CN113595206A - 一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法，包括以下步骤：建立锂电池与设定的一次电池的电量映射表；采集锂电池的实时电压，并依据电量映射表，将锂电池的实时电压转换为设定的一次电池的电压进行输出。本发明能够确保使用一次电池的设备准确判断电池的剩余电量，避免忽然断电导致的损失。

Description

一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路 和方法

技术领域

本发明涉及电池设计技术领域，特别是一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法。

背景技术

传统的一次电池主要为碱性电池或者碳性电池，均存在不可充电，使用后无法回收利用，且容易造成环境污染问题。可以用于直接替代的镍氢电池或者镍镉电池虽然可以实现循环利用，但是这类电池具有“记忆效应”，即没有用完就取充电未用完的电量会被封存，无法再使用的问题，且无法进行快速充电。

锂电池的能量密度远大于传统的一次电池，使用锂电池替代传统的一次电池在同样的体积下可以用更长的时间，减少了充电次数，提升用户体验，因此市场上有锂电池替代一次电池的A型、AA型、AAA型、AAAA型、C型、D型、SC型等电池面市。

现有的锂电池替代一次电池的方案为：将锂电池通过DC-DC转换，变为固定的1.5或9V等电压输出。这种方案存在一个问题是：设备使用现有方案的锂电池替代一次电池无法准确获取电池剩余电量信息，导致出现突然断电的风险。具体原因分析如下：

使用现有一次电池、一次电池的设备，如无线麦克风、万用表、手持式仪表、遥控器等，都需要进行电量检测，在设备出现或快出现低电量时提早提醒用户：“电池电量低了，请及时更换电池”，以避免由于电池突然没电引发的不便、问题甚至事故。目前采用一次电池供电的设备，都是基于电池电压进行电量估算和测量，例如采用1.5V电池的设备，在电池电压为1.5V时判定电池还处于满电的状态，当电池降至1.15V(该阀值因不同产品略有差别)则判定电池没电，且可能在1.2~1.3V时就提醒用户要及时更换电池。但是采用锂电池经过DC-DC恒压1.5V输出的传统方案，只要电池的电压能提供DC-DC电路工作，就稳定在1.5V，而在锂电池没有电时，则DC-DC直接关闭输出，导致设备直接断电。

因此如果直接采用锂电池经过DC-DC恒压1.5V输出，要么输出1.5V，要么直接断电，没有中间过渡过程，会导致出现前一秒钟还正常使用且设备显示为满电的状态、但是忽然没有电了。这不但会导致使用体验不好，还有可能导致用户损失，例如演唱会现场忽然麦克风没有声音了导致演唱会的中断，甚至在重要场合还会出现事故，例如遥控无人机因为遥控器断电导致无人机失控掉落损毁甚至伤人。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提出一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路和方法，能够确保使用一次电池的设备准确判断电池的剩余电量，避免忽然断电导致的损失。

本发明采用以下方案实现：一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，具体包括以下步骤：

建立锂电池与设定的一次电池的电量映射表；

采集锂电池的实时电压，并依据电量映射表，将锂电池的实时电压转换为设定的一次电池的电压进行输出。

进一步地，采用单片机来采集锂电池的实时电压。

进一步地，采用升压电路、降压电路或者升降压电路来对锂电池的输出电压进行转化。

进一步地，采用DC-DC电路来对锂电池的输出电压进行转化。

进一步地，采用LDO电路来对锂电池的输出电压进行转化。

本发明还提供了一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，包括锂电池以及锂电保护电路，还包括用以采集锂电池电压并将锂电池电压进行转换的电池电压采集及调压输出电路。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与升压电路、降压电路或者升降压电路，采用单片机采集锂电池的电压，升压电路、降压电路或者升降压电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与DC-DC电路，采用单片机采集锂电池的电压，DC-DC电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与LDO电路，采用单片机采集锂电池的电压，LDO电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

