CN1348544A - 正确确定电池剩余寿命的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种正确确定电池剩余寿命的装置。所述装置包括提供控制信号(46)的第一电路。第二电路使用电池(34)的内阻值和电池电压根据控制信号提供电池剩余寿命。在一个特定实施例中,第二电路包括根据控制信号测量电池内阻的第三电路(36)。第三电路还包括在变化的电池负载处测量电池(34)的输出电流和输出电压的电路。测量输出电流的电路包括电流表(40)和开关负载(42)。在一个更特定的实施例中,把开关负载(42)实施为通过控制信号选择性地激励的发射机。包括在第二电路中的第四电路根据内阻提供电池剩余寿命。第四电路还包括根据内阻选择电池放电曲线的电路。运行在第一电路上的软件根据放电曲线产生估计,接着通过显示器显示。

Description

正确确定电池剩余寿命的装置和方法
发明背景
发明领域
本发明涉及电池。特别，本发明涉及用于指示可再充电电池的充电状态和用于指示何时应更换电池的装置和方法。
现有技术的描述
对电池进行设计以便对许多应用提供近似恒定的电压，其范围从在无线电话中的电子放大器和接收机到汽车的自动电子放大器和接收机。这种应用经常要求正确的电池计量器或指示器来指示电池剩余寿命。在诸如无线电话之类的应用中，正确的电池寿命指示器尤为重要，其中，可再充电电池比较普通，并且要求知道电池剩余寿命。
电池通常包括浸在具有去极化混合物的电解质中的两个金属电极。通常根据所使用的电解质的类型命名电池，诸如镍-镉电池、碱-锰电池、铅蓄电池、水银电池、锌-碳电池以及锂电池。
一般，把电池设计成近似于理想电压源。然而，不象具有零内阻的理想电压源，电池具有非零内阻，通常这在设计诸如电池剩余寿命指示器之类的电子装置时不能忽略。电池的内阻随电池的老化而变化，但是在诸如充电和放电期间的短时间周期中保持相对的恒定。当可再充电电池经过数个充电周期而老化时，当它的化学性质，即电解质和/或去极化混合物，降低时，它的内阻增加。当电池的化学性质降低时，它保持电荷的能力也降低。
通常由放电曲线给出电池的性能，这是描绘电池电压作为时间的函数的曲线，所述时间给出预定的放电速率，即电池电流形成。通常在放电曲线弯曲处放电曲线显著地下降。
放电曲线随电池的内阻、电池放电速率和温度而变化。锌-碳电池尤其是如此。当放电曲线变化时，电池的容量和寿命也变化。此外，放电曲线根据电池的类型而变化。在可再充电电池技术中的当前趋势造成放电曲线具有较急剧的弯曲处，这可能增加与传统电池寿命指示器相关联的误差。
当电池老化时，它的内阻通常要增加。因此，通过放电曲线描绘的电池电压输出不但随温度和放电速率而变化，而且还随电池的老化而变化。高放电速率、温度的降低或延长储藏周期会降低电池容量和寿命跨度，并导致放电曲线更快地降低。大多数电池具有有限的储藏期限，这是未使用电池的电压下降到低于它的原始电压的预定百分比所要求的时间。
显示电池剩余寿命的一种方法是测量电池电压和显示作为电池剩余寿命指示的一个值，所述值等效于所测量电压对新电池的电压的比值。不幸地，这种计量器常常是靠不住的，并且不考虑在电压放电曲线中的弯曲，或放电曲线随温度、放电速率、电池老化等的变化。例如，当电池的状态接近放电曲线的弯曲处时，计量器可能指示电池近似于充足电，事实上，它不久就需要再充电。
另一种方法包括考虑新电池的放电曲线的平均形状，并把电压值从平均放电曲线映射到随时间线性地变化的一组值。如此，当电池电压接近放电曲线的弯曲处时，电池寿命指示器就更正确，并且不象放电曲线到达弯曲处时电压突然跌落那样。然而，这种方法有明显的局限性。
当电池老化时，象电池内阻变化那样，放电曲线从新电池的放电曲线变化。经过一段时间，简单地测量电池电压和计算新电池的平均放电曲线所指示的电池剩余寿命很快地变成不正确。这个方法还不计及由于放电速率的变化或温度的变化而引起的电池放电曲线的变化。因此，当诸如在通过使用电池的无线电话进行电话呼叫期间从电池汲取(draw)较多的电流时，电池指示器将显示错误的信息。例如，在呼叫之后，许多电话显示器立即明显地减少了电池寿命。此后很短时间，由于电池本身再充电而电池寿命指示器上升。
