CN203101597U

CN203101597U - 电池电量检测系统

Info

Publication number: CN203101597U
Application number: CN 201220616994
Authority: CN
Inventors: 王钊
Original assignee: Wuxi Vimicro Corp
Current assignee: Zgmicro Corp
Priority date: 2012-11-20
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2013-07-31
Anticipated expiration: 2022-11-20

Abstract

本实用新型涉及一种电池电量检测系统，所述系统包括：恒流放电电路、电压测量电路、处理器。所述恒流放电电路用于使电池按照恒定放电电流放电。所述电压测量电路用于检测所述电池恒流放电之前的电池两端电压得到第三电压，检测所述电池恒流放电时的电池两端电压得到第四电压。处理器，用于根据所述恒定放电电流和第三电压、第四电压计算所述电池的内部电阻；用于根据所述内部电阻计算得到所述电池的电容电压，并得到所述电池的剩余电量。本实用新型公开的电池电量检测系统，通过对电池等效电阻的精确计算，实现对电池电量的准确检测。

Description

电池电量检测系统

技术领域

本实用新型涉及一种电池电量的检测系统，尤其涉及一种通过对电池内部电阻进行检测，从而对电池电量进行检测系统。

背景技术

在便携式电子设备越来越普及的时代，移动电话、PDA、笔记本电脑、医疗设备以及测量仪器等便携式设备随处可见，便携设备越来越个性化、多样化，而唯一没有改变的就是所有的便携式设备均靠电池供电。如果电池电量显示不准确，在用户使用过程中突然断电，有可能造成通讯中断、数据丢失、甚至更严重的后果。因而准确的掌握电子设备的剩余电池电量是尤为重要的。

传统的电池电量计算方法是通过采样电池电压和电池电流来计算电池电量的。电池被等效为一个如图1所示的电容-串联电阻等效电路模型，该电路由电容Cb和与之串联的两个电阻（包括R₁和R₂）组成。该模型具有在电池厂家制作电池过程中经测试已知的电压-容量百分比关系曲线（例如图2所示的一种4.2V的锂电池的电压容量关系曲线图）。通过测量电池两端BATP与BATN之间的电压V_BAT和内部电流I_BAT，并依据设定的等效串联电阻R₁、R₂就可计算出电容Cb两端的电压V_Cb=V_BAT-（R₁+R₂）×I_BAT，再根据电压-容量百分比关系曲线得到电池的剩余容量。

众所周知，电池的电量随着电池的使用会慢慢降低，然而当电池老化时，一个与电池内部阻抗相关问题也随即出现：阻抗的增加要比电池电量的降低显著得多。典型的锂离子电池在70个充放电循环后，内部直流阻抗会提高一倍，而相同周期的无负载电量仅会下降2%～3%。现有技术中，电池内部电阻值被设定为恒定值，如果按照上述传统的电池电量计量方法忽略阻抗增加的因素，在电池只达到使用寿命的15%时，使用原始电池内部阻抗数据计算电池电量就会产生可达50%严重误差。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种电池电量检测方法和系统，通过对电池等效电阻的精确计算，可以经常更新等效电阻值，实现对电池剩余电量的准确检测。

为实现上述目的，第一方面本实用新型提供了一种电池电量检测检测系统，所述系统包括：恒流放电电路、电压测量电路、处理器；

恒流放电电路，用于使电池按照恒定放电电流放电；

电压测量电路，用于检测所述电池两端的电压，所述电池恒流放电之前，检测到的电池两端电压为第三电压，所述电池恒流放电时，检测到的电池两端电压为第四电压；

处理器，包括内部电阻计算单元和电压计算输出单元；所述内部电阻计算单元，用于根据所述恒定放电电流和第三电压、第四电压计算所述电池的内部电阻；所述电压计算输出单元，用于根据所述内部电阻计算得到所述电池的电容电压，并得到所述电池的剩余电量。

所以本实用新型实施例的电池电量检测系统，是通过放电的变化引起电压变化，通过测量并利用二者比值精确计算出电池的等效电阻，从而实现对电池电量准确的测量，消除了在电量测量中由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差。

附图说明

图1为电池的电容-串联电阻等效电路模型示意图；

图2为一种4.2V锂电池的电压-容量关系曲线图；

图3为本实用新型实施例一提供的电池电量检测方法的流程图；

图4为本实用新型实施例二提供的电池电量检测方法的流程图；

图5为本实用新型实施例三提供的电池电量检测系统的框图；

图6为本实用新型实施例四提供的电池电量检测系统的框图；

图7为本实用新型实施例四提供的的一种恒流放电电路图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型实施例提供的电池电量检测方法和系统，采用在电池的正负极连接充/放电电路和电压测量电路，通过可变的充电电流或恒定放电电流，以及电压的变化量得到电池内部电阻，从而计算电池电容的电压和电池的剩余电量。此方案可以应用于所有充电电池的电量检测，有效的消除了在电量测量中由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差，为用户提供更准确的电量数据。