与现有技术相比，本发明有以下有益效果：本发明基于锂电池电压采集，利用锂电池电压所反映的电量特性，模拟一次电池输出。通过模拟一次电池的放电电压特性，电压随着锂电池电压的减小而相应减小，使得由一次电池供电的设备能准确判断电池剩余电量，避免忽然断电导致的损失。

附图说明

图1为本发明实施例的电路原理示意图。

图2为本发明实施例一的电路示意图。

图3为本发明实施例二的电路框图1。

图4为本发明实施例二的电路框图2。

图5为本发明实施例三的电路框图1。

图6为本发明实施例三的电路框图2。

图7为本发明实施例二的具体电路示意图。

图8为本发明实施例一的具体电路示意图。

图9为本发明实施例三的具体电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

如图1所示，本实施例提供了一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，具体包括以下步骤：

建立锂电池与设定的一次电池的电量映射表；

采集锂电池的实时电压，并依据电量映射表，将锂电池的实时电压转换为设定的一次电池的电压进行输出。

较佳的，本实施例包括前置步骤如下：

1）建立锂电池电压数据表。进一步的，该曲线可以基于一次电池的额定输出电流*一次电池的额定输出电压/锂电池额定电压。例如：采用单串三元锂电池，额定放电600mA，锂电池额定满电电压4.2V，该数据表基于600mA *1.5V /4.2V = 214mA的锂电池放电电压曲线。

2）参照预期的一次电池特性，建立一次电池放电电压数据表。进一步的，该一次电池放电特性参照市面上的同类一次电池电压放电曲线，例如市面上已有的南孚电池等，在额定电流下的电压曲线。

3）根据相同电量百分比原则，建立锂电池电压与一次电池电压的电量映射表。例如锂电池满电电压为4.2V，对应一次电池输出电压为1.5V；锂电池低电电压3.2V对应一次电池输出1.15V。

进一步地，采用单片机来采集锂电池的实时电压。

进一步地，采用升压电路、降压电路或者升降压电路来对锂电池的输出电压进行转化。

进一步地，采用DC-DC电路来对锂电池的输出电压进行转化。

进一步地，采用LDO电路来 对锂电池的输出电压进行转化。

如图1所示，本实施例还提供了一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，包括锂电池以及锂电保护电路，还包括用以采集锂电池电压并将锂电池电压进行转换的电池电压采集及调压输出电路。

其中，所述锂电池可以为磷酸铁锂电池、三元锂电池、聚合物电池等，可以是单串也可以是多节串联。其中1.5V模拟一次电池从体积考虑优选单节锂电池。

所述锂电池保护电路包含锂电池保护管理IC、及控制电路回路通断的MOS管，或者具备同等功能的集成电路芯片，主要用于实现锂电池的过充、过放、过流、短路、过温等保护，确保锂电池的安全性。

所述电池电压采集及调压输出电路对锂电池的电压进行采样，通过检测锂电池的电压来近似得到电池的电量，根据电池的电压控制输出电压值按照所计算得出的电池电量输出0-1.5V或0-9V电压。

所述电池电压采集及调压输出电路的输出电压可以比电池电压低，例如单节锂电池降压为1.5V，也可以比电池电压高，例如单节锂电池升压至9V，也可以是升降压，例如3节锂电池转换为9V电池。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与升压电路、降压电路或者升降压电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，升压电路、降压电路或者升降压电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与DC-DC电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，DC-DC电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与LDO电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，LDO电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

加下来，以几个具体的实施例对上述过程进行更加具体地描述。

实施例一。

如图2所示，本实施例中采用单片机来采集锂电池的实时电压，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与升压电路、降压电路或者升降压电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，升压电路、降压电路或者升降压电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

具体的，所述单片机含有ADC模块、PWM输出模块。由ADC模块实现电压采集，由PWM模块结合外围电路实现模拟一次电池调压输出。单片机U2通过PWM控制引脚控制SW通断，与D1、L1、R1、R2、C1共同构成BUCK降压电路。