因此，用于指示电池剩余寿命的现有装置和方法一般不计及当电池老化和它的内阻增加时的电池放电曲线的变化。当电池老化时，跨越电池内阻的电压降增加，改变放电曲线，并负面地影响电池指示器或计量器的正确度。此外，当从电池汲取更多的电流时，电池内阻上的的电压降更大，这也使放电曲线变化。这在原始地仅基于电池电压的电池计量器中引入误差。当电池老化时，用来估计电池剩余寿命的预定电池电压变得不合适了，因为它们是根据新电池的放电曲线选择的。
因此，在本技术领域中对用于正确地显示可再充电电池的剩余寿命的装置和方法有需求。还进一步需要一种装置，所述装置计及随老化的电池内阻的变化以及随放电速率的电池放电的变化。
发明概要
本发明要解决的技术问题是提供能正确确定电池剩余寿命的装置和方法。在说明性实施例中，本发明的装置适合于带有无线电话的应用，并包括用于提供控制信号的第一电路。第二电路使用电池的内阻值和所测量电池电压，以根据控制信号提供电池剩余寿命的指示。
在具体实施例中，第二电路包括第三电路，所述第三电路根据控制信号测量电池的内阻。第三电路还包括一个电路，该电路用于在变化的电池负载处测量电池的输出电流和输出电压。测量输出电流的电路包括一个电流表和一个开关负载。
在一个更具体的实施例中，将开关负载实施作为一个发射机，通过控制信号可以有选择地激励所述发射机。第四电路根据内阻提供电池剩余寿命的指示。第四电路还包括一个电路，用于根据内阻选择电池放电曲线。在第一电路上运行的软件根据放电曲线和电池电压产生估计，接着通过显示器显示。
第二电路促进了本发明的新颖的设计，所述第二电路测量或计算电池的内阻。当电池的内阻随老化、温度和其它变量变化时，电池的放电曲线也变化。通过计及经过电池的寿命的电池内阻变化，第二电路使用更合适的放电曲线来提供电池剩余寿命的更正确的指示。此外，第二电路包括随电流负载变化的放电曲线中的变化，这实质上计及电池的内阻并进一步改善第二电路对合适的放电曲线的选择。
附图简述
图1表示输出平均放电曲线的曲线图，用于带有100mA内电流汲取的传统D-尺寸电池的变化类型。
图2表示正确地指示本发明的电池剩余寿命的装置图，所述本发明适合于带有无线电话的应用和具有一个电池电阻-测量装置。
图3表示图2的电池电阻-测量装置的详细图。
图4表示确定电池剩余寿命的方法的流程图，是通过运行在图2的装置的计算机上的软件而实施的。
本发明的描述
在这里参考特定应用的说明性实施例描述本发明时，应该理解，并不是对本发明进行限制。在本技术领域中具有普通技术的和接触使用这里所提供的学说的人员将理解在本发明的范围内的另外的修改、应用和实施，以及将本发明理解到有重大应用的其它领域。
下面通过复习传统电池的放电曲线以促进对本发明的理解。
图1的曲线图10示出：用于具有100mA的初始汲取电流的传统D-尺寸水银电池的放电曲线12；以及用于具有100mA的初始汲取电流的传统镍-镉(Ni-cad)电池的放电曲线14。曲线图10包括标有伏特的垂直电池电压轴16以及标有小时的时间轴18。水银放电曲线12相当平滑地和逐步地从约1.45伏降低到约1.05伏，直到约150小时为止，之后，在水银放电曲线弯曲处20放电曲线急剧地跌落。相似地，镍-镉放电曲线14相当平滑地和逐步地从约1.20伏降低到约0.95伏，直到约150小时为止，之后，在镍-镉放电曲线弯曲处22放电曲线急剧地跌落。
为了本讨论的目的，术语相对电池剩余寿命(relative remaining batterylife)涉及相对于充足电的电池的电池寿命的电池剩余寿命部分。可以以电池剩余寿命的百分数来显示相对电池剩余寿命。