为了更好的理解本实用新型，在本实用新型下述各实施例中，待测量的电池均以如图1所示的电容-串联电阻等效模型为例进行说明。该模型包括的主要参数如表1所示，以下参数将用于各实施例的运算过程。

等效电容	Cb
		电池正极等效电阻	R₁
电池负极等效电阻	R₂
		等效串联电阻	R（R=R₁+R₂）
电容电压	V_Cb
		电池两端的电压	V_BAT

表1

图3本实用新型实施例一提供的电池电量检测方法的流程图，本实施例是通过利用可变化的充电电流对电池进行充电的方法来实现对电池的剩余电量进行测量的。如图所示，本实施例一的电池电量检测具体包括如下步骤：

步骤310，向电池提供可变充电电流，所述充电电流包括第一充电电流和第二充电电流；

具体的，在电池的正极加一个充电电流，并通过负极形成回路，该电流大小可以是人为输入或者预先编程设定的。在充电过程中，电流可以发生一次或多次变化。设定变化前的电流为第一电流I₁，变化后的电流为第二电流I₂，因此电流的变化量为I₂-I₁。在具体的实施方案中，第一电流I₁和第二电流I₂的施加过程都很短，例如1ms，因此对电池等效电路中电容电压V_Cb和电量的影响可以忽略，下文会进行详细说明，在此不再赘述。

步骤320，检测电池两端的电压，当充电电流为第一充电电流时，电池两端电压为第一电压，当充电电流为第二充电电流时，电池两端的电压为第二电压；

具体的，在充电电流为第一充电电流I₁情况下测量等效电路两端的电压V_BAT，此时V_BAT=V_BAT1；然后在充电电流变为第二充电电流I₂情况下测量等效电路两端的电压V_BAT，此时V_BAT=V_BAT2；由此可以计算出随电流变化而产生的电压变化量为V_BAT2-V_BAT1。

步骤330，根据第一充电电流、第二充电电流、第一电压和第二电压计算电池的内部电阻；

具体的，电池的内部电阻以等效串联电阻R表示，R=｜V_BAT2–V_BAT1|/|I₂-I₁｜。因为电流的变化可以是增大或者减小的，当电流由I₁到I₂增大时，消耗在等效串联电阻R上的电压也随之增大，因此等效电路两端的电压V_BAT增大，即V_BAT2大于V_BAT1；反之，当电流由I₁到I₂减小时，消耗在等效串联电阻R上的电压也随之减小，因此等效电路两端的电压V_BAT减小，即V_BAT2小于V_BAT1。因此采用电压变化量与电流变化量的绝对值进行计算。

在一个例子中，可以采用二进制数据进行R的计算。此时需要设定参考参考电压V₀和参考参考电流I₀，通过计算｜I₂-I₁｜与参考参考电流I₀的比值取整并做二进制数据转换得到充电电流变化量对应的二进制数据，该数据表明充电电流变化量与参考参考电流的倍数关系；通过计算|V_BAT2–V_BAT1｜与参考参考电压V₀的比值取整并做二进制数据转换得到电压变化量对应的二进制数据，该数据表明被测量电压与参考参考电压的倍数关系。例如：设定参考参考电压V₀=1mV,参考参考电流I₀=1mA,因此可知参考参考电阻R₀=V₀/I₀=1Ω。此时R的二进制数据计算公式演变为R’=(|V_BAT2–V_BAT1|/V₀)/(｜I₂-I₁｜/I₀)。R’为等效串联电阻R的二进制数据表示，代表了电池等效电阻R相对于参考参考电阻R₀的倍数关系。当然上述公式中计算出的二进制数R’也可以是小数。这种二进制的处理方式尤其适用于数字化系统。

步骤340，根据内部电阻计算得到电池的电容电压，并得到电池的剩余电量；

具体的，分为三个步骤：

步骤340a，检测工作状态下电池两端的电压和内部电流；

步骤340b，根据公式V_Cb=V_BAT-R×I_BAT计算电容电压，其中V_Cb为电容电压，V_BAT为电池两端的电压，R为内部电阻，I_BAT为内部电流，其中，I_BAT以充电电流方向为正方向，即电池内部电流等效为对电池充电时（如工作状态下电池既在充电又在对负载放电），I_BAT为正值，当电池内部电流等效为放电电流时（如工作状态下仅对负载放电），I_BAT为负值；

