CN112147523A - 纽扣电池余量测量方法及测量装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纽扣电池余量测量方法及测量装置，涉及电池余量测量领域，该方法包括以下步骤：根据负载确定纽扣电池的放电曲线，基于放电曲线确定放电电压小于欠压电压的时刻tend以及放电功率曲线。基于放电功率曲线确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，利用采样电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量E(t0)。从t0时刻起，获取每个预设时长T内的放电电压和放电电流，计算每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei。根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长。本发明能够解决现有纽扣电池仅仅通过电压这一个参数来估算纽扣电池余量的不准确性的问题。
Description
技术领域
本发明涉及电池余量测量领域，具体涉及一种纽扣电池余量测量 方法及测量装置。
背景技术
随着大数据及人工智能技术的飞速发展，各类服务器的应用场景 越来越广泛。纽扣电池是服务器系统主板中比较关键的一颗物料，用 来在主板不通电的情况下为主板基本输入输出系统(BIOS)供电的。 如果纽扣电池供电不足，会引起系统日期时间会发生改变、开机不能 正常进入操作系统、BIOS设置恢复出厂模式等等严重的后果。因此 实时监测纽扣电池的容量及余量非常必要，同时以直观的方式显示出 来，便于服务器运维人员及时了解纽扣电池是否需要及时更换，能提 高服务器产品的可靠性和可维护性。
目前，现有技术在检测电池电压时，若发生欠压(通常<2.0V) 则由服务器基板管理控制器(Baseboard Management Controller， BMC)网管界面指示电压来提示更换电池。然而仅仅通过电压发生 欠压不能完全判定电池不能用(有可能还可以使用，也有可能高于2V就不能使用)。这类价格便宜的非充电式纽扣电池的电量状态还与 放电电流相关，其使用寿命也受环境(温度、湿度等)影响很大，在 测算过程中如果不考虑到这些因素的影响，结果会存在较大的误差。 但是在服务器应用中并没有测量余量的技术公开，也没有剩余电量及 剩余时长的界面显示，不够直观。
各类消费电子产品中利用专用芯片进行锂电池等电池管理的技 术与专利非常多，现有的充电电池余量测量通常采用开路电压法、库 仑安时法或两种方法的结合算法进行剩余容量估算。然而在服务器应 用中，对常用的锂锰非充电式纽扣电池进行精细化低成本的管理技术 相对非常少，仅有的也均是利用电压这一个参数来估算。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种纽扣电 池余量测量方法，其能够解决现有纽扣电池仅仅通过电压这一个参数 来估算纽扣电池余量的不准确性的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种纽扣电池余量测量方法，该方法包括以下步骤：
根据负载确定纽扣电池的放电曲线，基于放电曲线确定放电电压 小于欠压电压的时刻tend以及放电功率曲线；
基于放电功率曲线确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，利用采样 电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量E(t0)；
从t0时刻起，获取每个预设时长T内的放电电压和放电电流，计 算每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei，其中i＝1,2,3......n，n为正 整数；
根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
在上述技术方案的基础上，所述基于放电功率曲线确定纽扣电池 初始使用时的时刻t0，利用采样电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量 E(t0)，具体包括：
利用采样电阻获取纽扣电池的初始放电电压和初始放电电流，得 到初始放电功率；根据初始放电功率的值在放电功率曲线上的位置， 确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，进而得到纽扣电池的初始能量 E(t0)＝U(t0)I(t0)(tend-t0)，其中U(t0)为纽扣电池的初始放电电压，I(t0)为 纽扣电池的初始放电电流。
在上述技术方案的基础上，所述利用采样电阻获取纽扣电池的初 始放电电压U(t0)和初始放电电流I(t0)，具体包括以下步骤：
