CN1228540A - 精确测定电池剩余容量的装置和方法 - Google Patents

Abstract

电池监测系统考虑了诸如便携式计算机的主机的电池温度变化、电池自放电量和电池放电量而确定准确的电池剩余容量。监测系统进一步确定预期的设备剩余工作时间。电池容量测量装置包括微控制器、电池组、电池温度检测电路、电池电压检测电路、负载电流检测电路与电源保存电平检测电路。

Description

精确测定电池剩余容量的装置和方法

本申请是1998年4月30日提出美国专利申请09/069,738号部分继续申请，该申请名为“精确测定电池剩余容量的监测技术”。

本发明与电池监测装置相关，更具体地说，是与精确测量便携式电子设备所使用的电池的剩余容量的技术相关。

便携式计算机与其它电子设备经常是由诸如电池的充电存储装置来提供电源。电池一般都是可充电的密闭的碱性电池，例如镍镉(Ni-Cd)电池或金属镍氢(Ni-MH)电池。有机电解池的锂离子(Li-ion)电池也用在高级便携式电子设备中。上述可充电的电池需要给电池充电的充电器。充电器包括配备在由电池供电设备中的内部充电器，一旦该设备由交流电供电时，这种充电器就开始给电池充电。

更进一步，由电池供电的便携式电子设备经常要求具备监测电池电荷消耗的能力，这样用户能在需要重新充电或更换电池之前确定剩余的使用时间。一种现有的电池监测系统通过测量流过电池的电流的降低来测量电荷消耗。另外一些电子设备与一些电池监测系统通过检查电池两端的电压来测量电池的剩余容量。这种监测系统包括一个微控制器，它读取电池两端的电压，并计算与电池输入电压电平相对应的剩余容量。电池容量的数值被转化为小型伏特计的信号，最好是以数字形式，这一信号提供给诸如笔记本电脑的主机设备。当用户请求时，主机设备通过显示器显示电池电平。

上面提到的监测系统的工作原理如下所述。微控制器确定是否按动了小型伏特计显示键。当键按动后，微控制器检测电池两端的电压。两端电压输入与存储在存储器中的电池电平信号比较，输出为对应于两端电压输入的小型伏特计的信号。存储的电池电平数据对应于典型的电池放电曲线的指定电压间隔。电压间隔依时间被分为几种电池电平，每一种电池电平由特定的电池容量数据指定。小型伏特计信号提供给主机设备，通过软件由百分数或柱状图形式显示电池容量数据。

然而，上面提到的监测系统由于是根据电池的端电压确定剩余电池容量，因而并不精确。现在已经知道，电池剩余容量数据受电池温度、电池自放电以及由电池供电的设备的工作状况的影响。尽管实际电池容量只有很小的变化，但电池剩余容量数据却显示有很大变化。

更进一步，小型伏特计显示方案对用户获得电池剩余工作时间来说是不够的。因此，电池监测系统需要对用户提供在不同的电源消耗电平的情况下电池工作时间的预测。

在智能电池领域已经作出尝试，使其能够记录主机设备的精确信息，针对电池的电荷与化学状态来进行特定的电源管理与充电控制。智能电池装备有专门的硬件，在软件控制下对它的系统主机提供目前状态以及所计算与所预测的信息。智能电池的细节在由Intel与Duracell公司共同开发的“智能电池规范”中有介绍。那些规范定义了智能电池的系统级解决方案，包括电池、充电器与软件层。

尽管该规范对与便携式电子设备中使用的电池相关的问题提供了理想的解决方案，但智能电池具有复杂的结构和高昂的造价。因此，本发明在不使用智能电池设备的情况下，根据对电池剩余工作时间的精确预测，为用户提供精确的剩余电池容量信息。