步骤340c，根据电容电压V_Cb获取并输出剩余电量百分比。

具体的，根据电容电压V_Cb在电池制造厂家提供的该电池的电压-容量百分比关系曲线中进行查找，得出对应的剩余电量百分比，并可以输出给用户查看。

需要说明的是，在上述实施例中，向电池施加充电电流也会引起电池电压和容量的变化，因此在具体的实施方案中，第一电流I₁和第二电流I₂的施加过程都很短，例如1ms，这个时间的设定要能够满足测量到稳定的电压值即可。例如，电池容量为1000mAh,即电池可以以1000mA的电流放电1小时(3600秒）。假设第一电流I₁为400mA、第二电流I₂为300mA，因此电流变化量为100mA，电池内阻为1Ω，可知在内阻（即等效串联电阻）上的压降为0.1V，而电池的容量下降为（400mA×1ms）/(1000mA×3600S)=1.112×10^-5%，由此可知由于400mA充电电流在1mS内充电产生的对电池容量计算误差仅为1.112X10^-5%，而大多数应用中，电量显示精确到1%即可，因此利用充电电流对电池充电进行剩余电量检测的过程中，施加充电电流对于电池等效电路中电容电压V_Cb和电量的影响可以忽略。

本实施例提供的电池电量检测方法利用充电电流的变化引起电压变化，通过测量并利用二者比值精确计算出电池的等效电阻，从而在对电池电量的测量过程中消除了由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差，实现对电池电量准确的测量，改善用户体验。

图4为本实用新型实施例二提供的电池电量检测方法的流程图，本实施例是通过利用恒定放电电流对电池放电的方法来实现对电池的剩余电量进行测量的。如图所示，本实施例二的电池电量检测具体包括如下步骤：

步骤410，电池按照恒定放电电流进行恒流放电；

具体的，对电池进行放电，该电流大小可以是人为输入或者预先编程设定的。在放电过程中，电流是恒定的。设定恒流放电电流为I₃。在具体的实施方案中，恒流放电电流I₃的施加过程很短，例如1ms，因此对电池等效电路中电容电压V_Cb和电量的影响可以忽略，下文会进行详细说明，在此不再赘述。

步骤420，检测电池两端的电压，电池恒流放电之前，电池两端电压为第三电压，电池恒流放电时，电池两端电压为第四电压；

具体的，在未进行恒流放电情况下，测量等效电路两端的电压V_BAT，此时V_BAT=V_BAT3；然后在恒流放电的情况下，放电电流为I₃，测量等效电路两端的电压V_BAT，此时V_BAT=V_BAT4；由此可以计算出随电流变化而产生的电压变化量为V_BAT3-V_BAT4。

步骤430，根据恒定放电电流和第三电压、第四电压计算电池的内部电阻；

具体的，等效串联电阻R=（V_BAT3–V_BAT4）/I₃。在放电过程中有部分电压消耗在等效串联电阻R上，因此放电中等效电路两端的电压V_BAT4小于V_BAT3。

在一个例子中，可以采用二进制数据进行R的计算。此时需要设定参考参考电压V₀和参考参考电流I₀，通过计算I₃与参考参考电流I₀的比值取整并做二进制数据转换得到恒定放电电流对应的二进制数据；通过计算（V_BAT3–V_BAT4）与参考电压V₀的比值取整并做二进制数据转换得到电压变化量对应的二进制数据。例如：设定参考电压V₀=1mV,参考电流I₀=1mA,因此可知参考电阻R₀=V₀/I₀=1Ω。此时R的二进制数据计算公式演变为R’=(（V_BAT3–V_BAT4）/V₀)/(I₃/I₀)。R’为等效串联电阻R的二进制数据表示，代表了电池等效电阻R相对于参考电阻R₀的倍数关系。当然上述公式中计算出的二进制数R’也可以是小数。此外，恒定放电电流I₃值的设定还可以直接以二进制形式输入。这种二进制的处理方式尤其适用于数字化系统。

步骤440，根据内部电阻计算得到电池的电容电压，并得到电池的剩余电量；

具体的，分为三个步骤：

步骤440a，检测工作状态下电池两端的电压和内部电流；

步骤440b，根据公式V_Cb=V_BAT-R×I_BAT计算电容电压，其中V_Cb为电容电压，V_BAT为电池两端的电压，R为内部电阻，I_BAT为内部电流，其中，I_BAT以充电电流方向为正方向，即电池内部电流等效为对电池充电时（如工作状态下电池既在充电又在对负载放电），I_BAT为正值，当电池内部电流等效为放电电流时（如工作状态下仅对负载放电），I_BAT为负值；