设PWM的占空比为D，电路的输出电压为Vp，锂电池电压为Vbat，按照BUCK的关系式，则有：

Vp=Vbat*D；

本实施例的正常工作时步骤如下：

1）初始化；

2）检测锂电池电压Vbat；

3）根据锂电池电压与一次电池电压的电量映射关系/表,得到目标输出电压Vp。

4）根据输出电压Vp，以及R1/R2分压后的采样电压值，计算PWM输出占空比D。设ADC采样电压的目标值=Vref。D的取值方式默认为：D=Vp/Vbat。

5）进一步的，考虑到负载大小变化，D的取值需要根据采样到的电压进行修正，例如线性修正：D=Vp/Vbat+k*(Vref-Vp*R2/（R1+R2))，也可以根据变化值进行常见的PID修正。

其中，输出电压与电池串联数的关系，上面的Buck电路也可以是升压电路或升降压电路。升压电路功率输出级可以是boost电路、电荷泵电路；升降压功率输出级可以是CUK电路/buck-boost电路等。相应的占空比和负载比例关系的求解原理与上面一致。

具体的，本实施例的具体电路示意图如图8所示。图8采用MCU+外围分立元件的锂电池模拟一次电池电压输出电路。

如图8为所述通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，并实现输出电压的调整。U1为锂电保护芯片，U3为MCU，Q1为放电控制MOS管，Q2为充电控制MOS管。锂电保护芯片起到保护锂电池的作用，避免锂电池因过压、欠压、过流和短路等异常导致锂电池损坏乃至起火爆炸。MCU或者专用芯片起检测电池供电电压，通过PWM控制输出电压的作用。Q3为输出BUCK电路开关管。

所述通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，外围电路实现DC-DC电路的输出电压的调整。以MCU U3为例，与R3和R4共同构成电池电压采集电路，利用芯片内部的ADC计算出锂电池的供电电压，通过PWM输出0-100%占空比的脉冲实现对输出电压的调整，实现根据锂电池电压模拟一次电池放电曲线。根据电路的节点电流法可得出锂电池模拟输出电压Vp和锂电池供电电压之间的关系为：

Vp=Vbat*(R1/R2+1)*D

根据上述公式可知，锂电池模拟输出电压Vp可实现跟随PWM的占空比D变化而变化，锂电池的供电电压2.5-4.35V对应的PWM占空比为0-100%。

实施例二。

本实施例采用DC-DC电路来对锂电池的输出电压进行转化。进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与DC-DC电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，DC-DC电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

如图3以及图4所示，所述电池电压采集及调压输出电路可拆分为电池电压采集及调压输出控制电路和DC-DC电路来控制输出电压，所述电池电压采集及调压输出控制电路与锂电池相连以获取电池电压，与DC-DC电路相连实现锂电池模拟一次电池的放电曲线输出电压，并输出一个位于0V~1.5V供电电源输出，在锂电池正常工作的时候，DC-DC电路根据锂电池输出电压按一次电池的放电曲线输出供电电压可将锂电池的电压2.5V~4.35V转化为0V~1.5V的模拟电量输出，这样所有的设备都可以方便的通过供电电压识别电量信号，来判断电池的剩余电量，剩余电量精度判断可以达到10%以内；所述的DC-DC电路的输出端与设备连接以提供工作电源；所述锂电保护电路的输出端与DC-DC的输入端相连以提供供电源，所述锂电保护电路输出端与锂池电压采集及调压输出控制电路的输入端相连以采集锂电池电量信息。所述锂电保护电路的输出端与外部充电器相连以实现锂电池充电功能。

所述电池电压采集及调压输出控制电路与DC-DC电路的基准电压Vref或反馈输出电压Vfb相连接，通过电阻分压注入或减小输出电压反馈网络，从而达到调节输出电压的目的。