下面的每一个专利都有和本发明共同的特征，但它们并没有像本发明一样讲授或提出一种精确测量普通电池剩余容量的技术。这些专利包括：Kawai al.的美国专利No.5,650,712，名为“通过持续监测电池电流、电压与温度检测剩余容量的方法”；Dunstan的美国专利No.5,541,489，名为“基于电池特定特征的智能电池电源的可用性”；Dunstan的美国专利No.5,600,230，名为“智能电池基于电池特定特征提供可编程的剩余容量与运行时间警报”；Uskali的美国专利No.5,648,717，名为“带电流积分器的电池充电计和测量电池充电的方法”；Proctor等人的美国专利No.5,656,919，名为“精确监测和指示电池充电状态的装置和方法”；McClure的美国专利No.5,563,496，名为“电池监测与充电控制装置”；van Phuoc等人的美国专利No.5,652,502，名为“带控制电池操作系统的处理器的电池组”；Rogers的美国专利No.5,444,378，名为“电池充电状态检测器”；Taylor的美国专利No.5,191,291，名为“测定第二电池性能容量的方法与装置”；King的美国专利No.5,659,240，名为“电驱动系统的智能电池充电”；Hiratsuka等人的美国专利No.5,680,027，名为“包括用来监测原电池组的内部容量监测仪的电池组”；以及Bullock等人的美国专利No.5,703,471，名为“用来限制电池室充电参数的电池保护电路”。

因此本发明的一个目的是提供一种电池监测系统，它能考虑电池温度的变化、电池自放电量和主机电池放电量而精确测定普通电池的剩余容量。

本发明的另一个目标是提供一种电池监测系统，它能给用户提供剩余电池容量和主机剩余工作时间的精确信息。

根据本发明，电池监测系统包括：用来检测电池的端电压并产生与检测到的电池电压相对应的端电压信号的电压检测器；用来检测电池温度并产生与检测到的电池温度相对应的的电池温度信号的温度传感器；用来检测电池负载电流并产生与检测到的电池负载电流相对应的负载电流信号的电流传感器；用来检测便携式电子设备与显示设备所设置的电源保存电平的装置；以及一个计算器，用来根据检测到的电池电压计算电池的剩余容量，并根据检测到的负载电流计算预计的电池剩余工作时间，并根据电池温度信号和负载电流信号校正计算得出的剩余容量，以及根据设备设置的电源保存电平校正预计的剩余工作时间，所得到的剩余容量与预计的剩余工作时间被输入到便携式电子设备，以显示设备的校正后的电池剩余容量与剩余工作时间。

更进一步，根据本发明提供了一种在主机中使用的测量普通电池剩余容量的方法，这一方法包括如下步骤：检测电池端电压；从检测到的电池电压计算剩余电池容量；检测至少一种引起计算得到的剩余电池容量不准确的环境因素；根据检测到的至少一种环境因素确定是否需要对计算得到的剩余电池容量进行校正；基于至少一种环境因素校正计算得到的剩余电池容量；产生在主机上显示的校正后的电池剩余容量。

所述至少一种的环境因素包括：电池温度的变化、电池自放电量与主机电池放电量中的至少一种。

剩余电池容量校正步骤包括如下步骤：如果电池温度高于预先确定的环境温度，则从计算得到的剩余电池容量减去对应于电池温度变化的一个值；如果电池温度低于预先确定的环境温度，则从计算得到的剩余电池容量加上对应于电池温度变化的一个值。

更进一步，当主机是由电池提供电源时，提供一种指示主机剩余工作时间的方法，它包括：检测电池端电压；检测电池放电电流值；基于检测到的电池端电压与电流值计算设备的可用工作时间；检测至少一种主机中设置的电源保存相关因素；根据检测到的至少一种电源保存相关因素确定是否需要对计算得到的剩余工作时间进行校正；基于至少一种电源保存相关因素校正计算得到的剩余工作时间；产生在主机上显示的校正后的剩余工作时间。