将采样电阻串联在纽扣电池和主板之间；
分别测量采样电阻两端的电压，将靠近纽扣电池一端的电压作为 初始放电电压U(t0)；
根据采样电阻两端的电压计算初始放电电流I(t0)。
在上述技术方案的基础上，所述从t0时刻起，获取每个预设时长 T内的放电电压和放电电流，计算每个预设时长T内的平均功耗Pi和 能耗Ei，具体包括以下步骤：
利用采样电阻获取每个预设时长T内的平均放电电压和平均放 电电流；
基于每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流计算对 应的Pi和Ei。
在上述技术方案的基础上，所述利用采样电阻获取每个预设时长 T内的平均放电电压和平均放电电流，具体包括以下步骤：
获取每个预设时长T的起点和终点处的放电电压，以起点和终点 处的放电电压的平均值作为该预设时长T内的平均放电电压；
根据每个预设时长T内的平均放电电压和采样电阻的阻值计算 每个预设时长T内的平均放电电流。
在上述技术方案的基础上，所述根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池 的剩余电量和剩余使用时长，具体包括以下步骤：
根据公式Ci％＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/E(t0)×100％计算剩余电量Ci％；
根据公式Di＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/Pi计算剩余使用时长Di。
在上述技术方案的基础上，所述方法还包括：
判断所述剩余电量Ci％和剩余使用时长Di是否均大于预设的告 警阈值，若是，则继续统计每个预设时长T内的平均放电电压和平均 放电电流；若否，则发出报警提示。
在上述技术方案的基础上，为所述剩余电量Ci％预设的告警阈值 为10％；为所述剩余使用时长Di预设的告警阈值为10天。
在上述技术方案的基础上，所述方法还包括：利用微控制器的网 管界面显示放电电压、放电电流、剩余电量和剩余使用时长的信息。
与此同时，本发明的目的在于提供一种纽扣电池余量测量装置， 其能够解决现有纽扣电池仅仅通过电压这一个参数来估算纽扣电池 余量的不准确性的问题。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种纽扣电池余量测量装置，包括：
用于串联在纽扣电池和主板之间的采样电阻；
第一模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近纽扣电池一端的 电压；
第二模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近主板一端的电 压；以及
微控制器，其用于接收所述第一模数转换器和第二模数转换器测 量的电压，根据所述第一模数转换器和第二模数转换器测量的电压以 及所述采样电阻，得到纽扣电池的初始能量、每个预设时长T内的平 均功耗Pi和能耗Ei，并基于所述纽扣电池的初始能量、Pi和Ei确定纽 扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明实施例中的纽扣电池余量测量方法，在不增加新的复杂的 电路情况下，在纽扣电池放电通路设置精密采样电阻并计算放电电 流，参照纽扣电池的放电曲线，以放电功率为核心参数，来计算出初 始容量。选定特定预设时长T通过平均功耗及累计能耗可以精确的跟 踪纽扣电池的电量变化。即本发明实施例基于能量的角度，通过计算 从初始到当前时刻的累计消耗量而得出电池余量，在整个过程中同时 考虑了电压和电流这两个参数，相比现有技术中纽扣电池仅仅通过电 压这一个参数来估算电池余量，提高了准确性。而且，在实际测量过 程中，不需要拆下纽扣电池，在纽扣电池和主板之间设置采样电阻，通过采样电阻即可直接完成相关测量工作。
此外，本发明实施例同时增加了BMC网管界面，以对电量、剩 余时长等进行可视化设计，警告信息直观明了，便于服务器运维人员 及时了解纽扣电池的余量和是否及时更换，提高了服务器产品的可靠 性和可维护性。
附图说明
图1为本发明实施例中纽扣电池余量测量方法的流程图；
图2为本发明实施例中在15KΩ负载下的放电曲线U(t)、电流曲 线I(t)、放电功率曲线P(t)和剩余能量E(t)的示意图；
图3为本发明实施例中纽扣电池余量测量装置的结构框图。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1所示，本发明实施例提供一种纽扣电池余量测量方法， 该方法包括以下步骤：
S1.根据负载确定纽扣电池的放电曲线，基于放电曲线确定放电 电压小于欠压电压的时刻tend以及放电功率曲线；
具体而言，首先查询需要使用纽扣电池的数据手册，获取厂家提 供的电池参考放电图。例如，图2中曲线1所示为某厂生产的CR2032 电池在15KΩ负载下的放电曲线U(t)。还可以依据欧姆定律可得该负 载下的放电电流曲线I(t)，如图2曲线2所示。以及该负载下放电功 率曲线P(t)＝U(t)I(t)，如图2曲线3所示。