如图4所示，电压采集采用单片机MCU内部的ADC，或者外置ADC连接到MCU，并由MCU的DAC、PWM输出接口，或者外置的DAC、数字电位器等，调整输出基准电压。进一步地，为了减小体积，优选MCU内置的ADC及PWM接口实现锂电池电压的采集和输出电压的控制。

根据节点电流法，上述电路的输出电压Vp、单片机输出的PWM占空比D与参考电压Vref的关系为：

(Vp-Vref)/R1=Vref/R2+Vref*D/R3

得：

Vp= Vref*(R1/R2+1)+Vref*D*(R1/R3)

D=（Vp- Vref*(R1/R2+1)）/(Vref*R1/R3)

本实施例的工作步骤如下：

1）初始化；

2）检测锂电池电压Vbat；

3）根据锂电池电压与一次电池电压的电量映射关系/表,得到目标输出电压Vp；

4）根据输出电压Vp，以及R1/R2分压后的采样电压值，计算PWM输出占空比D =（Vp-Vref*(R1/R2+1)）/(Vref*R1/R3)。

5）由于DC-DC电路能自动调整，即使负载电压变化也能保持在精度范围内，因此单片机/控制器不需要对输出电压进行补偿。

其中，功率输出级也可以是升压电路或升降压电路。升压电路功率输出级可以是boost电路、电荷泵电路；升降压功率输出级可以是CUK电路/buck-boost电路等。相应的占空比和负载比例关系的求解与上述过程的原理相同，不再赘述。

本实施例的具体电路如图7所示。图7通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，外围电路实现DC-DC电路的输出电压的调整。U1为锂电保护芯片，U2为DC-DC芯片，U3为MCU，Q1为放电控制MOS管，Q2为充电控制MOS管。锂电保护芯片起到保护锂电池的作用，避免锂电池因过压、欠压、过流和短路等异常导致锂电池损坏乃至起火爆炸。DC-DC芯片起到降压输出稳定的工作电压的作用，提供电源的稳定性，避免因外部设备的工作电流突变导致供电电压波动，提高系统稳定性。MCU或者专用芯片起检测电池供电电压，通过PWM反馈给DC-DC芯片，实现调整DC-DC的输出电压的作用。

通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，外围电路实现DC-DC电路的输出电压的调整。以MCU U3为例，与R3和R4共同构成电池电压采集电路，利用芯片内部的ADC计算出锂电池的供电电压，通过PWM输出0~100%占空比的脉冲实现对DC-DC的反馈回路的调整，实现根据锂电池电压模拟一次电池放电曲线。根据电路的节点电流法可得出锂电池模拟输出电压Vp和锂电池供电电压之间的关系为：

(Vp-Vref)/R1=Vref/R2+Vref*D/R5

得：

Vp=Vref*(R1/R2+1)+Vref*D*(R1/R5)

根据上述公式可知，锂电池模拟输出电压Vp可实现跟随跟随PWM的占空比D变化而变化，锂电池的供电电压2.5~4.35V对应的PWM占空比为0~100%。其中VREF为DC- DC芯片内部的比较电压，电压和芯片型号有关，一般在0.5V左右。

实施例三。

如图5以及图6所示，本实施例采用LDO电路来对锂电池的输出电压进行转化。进一步地，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与LDO电路，采用单片机的ADC模块采集锂电池的电压，LDO电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。同实施例二，本实施例中的电池电压采集及调压输出电路分为电池电压采集及调压控制输出电路与LDO电路。

其中，电压采集可以采用MCU内部的ADC，或者外置ADC连接到MCU，并由MCU的DAC、PWM输出接口，或者外置的DAC、数字电位器等，调整输出基准电压，实现LDO输出电压调节。见图6。

根据节点电流法，上述电路的输出电压Vp、单片机输出的PWM占空比D与参考电压Vref的关系为：

(Vp-Vref)/R1=Vref/R2+Vref*D/R3；

得到

Vp= Vref*(R1/R2+1)+Vref*D*(R1/R3)