这个至少一种的电源保存相关因素包括：在BIOS ROM的电源管理设置中设置的电源保存电平、在操作系统的显示特性中设置的显示器电源保存电平中的至少一种。

对本发明的更完整的评价、以及许多别的优点在如下参考附图的详细介绍中将变得逐步明显和易于理解，这些附图中用相同的标号表示相同或相似部件，其中：

图1说明已知的基于从电池检测到的电压电平显示电池剩余容量数据的的电池监测系统的图。

图2是显示图1的监测系统的工作的流程图。

图3是显示可充电电池的典型放电电压曲线的曲线图。

图4说明显示在便携式计算机的监测仪屏幕的小型伏特计的图表。

图5是描述根据本发明的电池监测系统的框图。

图6是描述图5的电池监测系统采用的方法，并根据本发明测定电池剩余容量的图。

图7是显示图5的监测系统的工作的流程图。

图8是显示根据电池温度变化绘制的放电电压曲线的图。

图9是显示根据电池自放电的电池电压变化的图。

图10是显示根据电池负载电流变化绘制的放电电压曲线的图。

图11是显示根据本发明显示在检测仪屏幕的小型伏特计的图。

图1到图4展示了前面讨论的现有技术中的已知的电池监测系统。这一电池监测系统包括微控制器20、电池10、主机30与显示器40。Vin是由微控制器20从电池10两端电压检测到的电压电平。输入电压电平被转换为预先定义的剩余电池容量值，产生提供给主机30的小型伏特计信号Vs。

如图2所示，在步骤22，微控制器20确定是否按动了小型伏特计显示键。微控制器20在步骤24检测电池的端电压，并且将电压Vin与存储在存储器中的电池电平数据进行比较。微控制器20在步骤26输出对应于电池电平数据的小型伏特计信号Vs，在步骤28电池剩余容量数据显示在主机的显示器40上。

如图3所示，存储的电池电平数据符合典型电池放电曲线的指定电压间隔Vs1-Vs6。电压间隔在时间上分为从零到F点的六个电池电平，每个电池电平由特定电池容量数据指定为从100％到10％。例如，如果检测到的两端电压符合点A和点B之间的电压间隔Vs2的电池电平数据，电池容量数据将表示为80％的剩余电池容量。

图4所示是显示在便携式计算机的监测仪屏幕上的小型伏特计。小型伏特计显示在窗口W13上，窗口包括标题条W11，其中有关于目前电池电平和剩余电池容量的信息。剩余电池容量由百分数表示，并且也能通过软件由柱状图来表示。

参考图5，其中显示了根据本发明的电池监测系统。这一电池监测系统60包括微控制器62、电池组64、电池温度检测电路65、电池电压检测电路66、亮度位置检测电路67，以及负载电流检测电路68。微控制器62与诸如笔记本电脑的主机50相连。主机50包括计算机主板、备用板52、存储器54、内存56、LCD显示器58与LCD反光控制器59。主机50更进一步包括DC/DC转换器42与电池充电电路44。AC适配器46连接到DC/DC转换器42与电池充电电路44。充电电路44与电池组64相连。

主机50通常由电池64供电，有时也由连接到AC输出线的电源适配器46供电。AC适配器46的DC输出由充电电路44与DC/DC转换器42提供，这样无论何时设备由AC电源供电时充电器44都可以给电池组64充电。当没有使用AC电源时，电池组64的DC电源也由DC/DC转换器42的输入提供。DC/DC转换器42产生主机需要的适当的工作电压。

电池组64通常包括多个诸如Ni-MH原电池的电池组，在电池组里提供了热敏电阻，用来在电池的充电或放电过程中检测电池的表面温度。电池组64有一个连接到电池温度检测电路65的温度检测端。电池温度检测电路65检测热敏电阻的阻值，并将它输入到微控制器62。电池电压检测电路66也检测电池端电压，并将它提供给微控制器62的另一个输入。更进一步，负载电流检测电路68在主机的电源输入端检测主机50的负载电流，并将它提供给微控制器62的另一个输入。微控制器62提供的定时器63在电池充电达到满充电状态时开始计数时间。

此外，亮度位置检测电路67检测LCD反光控制器59的亮度值，并将它发送到微控制器62的另一个输入。主机50检查存储在计算机系统的BIOS ROM中的系统电源管理设置情况，以及在普通操作系统中的显示特性下的显示器电源管理设置情况，以将它们提供给微控制器62。微控制器62的功能是根据本发明监测电池的性能和主机的电源消耗程度；其考虑了主机电池温度的变化、电池自放电量、电池放电量、LCD反光设备的亮度电平、主机中设置的电源保存电平，以及普通操作系统中设置的显示器电源保存电平，产生精确的电池剩余容量数据及主机的预计工作时间。