在本实施例中欠压电压为2V，由图2曲线1可以找出在电压小 于2V的时刻tend(图中所示为1220h左右)，依据E(t)＝P(t)(tend-t)可 以作出图2中的曲线4，得出剩余能量与放电时间的关系，从而可以 得出剩余能量与放电功率的关系。
S2.基于放电功率曲线确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，利用 采样电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量E(t0)；
具体而言，首先利用采样电阻获取纽扣电池的初始放电电压和初 始放电电流，得到初始放电功率。然后根据初始放电功率的值在放电 功率曲线上的位置，确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，进而得到纽 扣电池的初始能量E(t0)＝U(t0)I(t0)(tend-t0)，其中U(t0)为纽扣电池的初 始放电电压，I(t0)为纽扣电池的初始放电电流。若纽扣电池为新电池，这里t0＝0，若纽扣电池不是新电池，t0可根据上述方式予以确定。
其中，利用采样电阻获取纽扣电池的初始放电电压和初始放电 电流，具体包括以下步骤：
将采样电阻串联在纽扣电池和主板之间；
分别测量采样电阻两端的电压，将靠近纽扣电池一端的电压作为 初始放电电压；
根据采样电阻两端的电压计算初始放电电流。
通过测量采样电阻两端的电压，即可得到加载在采样电阻上的电 压，结合采样电阻的阻值，即可算得初始放电电流。
在本实施例中，纽扣电池的初始能量可认作该电池开始使用的最 大容量，作为新电池而言，其初始能量为100％，但是实际使用过程 中，放入主板中的纽扣电池可能是已经使用过的，或自然放电一定能 量的，这样情形下只需要利用本实施例中的方法，即可确认其实际的 初始能量。
此外，对于负载的大小并不限于15KΩ，可以根据实际情况灵活 选取。不同的负载会对应不同的放电曲线，基于放电曲线确定放电电 压小于欠压电压的时刻也会不同。但是不管负载的大小是15KΩ还是 其他阻值，对于纽扣电池的容量来说其是固定不变的，这里只是利用 15KΩ的负载来进行计算而已。
S3.从t0时刻起，获取每个预设时长T内的放电电压和放电电流， 计算每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei，其中i＝1,2,3......n，n为 正整数；
具体而言，步骤S3具体包括以下步骤：
S31.利用采样电阻获取每个预设时长T内的平均放电电压Ui和 平均放电电流Ii；
S32.基于每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流计 算对应的Pi和Ei。
通常来说，纽扣电池的放电电压变化极为缓慢，这里的预设时长 T可以取一天，当然这里的预设时长T可以根据扣电池的放电电压变 化的快慢灵活选取其他合适的值。
其中，步骤S31中利用采样电阻获取每个预设时长T内的平均放 电电压和平均放电电流，具体包括以下步骤：
S311.获取每个预设时长T的起点和终点处的放电电压，以起点 和终点处的放电电压的平均值作为该预设时长T内的平均放电电压；
具体的，将一个预设时长T的起点和终点处的放电电压分别记为 U(ti-1)和U(ti)，其中i＝1,2,3......n，n为正整数；当i＝1时，U(ti-1)即为 U(t0)。则该预设时长T内的平均放电电压即为[U(ti-1)+U(ti)]/2。
S312.根据每个预设时长T内的平均放电电压Ui和采样电阻的阻 值计算每个预设时长T内的平均放电电流。
根据步骤S311中获取的U(ti-1)和U(ti)，可以对应算出放电电流 I(ti-1)和I(ti)，则该预设时长T内的平均放电电流即为[I(ti-1)+I(ti)]/2。
在得到了每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流后， 便可以计算平均功耗Pi＝[U(ti-1)+U(ti)][I(ti-1)+I(ti)]/4以及能耗Ei＝PiT。
S4.根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
具体而言，步骤S4具体包括以下步骤：
S41.根据公式Ci％＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/E(t0)×100％计算剩余 电量Ci％；
剩余电量Ci％由初始能量E(t0)减去所有的累计能耗再除以初始 能量E(t0)。本实施例中相当于是以每个预设时长T的终点来进行的结 算，也就是说计算剩余电量Ci％的时刻与t0时刻之间的时长为预设时 长T的整数倍。实际计算时可以根据具体的总的时长来确定所有的累 计能耗。