D=（Vp- Vref*(R1/R2+1)）/(Vref*R1/R3)

本实施例的工作步骤如下：

1）初始化；

2）检测锂电池电压Vbat；

3）根据锂电池电压与一次电池电压的电量映射关系/表,得到目标输出电压Vp；

4）根据输出电压Vp，以及R1/R2分压后的采样电压值，计算PWM输出占空比D =（Vp-Vref*(R1/R2+1)）/(Vref*R1/R3)；

5）由于LDO电路能自动调整，即使负载电压变化也能保持在精度范围内，因此单片机/控制器不需要对输出电压进行补偿。

本实施例的具体电路如图9所示，图9采用MCU+LDO的锂电池模拟一次电池电压输出电路。

如图9为所述通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，外围电路实现DC-DC电路的输出电压的调整。U1为锂电保护芯片，U2为LDO芯片，U3为MCU，Q1为放电控制MOS管，Q2为充电控制MOS管。锂电保护芯片起到保护锂电池的作用，避免锂电池因过压、欠压、过流和短路等异常导致锂电池损坏乃至起火爆炸。LDO芯片起到降压输出稳定的工作电压的作用，提供电源的稳定性，避免因外部设备的工作电流突变导致供电电压波动，提高系统稳定性。MCU或者专用芯片起检测电池供电电压，通过PWM反馈给LDO芯片，实现调整LDO的输出电压的作用。

所述通过MCU或者专用芯片进行电池电压采集，外围电路实现LDO电路的输出电压的调整。以MCU U3为例，与R3和R4共同构成电池电压采集电路，利用芯片内部的ADC计算出锂电池的供电电压，通过PWM输出0-100%占空比的脉冲实现对LDO的反馈回路的调整，实现根据锂电池电压模拟一次电池放电曲线。根据电路的节点电流法可得出锂电池模拟输出电压Vp和锂电池供电电压之间的关系为：

(Vp-Vref)/R1=Vref/R2+Vref*D/R5

得：

Vp=Vref*(R1/R2+1)+Vref*D*(R1/R5)

根据上述公式可知，锂电池模拟输出电压Vp可实现跟随跟随PWM的占空比D变化而变化，锂电池的供电电压2.5-4.35V对应的PWM占空比为0-100%。其中VREF为LDO芯片内部的比较电压，电压和芯片型号有关，本例中的Vref=1.25V。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容,依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，其特征在于，包括以下步骤：

建立锂电池与设定的一次电池的电量映射表；

采集锂电池的实时电压，并依据电量映射表，将锂电池的实时电压转换为设定的一次电池的电压进行输出。

2.根据权利要求1所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，其特征在于，采用单片机来采集锂电池的实时电压。

3.根据权利要求1所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，其特征在于，采用升压电路、降压电路或者升降压电路来对锂电池的输出电压进行转化。

4.根据权利要求1所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，其特征在于，采用DC-DC电路来对锂电池的输出电压进行转化。

5.根据权利要求1所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节方法，其特征在于，采用LDO电路来对锂电池的输出电压进行转化。

6.一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，包括锂电池以及锂电保护电路，其特征在于，还包括用以采集锂电池电压并将锂电池电压进行转换的电池电压采集及调压输出电路。

7.根据权利要求6所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，其特征在于，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与升压电路、降压电路或者升降压电路，采用单片机采集锂电池的电压，升压电路、降压电路或者升降压电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

8.根据权利要求6所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，其特征在于，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与DC-DC电路，采用单片机采集锂电池的电压，DC-DC电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

9.根据权利要求6所述的一种基于电压采集的模拟一次电池放电特性的电压调节电路，其特征在于，所述电池电压采集及调压输出电路包括单片机与LDO电路，采用单片机采集锂电池的电压，LDO电路根据单片机的指令将锂电池电压转换为目标输出电压进行输出。

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