参考图6与图7，下面将介绍由微控制器62所执行的确定电池剩余容量与主机的剩余工作时间的方法。图6展示了微控制器62采用的确定电池剩余容量与剩余工作时间的方法，图7显示了图5所示的监测系统的工作原理。在图6中，微控制器62的输入是由电池电压检测电路检测到的电池端电压数据Vin。另外，微控制器62提供的来自电池温度检测电路的表示电池自放电量的电池温度数据ΔT和来自定时器63的定时器数据ΔD，以及来自负载电流检测电路68的表示电池当前放电速率的负载电流数据ΔL都由微控制器62接收。

更进一步，微控制器62的输入是来自亮度位置检测器67的亮度值ΔB、系统BIOS 50a中的电源管理设置的电源保存程度ΔP、来自操作系统50b的显示特性的显示器电源管理设置数据。

微控制器62的输出是经计算的电池剩余容量数据与预期的主机剩余工作时间。

微控制器62基于图8的电池放电电压曲线(G1)，在微控制器产生的电池剩余容量数据上加上电池温度变化ΔT、电池自放电量ΔD与电池放电量ΔL，图8的曲线是在环境温度(25摄氏度)、30分钟到一个小时的自放电时间、以及大约两小时电池使用时间的负载电流的情况下绘制的。

对应于端电压数据Vin的电池剩余容量数据首先根据电池温度的变化值ΔT进行校正。正如图8所示的电池放电曲线G2与G3中所看到的那样，与环境温度相比时，温度高时电池放电电压增加，温度低时减小。例如，在环境温度，根据图G1，检测到的电池电压12.4伏对应于电池容量的50％。然而，在高温度时，根据放电曲线G2，同样的电池电压可能表示电池容量的20％。同样，在低温度时，根据放电曲线G3，同样的电池电压可能表示电池容量的80％。因此，微控制器62检测温度变化ΔT，并将它转化为正确的输入端电压数据的值，这样这个值从输入两端电压上加上或减去。更进一步的校正可以考虑如下因素来进行：对电池化学差异的算术数据、厂家和类型。

其次，对应于端电压数据Vin的剩余容量数据Vs根据时间上的自放电变化来进行校正。正如图9所示的电池放电电压曲线中所看到的那样，当电池不用时电池电压从完全充电状态下降一个数小量。微控制器62从定时器63检查定时器数据ΔD，计算从电池充电末点计数的自放电时间。自放电时间被转换为一个值，校正输入端电压数据，这样这个值被加到输入端电压上。

最后，对应于两端电压数据Vin的剩余容量数据Vs根据系统主机的电流降引起的负载电流数据的变化ΔL进行校正。正如图10所示的放电电压曲线G4、G5与G6中所看到的那样，电池电压随着主机放电的负载电流的变化而变化。放电曲线G4是在高负载电流状态下绘制的。电池电压在主机完全存取时降低。对于曲线G4，可能获得50％的电池剩余容量数据，尽管实际上剩余电池容量是60％到70％。在中等负载电流时，绘制了放电电压曲线G5，这时50％的电池剩余容量数据可能符合实际的电池剩余容量。在低负载电流的情况下，当主机进行电源管理操作，这时的放电电压曲线为G6，这时可能获得50％的电池剩余容量数据，尽管实际上剩余电池容量是30％到40％。这时进行校正，使负载电流数据的变化ΔL转化为应用到获得的电池剩余容量数据的一个因数；在高负载电流的情况下，这个因数基本上由IC指定。对于中等与低负载电流，这个指定的因数分别是0.5C与0.2C。

更进一步，微控制器62在负载电流检测器68检测得到的电池电流放电的当前速率与电池两端电压的基础上，计算主机的预期剩余工作时间。因此计算得到的电源消耗率被校正，这样电源保存电平的变化ΔP被转化为一个因数，并加到当前的电源消耗率上。如果电源管理系统(PMS)的电源保存电平设置为低/中/高，这样当每个电源管理定时器工作时，相应的设置情况将减小当前的电源消耗率。在这种情况下，只要电源保存OFF状况被转化为其值为一的因数，校正因数可以设置得比一(1)低。由亮度位置检测仪67检测到的亮度控制值的变化ΔB也被转化为一个因数，并加到当前的电源消耗率上。如果亮度位置值减小到低于预设值，校正因数将设置为低于一，这样减小了当前的电源消耗率。与此相似，由于当相应的定时器工作时，设置状况将减小或断开应用到显示设备的电源，显示器电源管理设置情况的变化将引起当前电源消耗率的校正。