许多传统电池计量器(未示出)设计成简单地通过显示电池电压来指示相对电池剩余寿命。结果，当放电曲线12和14接近弯曲处20或22时，当从电池汲取不同的电流量(不是100mA)以致使放电曲线12和14偏移时，当在可再充电电池的情况中经过数个充电周期而电池老化时，以及当诸如温度之类的某些环境因素明显地变化时，这种装置可能显示电池剩余寿命的错误指示。
例如，为了计及放电曲线弯曲处，某些电池计量器装置分别把水银放电曲线12映射到第一线性函数24和把镍-镉放电曲线14映射到第二线性函数26，所述函数在电池的预期寿命周期上线性变化。显示线性函数24和26作为电池剩余寿命的指示。
不幸地，这种装置仍未计及变化的电流负载、电池的老化以及诸如温度之类的其它环境因素。当电池老化或当温度变化时，电池的内阻也变化。本发明使用这个通常未被理解的事实，以及电池的放电曲线随变化的电流负载而变化的事实，以提供相对电池剩余寿命的正确指示。
图2是使用本发明的装置32的无线电话的图，用于正确地指示电池剩余寿命。为了清楚起见，已经从图2的电话30的图中省略了诸如计算机、扬声器、振荡器编码器、放大器、滤波器等各种部件。熟悉本技术领域的普通技术的人员会知道在何处以及何时实施附加的必需部件。
装置32包括连接到电阻-测量装置36的具有正端和负端的电池34，以及计算机38。还把电池34的负端连接到发射机42。在电池34的正端与发射机42之间连接一个电流表，电流表测量从电池34传送到发射机42的电流。把电流表40的输出并联地连接到计算机38和电阻-测量装置36。把计算机38的输出连接到显示器44。把控制线路46并联地连接到发射机42和延迟电路48。把延迟电路48的输出连接到电阻-测量装置36。把发射机42连接到双工器50，把所述双工器50连接到天线52。
在操作中，计算机38存储与电池34的不同电流负载以及电池34的内阻相关联的各种放电曲线。对于特定电池和应用，熟悉本技术领域的普通技术的人员可以根据经验得到放电曲线。
电阻-测量装置36把电池34的内阻提供给计算机38。可以看到所存储的放电曲线为放电曲线的两维阵列，所述阵列具有电流轴和内阻轴。实际上，阵列保留两个或多个电流状态的放电曲线以及两个或多个电池内阻值的放电曲线。可以通过与电池34相关联的经验数据确定放电曲线。另一方面，计算机38可以运行一种为电池34定制的算法，以根据来自电流表40和电阻-测量装置36的输入计算放电曲线。
下面更详细地进行描述，计算机38运行软件来选择或计算与给定电池状态(如通过来自电流表40和电阻-测量装置36的输入所指示的)相关联的放电曲线。一旦根据电池34的内阻和在电池34上的电流负载选择放电曲线，则运行在计算机38上的软件把放电曲线映射到线性函数(见图1)，所述线性函数在根据放电曲线确定的电池的预期寿命上变化。把与当前电池电流负载、内阻和电池电压相关联的线性函数值从计算机38传递到显示器44，把它作为电池34的相对剩余寿命的正确指示而在显示器上显示。通过电池34把电池电压提供给计算机38，计算机38可以包括电压表或其它电压检测电路或算法，以测量电池电压。另一方面，可以把当前电池电压通过包括在电阻-测量装置中的电压表提供给计算机38，如下更详细的描述。
当电阻-测量装置36指示的电池34的内阻超过预定门限值时，运行在计算机38上的软件还执行一种算法以进行监测。一旦电池34的内阻超过预定门限值，就通过显示器44显示警告，把电池34接近它的寿命终点需要立即更换告诉无线电话30的用户。预定门限值是应用-特定的，而且熟悉本技术领域的普通技术的人员可以容易地确定所述预定门限值以符合给定应用的需要。
通过来自计算机38在控制线路46上传递的控制信号，计算机38周期性地激励作用如同开关负载的发射机42。在本特定实施例中，当控制信号从低电平状态到高电平状态跳变时，接通发射机，并开始通过双工器50和天线52发送信号。双工器50促进在通过发射机42实施的发送功能和通过接收机(未示出)实施的接收功能之间的天线资源的共享。