S42.根据公式Di＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/Pi计算剩余使用时长 Di。
由初始能量E(t0)减去所有的累计能耗即可得到剩余的能量，然后 除以最后一个预设时长T内的平均功耗，即可估算出剩余使用时长Di，这里的最后一个预设时长T是针对计算剩余使用时长Di所处的时 刻而言的。
优选的，本实施例中的方法还包括以下步骤：
判断所述剩余电量Ci％和剩余使用时长Di是否均-大于预设的告 警阈值，若是，则继续统计每个预设时长T内的平均放电电压和平均 放电电流；若否，则发出报警提示。
进一步地，作为一个较好的实施方式，为所述剩余电量Ci％预设 的告警阈值为10％；为所述剩余使用时长Di预设的告警阈值为10天。 此外，为所述剩余电量Ci％预设的告警阈值以及为所述剩余使用时长 Di预设的告警阈值可以根据实际情况合适设置。
进一步地，本实施例中还利用微控制器的网管界面显示放电电 压、放电电流、剩余电量和剩余使用时长的信息。通过这一可视化设 计，从而可以很直观的获取需要的信息。
综上所述，本实施例中的纽扣电池余量测量方法，在不增加新的 复杂的电路情况下，在纽扣电池放电通路设置精密采样电阻并计算放 电电流，参照纽扣电池的放电曲线，以放电功率为核心参数，来计算 出初始容量。选定特定预设时长T通过平均功耗及累计能耗可以精确 的跟踪纽扣电池的电量变化。即本发明实施例基于能量的角度，通过 计算从初始到当前时刻的累计消耗量而得出电池余量，在整个过程中 同时考虑了电压和电流这两个参数，相比现有技术中纽扣电池仅仅通 过电压这一个参数来估算电池余量，提高了准确性。而且，在实际测 量过程中，不需要拆下纽扣电池，在纽扣电池和主板之间设置采样电阻，通过采样电阻即可完成相关测量工作。
此外，本发明实施例同时增加了BMC网管界面，以对电量、剩 余时长等进行可视化设计，警告信息直观明了，便于服务器运维人员 及时了解纽扣电池的余量和是否及时更换，提高了服务器产品的可靠 性和可维护性。
参见图3所示，本发明实施例提供一种纽扣电池余量测量装置， 包括：
用于串联在纽扣电池和主板之间的采样电阻；
第一模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近纽扣电池一端的 电压；
第二模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近主板一端的电 压；以及
微控制器，其用于接收所述第一模数转换器和第二模数转换器测 量的电压，根据所述第一模数转换器和第二模数转换器测量的电压以 及所述采样电阻，得到纽扣电池的初始能量、每个预设时长T内的平 均功耗Pi和能耗Ei，并基于所述纽扣电池的初始能量、Pi和Ei确定纽 扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
其中，采样电阻是用于测量电源输出电流的，结合连接在采样电 阻两端的模拟前端处理电路及其模数转换器件(ADC)：第一模数转 换器和第二模数转换器，将采样电阻两端的电压模拟信号转换成数字 信号送入到微控制器。通过数字化采样电阻两端的电压，采样电阻所 在电源及纽扣电池的电压及其放电电流就能被计算出来。采用这种方 式测量，不需要拆下纽扣电池，在纽扣电池和主板之间设置采样电阻， 通过采样电阻即可完成相关测量工作，在本实施例中，采样电阻的阻 值为几个毫欧。
微控制器(在服务器领域中，通常是BMC芯片，AST2500系列 微控制器)主要用于计算放电电压、放电电流及平均功耗等。软件在 指定的时间点进行电压数据采集，从而实时获取纽扣电池的放电情 况，根据初始容量及累计能耗，得出当前的剩余电量及剩余使用时长。 网管界面开发出纽扣电池状态信息的界面显示模块，用来直观显示电 池的使用情况等信息。
本发明不局限于上述实施方式，对于本技术领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰， 这些改进和润饰也视为本发明的保护范围之内。本说明书中未作详细 描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
Claims (10)
1.一种纽扣电池余量测量方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
根据负载确定纽扣电池的放电曲线，基于放电曲线确定放电电压小于欠压电压的时刻tend以及放电功率曲线；
基于放电功率曲线确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，利用采样电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量E(t0)；