下面将参考图7简要地介绍电池监测系统的工作原理。当用户在步骤102要求时，微控制器62检测普通Ni-MH电池的端电压。微控制器62根据图3所示的典型电池放电曲线在步骤104将检测到的端电压转化为剩余容量数据。然后微控制器62在步骤106检测负载电流，以计算主机的当前电源消耗率。在步骤108进行进一步的计算，以根据当前电源消耗率的信息获得设备的预期剩余工作时间。

接着，在步骤110检测电池温度与定时器数据，用来确定与环境温度相比的温度变化ΔT以及电池自放电量ΔL。

在步骤112确定变化ΔT、ΔL与ΔG是否存在。如果ΔT、ΔL与ΔG中至少有一个存在，微控制器在步骤114根据电池环境因素值校正电池剩余容量数据。更进一步，在步骤116检查PMS的电源保存电平与LCD反光亮度电平，以在步骤118确定变化ΔP与ΔB是否存在。

如果ΔP与ΔB中至少有一个存在，微控制器在步骤120根据主机的电源保存相关因素的值校正步骤118获得的剩余工作时间数据。

最后，作为结果的电池容量数据和剩余工作时间数据在步骤122提供给主机，使主机显示电池剩余容量和剩余工作时间。图11显示了在便携式计算机的检测仪屏幕上显示上述的电池剩余容量和剩余工作时间的小型伏特计的一个示例。小型伏特计在窗口W20上显示，窗口包括了标题条W22，其中有关于当前电池电平、电池剩余容量与设备可用工作时间的信息。通过软件程序，剩余电池容量表示为百分数以及柱状图W24。可用工作时间也表示为小时与分钟，以及柱状图W26，它给用户提供精确的易于识别的剩余电池容量和可用工作时间。

正如前面介绍的那样明显，本发明的电池监测系统提供符合电池剩余电压的普通电池的精确的剩余工作时间，考虑进了主机电池温度的变化、电池自放电量和电池放电量。更进一步，本发明用简单的方案提供了主机剩余工作时间的精确表示。这样，在使用普通Ni-MH电池的电池提供电源的电子设备上能提供合算的和更有预期性的电池监测系统

可以理解本发明并不限制于此处作为执行本发明的优选实施例的特定实施例，但是除了附加权利要求所定义的，本发明不限制于本说明书所介绍的特定实施例。

Claims (17)

1．测量便携式电子设备中使用的普通电池的剩余容量的装置，包括：

用于检测电池的端电压并产生与所检测电池电压相对应的端电压信号的电压检测器；

用来检测电池温度并产生与检测到的电池温度相对应的电池温度信号的温度传感器；

用来检测电池负载电流并产生与检测到的电池负载电流相对应的负载电流信号的电流传感器；

用来检测便携式电子设备和显示设备中设置的电源保存电平的装置；

以及一个计算器，用来根据检测到的电池电压计算电池剩余容量以及根据检测到的负载电流计算预计的设备剩余工作时间，并根据电池温度信号和负载电流信号校正计算得到剩余容量，根据设备设置的电源保存电平校正预计剩余工作时间，作为结果的剩余容量和预计的设备剩余工作时间输入到便携式电子设备，使其显示校正后的电池剩余容量和设备的剩余工作时间。

2．权利要求1测量便携式电子设备中使用的普通电池的剩余容量的装置，进一步包括：

用来给电池充电的充电器；

用来测量电池从充电结束到开始放电的时间间隔与与测量得到的时间间隔相对应的定时器信号的定时器；

用来检测LCD显示器反光的电源消耗电平的反光亮度位置检测器，并且计算器进一步根据定时器信号校正作为结果的剩余容量和根据反光设备的亮度控制位置的变化校正预期的剩余工作时间。

3．权利要求1测量便携式电子设备中使用的普通电池的剩余容量的装置，计算器从存储在系统BIOS中的电源管理设置数据与操作系统的显示特性的显示器电源管理设置数据检测设备的电源保存电平。