当激励发射机并发射时，从电池34汲取峰值电流，这增加了电池放电速率，并使电池34的电压放电曲线偏移。激励发射机之后的较短时间(如延迟电路48提供的一个延迟)，通过从延迟电路48输出的经延迟的控制信号激励电阻-测量装置36。电阻-测量装置36存储来自电流表40的电流读数(Iload)以及来自电池34的电压读数(Vload)。熟悉本技术领域的人员会理解，在某些应用中，发射机42(或其它负载)可以具有固定的预定电流汲取，因此排除了测量它的需要。
当在控制线路46上的控制信号跳变到低电平状态时，发射机断开，电阻-测量装置36存储来自电流表40的电流读数(Io)以及来自电池34的电压读数(Vo)。然后电阻-测量装置36从以前存储的电流读数Iload减去最近存储的电流读数Io以产生表示通过发射机42的激励而诱发的电流变化的值(ΔI)。电阻-测量装置36还从最后存储的电流读数Vo减去以前存储的电压读数Vload以产生表示通过发射机42的激励而诱发的电压变化的值(ΔV)。然后电阻-测量装置36根据下述公式把电压变化(ΔV)除以电流变化(ΔI)以产生电池34的内阻：
             Ri＝ΔV/ΔI                  (1)
如果当不激励发射机42时，近似地没有从电池34汲取电流，则公式(1)减少为：
             Ri＝ΔV/Iload                (2)
运行在计算机38上的软件使用内阻Ri和来自电流表40的读数来选择放电曲线，该放电曲线最接近地相关联于通过内阻Ri和电流负载Iload给出特征的电池34的状态。然后使用所选择的放电曲线，与当前电池电压一起，显示相对电池剩余寿命54的正确指示。
熟悉本技术领域的人员会理解，可以在除无线电话之外的装置中实施用于提供相对电池剩余寿命的正确指示的装置而不偏离本发明的范围。例如，可以用诸如可变电阻之类的其它开关负载来代替发射机42。
图3是示出图2的电阻-测量装置36的更详细的图。用在图2中的开关负载42’代替图1的发射机42。开关负载42’可以是无线电话显示器背照明机构或在诸如开关负载电阻器之类的其它装置上的其它机构。
电阻-测量装置36包括具有一个正端的电压表60，所述电压表正端通过电流表40连接到电池34的正端。把电压表60的负端连接到电池34的负端。把电压表60的输出连接到第二锁存器62、第四锁存器64以及图2的计算机38。把第二锁存器62的输出连接到第一减法器66的正端。把第四锁存器64的输出连接到第一减法器66的负端，把第一减法器66的一个输出连接到除法器68。把电流表40的一个输出连接到计算机(见图1的38)、第一锁存器70以及第三锁存器72。把第一锁存器70的一个输出连接到第二减法器74的正端。把第三锁存器72的一个输出连接到第二减法器74的负端，把第二减法器74的一个输出也连接到除法器68。把除法器68的一个输出连接到图1的计算机38。把控制线路64连接到开关负载42’，以及连接到第一延迟电路48的一个输入。把从第一延迟电路48输出的延迟控制信号76连接到第一锁存器70的控制输入、第二锁存器62的控制输入以及反相器78的输入。把反相器78的输出连接到第三锁存器72的控制输入和第四锁存器64的控制输入。锁存器62、64、70和74是上升沿触发锁存器，熟悉本技术领域的人员可以容易地构成和排列它们。
当反相器78的输出从低电平状态跳变到高电平状态(上升沿)时，经延迟的控制信号76从高电平状态跳变到低电平状态(下降沿)。结果，在延迟控制信号76从高电平状态跳变到低电平状态导致反相器78从低电平状态跳变到高电平状态之后才触发，即激励，上升沿触发的锁存器72和64。
在操作中，当控制信号通过控制线路46跳变到高电平状态激励开关负载42’时，开关负载42’从电池34汲取附加的电流。一旦开关负载42’正在汲取附加的电流而且在延迟电路48引入的延迟之后，通过延迟控制信号76把从电流表40读出的电流记录到第一锁存器70中，并把从电压表60读出的电压记录到第二锁存器62中。由于反相器78而没有激励第三锁存器72和第四锁存器64，而是使它们保持以前的所锁存的值，这些值分别表示当开关负载42’关断时的电流负载和电池电压。