从t0时刻起，获取每个预设时长T内的放电电压和放电电流，计算每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei，其中i＝1,2,3......n，n为正整数；
根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
2.如权利要求1所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述基于放电功率曲线确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，利用采样电阻获取t0时刻纽扣电池的初始能量E(t0)，具体包括：
利用采样电阻获取纽扣电池的初始放电电压和初始放电电流，得到初始放电功率；根据初始放电功率的值在放电功率曲线上的位置，确定纽扣电池初始使用时的时刻t0，进而得到纽扣电池的初始能量E(t0)＝U(t0)I(t0)(tend-t0)，其中U(t0)为纽扣电池的初始放电电压，I(t0)为纽扣电池的初始放电电流。
3.如权利要求2所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述利用采样电阻获取纽扣电池的初始放电电压和初始放电电流，具体包括以下步骤：
将采样电阻串联在纽扣电池和主板之间；
分别测量采样电阻两端的电压，将靠近纽扣电池一端的电压作为初始放电电压；
根据采样电阻两端的电压计算初始放电电流。
4.如权利要求3所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述从t0时刻起，获取每个预设时长T内的放电电压和放电电流，计算每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei，具体包括以下步骤：
利用采样电阻获取每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流；
基于每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流计算对应的Pi和Ei。
5.如权利要求4所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述利用采样电阻获取每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流，具体包括以下步骤：
获取每个预设时长T的起点和终点处的放电电压，以起点和终点处的放电电压的平均值作为该预设时长T内的平均放电电压；
根据每个预设时长T内的平均放电电压和采样电阻的阻值计算每个预设时长T内的平均放电电流。
6.如权利要求1所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述根据E(t0)、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长，具体包括以下步骤：
根据公式Ci％＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/E(t0)×100％计算剩余电量Ci％；
根据公式Di＝[E(t0)－(E1+E2+...+Ei)]/Pi计算剩余使用时长Di。
7.如权利要求6所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述方法还包括：
判断所述剩余电量Ci％和剩余使用时长Di是否均大于预设的告警阈值，若是，则继续统计每个预设时长T内的平均放电电压和平均放电电流；若否，则发出报警提示。
8.如权利要求7所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于：为所述剩余电量Ci％预设的告警阈值为10％；为所述剩余使用时长Di预设的告警阈值为10天。
9.如权利要求1所述的纽扣电池余量测量方法，其特征在于，所述方法还包括：利用微控制器的网管界面显示放电电压、放电电流、剩余电量和剩余使用时长的信息。
10.一种纽扣电池余量测量装置，其特征在于，包括：
用于串联在纽扣电池和主板之间的采样电阻；
第一模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近纽扣电池一端的电压；
第二模数转换器，其用于测量所述采样电阻靠近主板一端的电压；以及
微控制器，其用于接收所述第一模数转换器和第二模数转换器测量的电压，根据所述第一模数转换器和第二模数转换器测量的电压以及所述采样电阻，得到纽扣电池的初始能量、每个预设时长T内的平均功耗Pi和能耗Ei，并基于所述纽扣电池的初始能量、Pi和Ei确定纽扣电池的剩余电量和剩余使用时长。
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