4．权利要求1测量便携式电子设备中使用的普通电池的剩余容量的装置，其中电池为封闭的可充电电池，包括多个原电池和一个用来检测原电池表面温度的热敏电阻。

5．权利要求1的装置，上述普通电池由可充电的镍镉电池、可充电的镍金属氢电池或可充电的锂铁电池中的一种组成。

6．测量主机中使用的普通电池的剩余容量的方法，包括：

检测电池端电压；

根据检测到的电池电压计算剩余电池容量；检测至少一种引起计算得出的剩余电池容量不准确的环境因素；

确定是否需要根据检测到的至少一种环境因素对计算得出的剩余电池容量进行校正；

基于至少一种环境因素校正计算得出的剩余电池容量；

产生用于在主机上显示的校正后的电池剩余容量。

7．权利要求6测量主机中使用的普通电池的剩余容量的方法，其中至少一种环境因素包括：主机的电池温度变化、电池自放电量与电池放电量中的至少一种。

8．权利要求6测量主机中使用的普通电池的剩余容量的方法，其中剩余电池容量校正步骤由如下步骤组成：如果电池温度高于预先确定的环境温度，则从计算得出的剩余电池容量减去对应于电池温度变化的一个值；

如果电池温度低于预先确定的环境温度，则从计算得出的剩余电池容量加上对应于电池温度变化的一个值。

9．权利要求6的方法，其中剩余电池容量校正步骤由如下步骤组成：

如果检测到的负载电流高于预先确定的负载电流，而实际电池容量等于显示在主机上的电池剩余容量数据，在计算得出的剩余电池容量上加上对应于负载电流的变化的值；

如果检测到的负载电流低于预先确定的负载电流，在计算得出的剩余电池容量上减去对应于负载电流的变化的值。

10．权利要求6的方法，其中剩余电池容量校正步骤由如下步骤组成：

如果定时器输出大于预先确定的数值时，在计算得出的剩余电池容量上加上对应于定时器输出信号的值；

如果定时器输出小于预先确定的数值时，在计算得出的剩余电池容量上减去对应于定时器输出信号的值。

11．权利要求6的方法，电池为封闭的可充电电池，包括多个原电池与用来检测原电池表面温度的热敏电阻。

12．一种当主机由电池提供电源时表示主面剩余工作时间的方法，包括：

检测电池端电压；

检测电池放电流值；

基于检测得到的电池端电压和电流值计算设备的可用工作时间；

检测主机设置的至少一种电源保存相关因素；根据检测得到的至少一种电源保存相关因素确定是否需要校正计算得到的剩余工作时间；

基于至少一种电源保存相关因素校正计算得到的剩余工作时间；

产生用于在主机上显示的校正后的剩余工作时间。

13．权利要求12一种当主机由电池提供电源时表示主机剩余工作时间的方法，其中至少一种电源保存相关因素包括：BIOS ROM的电源管理设置中设置的电源保存电平的变化和操作系统的显示特性中设置的显示器电源保存电平中的至少一种。

14．权利要求12一种当主机由电池提供电源时表示主机剩余工作时间的方法，其中计算得到的剩余工作时间校正步骤由如下步骤组成：如果电源保存电平增加到一个高电平，从计算得到的当前电源消耗率减去一个对应于电源管理系统中设置的电源保存电平的变化的值。

15．权利要求12一种当主机由电池提供电源时表示主机剩余工作时间的方法，其中计算得到的剩余工作时间校正步骤由如下步骤组成：如果显示器电源保存电平增加到一个高电平，从计算得到的当前电源消耗率减去一个对应于显示器电源管理系统中设置的显示器电源保存电平的变化的值。

16．权利要求12一种当主机由电池提供电源时表示主机剩余工作时间的方法，其中计算得到的剩余工作时间校正步骤由如下步骤组成：

如果亮度值高于预先确定的电平，在计算得到的当前电源消耗率上加上一个对应于LCD反光的亮度控制值的变化的值；

如果亮度值低于预先确定的电平，在计算得到的当前电源消耗率上减去一个对应于LCD反光的亮度控制值的变化的值。

17．权利要求12的方法，电池为封闭的可充电电池，包括多个原电池与用来检测原电池表面温度的热敏电阻。

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