当控制线路46从高电平状态跳变到低电平状态时，开关负载42’断开，并停止从电池34汲取附加电流。接着，在通过延迟电路48的延迟之后，当反相器78的输出从高电平状态跳变到低电平状态时，分别把从电流表40读出的电流和从电压表60读出的电流锁存到第三锁存器72和第四锁存器64。
第一减法器74把相应于没有激励开关负载42’的情况的电流测量值Io从相应于激励开关负载42’的情况的电流测量值Iload中减去，它们分别存储在第三锁存器72和第一锁存器70中。然后第二减法器74根据这个把电流差值ΔI输出到除法器68。相似地，第二减法器66把当激励开关负载42’(高电流情况)时的电池电压Vload从当没有激励开关负载42’时的电池电压Vo中减去，它们分别存储在第二锁存器62和第四锁存器64中。然后第一减法器66根据这个把电压差值ΔV输出到除法器68。除法器68把电压差值ΔV除以电流差值ΔI，并根据这个把指示电池34的内阻的电阻值Ri输出到图2的计算机38。
参考图2和3，运行在计算机38上的软件使用电池的内阻Ri来选择适用于具有内阻Ri的电池的放电曲线组。此外，使用通过电流表40(把它连接到计算机38)的输出指示的电池34上的电流负载从适用于给出在电池34上的电流负载的放电曲线组进一步选择放电曲线。当电池34的内阻超过预定门限值时，计算机通过显示器44向用户显示警告，指示应该立即更换电池。
熟悉本技术领域的人员会理解，可以省略电阻-测量装置36而不偏离本发明的范围。这种场合，运行在计算机38上的软件测量由电流表40的输出指示的电池34上的电流负载以选择合适的放电曲线。相似地，可以省略连接到计算机38的电流表40的输出同时仍保留电阻-测量装置36而不偏离本发明的范围。既然是这样，运行在计算机38上的软件主要根据电池34的内阻Ri选择合适的放电曲线。
图4是方法90的流程图，用于确定图2的装置32的电池34的剩余寿命，并通过在图2的计算机38上运行的软件来实施。熟悉本技术领域的人员可以容易地在软件中实施方法90。
起初，在放电曲线步骤92中，对于变化的电流负载和变化的内阻确定与图2的特定电池34相关联的放电曲线。所存储的放电曲线的数目是应用-特定的，在本特定实施例中是9幅放电曲线。
接着，参考图2和4，在曲线选择步骤94中，软件激励图2的控制信号46，并接收作为电流表40的输出的电池的电流负载以及通过电阻-测量装置36测量的电池34的内阻。在曲线选择步骤94中，软件根据电池电阻和电流负载选择与放电曲线的指数最接近于匹配的放电曲线。熟悉本技术领域的人员会理解，根据电流和内阻选择放电曲线的确切方法是应用-特定的，可能需要聚拢或降低电流负载值和/或电池电阻值到最接近的指数值。熟悉本技术领域的人员知道如何实施选择过程以符合给定应用的要求。
接着，在门限值步骤96中，软件检查电池34的内阻是否超过一个门限值，如果超过该门限值，则电池34可能失效。如果内阻超过门限值，则把控制传递到警告步骤98，在该步骤中显示一个警告，向用户建议要更换电池34。然后把控制传递到指示步骤100。如果电池34的内阻不超过门限值，则直接把控制传递到指示步骤100。
在指示步骤100中，软件根据所选择的放电曲线和当前电池电压计算诸如电池剩余寿命的百分数之类的一个值。在本特定实施例中，这个值是根据按照放电曲线的时间的线性函数的，然而，其它类型的函数可能适用于其它应用，可以使用其它类型的函数而不偏离本发明的范围。接着，把控制传递到显示步骤102，在该步骤中，显示计算值作为电池34的相对剩余寿命的正确指示。
熟悉本技术领域的人员会理解，可以用一个步骤来代替放电曲线步骤92、曲线选择步骤94以及指示步骤100，该步骤直接根据电池34的内阻、当前电池电压和/或在电池34上的电流负载计算电池剩余寿命的指示。此外，可以省略门限值步骤96和警告步骤98而不偏离本发明的范围。