步骤440c，根据电容电压V_Cb获取并输出剩余电量百分比。

具体的，根据电容电压V_Cb在电池制造厂家提供的该电池的电压-容量百分比关系曲线中进行查找得出对应的剩余电量百分比，并可以输出给用户查看。

需要说明的是，在上述实施例中，向电池施加恒定放电电流也会引起电池电压和容量的变化，因此在具体的实施方案中，恒定放电电流I₃的施加过程很短，例如1ms，这个时间的设定要能够满足测量到稳定的电压值即可。例如，电池容量为1000mAh,即电池可以以1000mA的电流放电1小时（3600秒）。假设放电电流为100mA，电池内阻为1Ω，可知在内阻（即等效串联电阻）上的压降为0.1V，而电池的容量下降为（100mA×1ms）/(1000mA×3600S)=2.78×10^-6%，由此可知由于100mA放电电流在1mS时间内导致对电容容量测量误差仅为2.78×10^-6%，因此利用恒定放电电流对电池放电进行剩余电量检测的过程中，施加恒定放电电流对于电池等效电路中电容电压V_Cb和电量的影响可以忽略。

本实施例提供的电池电量检测方法利用恒定放电电流对电池进行放电，通过测量施加放电电流前后的电压变化并利用该变化量与放电电流的比值精确计算出电池的等效电阻，从而在对电池电量的测量过程中消除了由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差，实现对电池电量准确的测量，改善用户体验。

图5为本实用新型实施例三提供的电池电量检测系统，如图所示，本实施例的电池电量检测系统具体包括可编程充电电路520、电压测量电路530和处理器540。电池电量检测系统用于检测图5中的电池510。在本实施例中，电池510以电容-串联电阻等效电路形式示出，在实际应用中电池510也可以采用其他的等效电路形式。

可编程充电电路520，连接在电池的正负极两端，用于向电池提供可变充电电流，充电电流包括第一充电电流和第二充电电流。可编程充电电路520具体可以采用可编程充电芯片加上简单的外围电路即可实现，当然，也可以采用其他电路形式实现。

电压测量电路530，连接在电池的正负极两端，用于检测所述电池两端的电压，当充电电流为第一充电电流时，检测到的电池两端电压为第一电压，当充电电流为第二充电电流时，检测到的电池两端的电压为第二电压；在数字化系统中，电压测量电路530可以采用模数转换器来实现，将模拟电压值转化为二进制数据。

处理器540，包括内部电阻计算单元541和电量计算输出单元542；内部电阻计算单元541，用于根据可编程充电电路520提供的第一充电电流、第二充电电流以及电压测量电路530提供的第一电压和第二电压计算电池的内部电阻；电量计算输出单元542，用于根据内部电阻计算得到电池的电容电压，并得到所述电池的剩余电量。

进一步的，内部电阻计算单元541执行的计算具体用于计算第二电压与第一电压之间的电压变化量和第二充电电流与第一充电电流之间的电流变化量的比值，得到电池的内部电阻，具体公式为：

R=｜V_BAT2-V_BAT1｜/｜I₂-I₁｜

其中I₁为第一充电电流，I₂为第二充电电流，V_BAT1为第一电压，V_BAT2为第二电压，R为内部电阻。

进一步的，电池电量检测系统还包括参考电压电流单元543，用于设定参考电压V₀和参考电流I₀。在内部电阻计算单元541中执行计算将电压变化量与参考电压V₀的比值和电流变化量与参考电流I₀的比值相比，得到内部电阻的二进制数值。

进一步的，电容电压计算单元542具体用于检测工作状态下电池两端的电压和内部电流；根据公式V_Cb=V_BAT-R×I_BAT计算电容电压，其中V_Cb为电容电压，V_BAT为电池两端的电压，R为内部电阻，I_BAT为内部电流，其中，I_BAT以充电电流方向为正方向，即电池内部电流等效为对电池充电时（如工作状态下电池既在充电又在对负载放电），I_BAT为正值，当电池内部电流等效为放电电流时（如工作状态下仅对负载放电），I_BAT为负值；根据电容电压得到电池的剩余电量。每个型号的电池都有其对应的容量和电压的对应关系，通常会由电池制造厂家提供电压-容量百分比关系曲线，因此根据计算获得的电容电压V_Cb在电压-容量百分比关系曲线中进行查找就可以得到剩余电量百分比，并可以输出给用户查看。

