池最小内阻的十分之一。
所述精密电阻可内嵌于锂电池中。
所述负载电路中的负载为水表。
所述A/D电压转换电路可以内嵌于锂电池中。
本发明的技术原理：
在一般的物联网应用中，负载大部分时间处于休眠状态，电池输出电流极低，而在负载正常工作时，电池输出电流加大，甚至达到电池最大放电电流。要计算电池内阻，需要在两次不同工作电流下测量电池端输出电压，因此负载的这两种工作状态正好满足这一测量条件，负载工作电流和电池放电电流随时间变化如图2所示。
测量电池内阻时，需要测量两次电池输出电压和电流。第一次，负载以较大功率工作或者全功率工作开始，此后一段时间内，电池对电容以较大充电电流充电，这时启动A/D电压转换电路，如图1所示，利用A/D电压转换电路，可以测得精密电阻两端电压分别为V1和V′1，则根据公式(1)可以得到电池对电容充电电流为：
I1＝(V1-V1')/R (1)
第二次测量时，选择整机处于待机状态，电容已经处于充满状态，此时电池输出电流非常小，此时可测得电阻两端电压为V2和V′2，根据公式(2)可以得到精密电阻上的电流为：
I2＝(V2-V2')/R (2)
根据公式(1)和公式(2)两次测量得到的电流值和电压值，可根据公式(3)计算得到电池内阻为：
r＝(V2-V1)/(I1-I2) (3)
根据电池容量测量经验曲线，可以知道新的锂一次性电池内阻通常在几欧姆到十几欧姆，当电池耗将要耗尽时，电池内阻会增加到100多欧姆，甚至更大。
通过实验室测量建立准确的恒流放电电压、容量、内阻的关系曲线，见图3，在测量得到ER14250锂亚硫酰氯电池内阻后，可以准确估算ER14250锂亚硫酰氯电池剩余容量，并可在到达设定的阈值容量时发出报警，及时向服务器端发送告警信号，提醒网络维护人员及时更换电池。这种方式不仅精密度高，而且不增加成本和额外的能量消耗，提高了经济效益。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，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 (3)

1.一种监测锂一次性电池容量的电路结构的应用，其特征在于：所述的电路结构包括锂电池、大容量超级电容、精密电阻、负载电路、A/D电压转换电路、电池内阻计算及容量判断固件，所述锂电池、大容量超级电容、精密电阻串联而成形成主回路，所述锂电池和大容量超级 电容之间设有线路接地；所述负载电路与大容量超级电容并联；所述精密电阻正负极两端分别连接A/D电压转换电路的正负极两端；所述电池内阻计算及容量判断固件与A/D电压转换电路串联连接；
所述锂电池包括ER14250锂亚硫酰氯电池、ER18505锂亚硫酰氯电池中的一种；
所述大容量超级电容的容量≥1法拉；
所述精密电阻的阻值为锂电池最小内阻的十分之一；
所述A/D电压转换电路可以内嵌于锂电池中；
电路结构的应用：测量电池内阻时，需要测量两次电池输出电压和电流，第一次，负载以较大功率工作或者全功率工作开始，此后一段时间内，电池对大容量超级电容以较大充电电流充电，这时启动A/D电压转换电路，利用A/D电压转换电路，可以测得精密电阻两端电压分别为V1和V′1，则根据公式(1)得到电池对大容量超级电容充电电流为：
I1＝(V1-V1')/R (1)
第二次测量时，选择整机处于待机状态，大容量超级电容已经处于充满状态，此时电池输出电流非常小，此时可测得电阻两端电压为V2和V′2，根据公式(2)得到精密电阻上的电流为：
I2＝(V2-V2')/R (2)
根据公式(1)和公式(2)两次测量得到的电流值和电压值，可根据公式(3)计算得到电池内阻为：
r＝(V2-V1)/(I1-I2) (3)
通过实验室测量建立准确的恒流放电电压、容量、内阻的关系曲线，在测量得到ER14250锂亚硫酰氯电池或ER18505锂亚硫酰氯电池内阻后，可以准确估算ER14250锂亚硫酰氯电池或ER18505锂亚硫酰氯电池剩余容量，并可在到达设定的阈值容量时发出报警，及时向服务器端发送告警信号，提醒网络维护人员及时更换电池。
2.根据权利要求1所述的监测锂一次性电池容量的电路结构的应用，其特征在于：所述精密电阻可内嵌于锂电池中。
3.根据权利要求1所述的监测锂一次性电池容量的电路结构的应用，其特征在于：所述负载电路中的负载包括水表、热表中的一种或多种。
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