因此，这里已经参考特定应用的特定实施例描述了本发明。熟悉本技术领域和接触本学说的人员会理解，另外的修改、应用和实施例都在本发明的范围内。
因此，应该以所附的权利要求书把任何的和所有的这种应用、修改和实施例包括在本发明的范围内。

Claims (13)

1.一种正确指示相对电池剩余寿命的装置，其特征在于，包括：
第一电路，用于提供控制信号；
第二电路，用于改变所述电池的放电速率，使之根据所述控制信号从第一放电速率改变到第二放电速率；
第三电路，用于当所述电池由所述第一放电速率特征时测量所述电池的第一电压；以及用于当所述电池由所述第二放电速率特征时测量所述电池的第二电压；
第四电路，用于根据所述第一电压、所述第二电压、所述第一放电速率以及所述第二放电速率确定所述电池的操作状态；以及
第五电路，用于根据所述操作状态提供电池剩余寿命的指示。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，
所述第二电路包括开关负载，用于从相应于所述第一放电速率的所述电池汲取第一电流量，以及用于从相应于所述第二放电速率的所述电池汲取第二电流量。
3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，
所述第一放电速率约为零。
4.如权利要求3所述的装置，其特征在于，
所述第二放电速率是相当高的放电速率。
5.如权利要求4所述的装置，其特征在于，
所述开关负载是发射机。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，
所述发射机是无线电话发射机。
7.一种正确指示相对电池剩余寿命的装置，其特征在于，包括：
计算机，所述计算机提供控制信号；
连接到所述电池的开关负载，用于改变所述电池的放电速率，使之根据所述控制信号从第一放电速率改变到第二放电速率；
电压表，用于当所述电池由所述第一放电速率特征时测量所述电池的第一电压；以及用于当所述电池由所述第二放电速率特征时测量所述电池的第二电压；
电路，用于根据所述第一电压、所述第二电压、所述第一放电速率以及所述第二放电速率确定所述电池的操作状态；以及
运行在所述计算机上的软件，用于根据所述操作状态提供电池剩余寿命的指示。
8.一种正确指示相对电池剩余寿命的方法，其特征在于，所述方法包括下列步骤：
提供控制信号；
改变所述电池的放电速率，使之根据所述控制信号从第一放电速率改变到第二放电速率；
当所述电池由所述第一放电速率特征时测量所述电池的第一电压；以及当所述电池由第二放电速率特征时测量所述电池的第二电压；
根据所述第一电压、所述第二电压、所述第一放电速率以及所述第二放电速率确定所述电池的操作状态；以及
根据所述操作状态提供电池剩余寿命的指示。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，
改变放电速率的步骤包括
控制连接到所述电池的开关负载，用于从相应于所述第一放电速率的所述电池汲取第一电流量，以及用于从相应于所述第二放电速率的所述电池汲取第二电流量。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，
所述第一放电速率约为零。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，
所述第二放电速率是相当高的放电速率。
12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，
所述开关负载是发射机。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，
所述发射机是无线电话发射机。
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