本实施例提供的电池电量检测系统采用可编程充电电路520产生变化的充电电流，并利用电压检测电路530检测电流变化引起的电压变化，在处理器540中执行上述电流和电压的变化量的运算，精确计算出电池的内部电阻，从而在电池电量的测量过程中消除了由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差，实现对电池电量准确的测量，改善用户体验。

图6为本实用新型实施例四提供的电池电量检测系统，如图所示，本实施例的电池电量检测系统具体包括恒流放电电路620、电压测量电路630和处理器640。电池电量检测系统用于检测图6中的电池610。在本实施例中，电池610以电容-串联电阻等效电路形式示出，在实际应用中电池610也可以采用其他的等效电路形式。

恒流放电电路620，连接在电池的正负极连段，用于使电池按照恒定放电电流放电。恒流放电电路620有多种电路实现方式，比如最简单的，可以采用集成运放电路来实现，或者采用如图7所示的一种恒流放电电路的形式来实现。当然，也可以采用其他电路形式实现。

在一个例子中,如图7所示，如果设定恒流放电电流为I₃=100mA，I_D0=1mA，I_D1=2mA,I_D2=4mA,I_D3=8mA,I_D4=16mA,I_D5=32mA,I_D6=64mA,I_D7=128mA，则需要设定D0、D1、D3、D4、D7为低电平，设定D2、D5、D6为高电平。D7-D0对应的八位二进制数据则为01100100，从而实现放电电路节点A与节点B对应的放电电流为64mA+32mA+4mA=100mA。

电压测量电路630，连接在电池的正负极两端，用于检测电池两端的电压，电池恒流放电之前，检测到的电池两端电压为第三电压，电池恒流放电时，检测到的电池两端电压为第四电压。电压测量电路630可以采用模数转换器将模拟电压值转化为二进制数据。

处理器640，包括内部电阻计算单元641和电压计算输出单元642；内部电阻计算单元641，用于根据恒定放电电流和第三电压、第四电压计算电池的内部电阻；电压计算输出单元642，用于根据内部电阻计算得到电池的电容电压，并得到电池的剩余电量。

进一步的，内部电阻计算单元具体用于计算第三电压与第四电压之间的电压变化量与恒定放电电流之间的比值，得到电池的内部电阻，具体公式为：

R=（V_BAT3–V_BAT4）/I₃

其中I₃为恒定放电电流，V_BAT3为第三电压，V_BAT4为第四电压，R为内部电阻。

进一步的，检测系统还包括参考电压电流单元643，用于设定参考电压V₀和参考电流I₀，在内部电阻计算单元641中执行计算将电压变化量与参考电压的比值和恒定放电电流与参考电流的比值相比，得到内部电阻的二进制数值。

进一步的，电容电压计算单元642具体用于检测工作状态下电池两端的电压和内部电流；根据公式V_Cb=V_BAT-R×I_BAT计算电容电压，其中V_Cb为电容电压，V_BAT为电池两端的电压，R为内部电阻，I_BAT为内部电流，其中，I_BAT以充电电流方向为正方向，即电池内部电流等效为对电池充电时（如工作状态下电池既在充电又在对负载放电），I_BAT为正值，当电池内部电流等效为放电电流时（如工作状态下仅对负载放电），I_BAT为负值；根据电容电压得到电池的剩余电量。每个型号的电池都有其对应的容量和电压的对应关系，通常会由电池制造厂家提供电压-容量百分比关系曲线，因此根据计算获得的电容电压V_Cb在电压-容量百分比关系曲线中进行查找就可以得到剩余电量百分比，并可以输出给用户查看。

本实施例提供的电池电量检测系统采用恒流放电电路620产生恒定放电电流，并利用电压检测电路630检测施加放电电流前后的电压变化，在处理器640中根据上述电流以及电压的变化量进行运算，精确计算出电池的等效电阻，从而在对电池电量的测量过程中消除了由于电池等效电阻随电池老化而变化所带来的误差，实现对电池电量准确的测量，改善用户体验。

以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种电池电量检测系统，其特征在于，所述系统包括：恒流放电电路、电压测量电路、处理器；

恒流放电电路，用于使电池按照恒定放电电流放电；

2.根据权利要求1所述的检测系统，其特征在于，所述检测系统还包括参考电压电流单元，用于设定参考电压和参考电流，利用所述参考电压和参考电流将所述内部电阻处理为二进制数据。