CN104237801B - 电池电量计算装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电量计算装置，包括模数采样控制器、连接在充电单元输出端与电池电压输出端之间的充电支路、具有第二电阻值的第二电阻器、电量计算单元和定时器。定时器以采样周期触发模数采样控制器进行采样。模数采样控制器的第一输入端连接到充电单元输出端，测量第一电压，模数采样控制器的第二输入端经过第二电阻连接到电池的电压输出端，测量第三电压，模数采样控制器的第三输入端直接连接到电池的电压输出端，测量第二电压。电量计算单元至少根据第二电压、第三电压、第二电阻值计算电池的剩余电量。

Description

电池电量计算装置

技术领域

本发明涉及电池电量的测量和管理。

背景技术

随着硬件性能的提高和价格的降低，消费电子产品已经日益普及。出于便携性考虑，像智能手机、相机、平板电脑等移动终端都会配有电池，以便可以脱离外部电源使用。电池典型地采用能量密度较高的锂离子电池。为了避免电量耗尽给用户带来的不便，这些设备一般提供电量估算功能，例如，智能手机的操作系统能够向用户提供按百分比显示的电池剩余电量信息，以便用户在电量不足时及时充电。图1示出了一个安卓(Android)操作系统的智能手机上显示电池电量的界面，用户可以在该界面看到电池剩余电量、电池使用时间、手机各功能在耗电量中所占百分比等信息。

目前，电池电量的估算主要有两种方式。第一种方式是通过硬件电量计实时监测电池电量，然而，这会增加硬件成本和体积。另一种方式是通过测量电池电压来估算电量。对于电池来说，已知电池的OCV曲线(开路电压电池容量与电压曲线)，可以根据测量的电池电压推算出电池容量。这种方式不需要额外硬件，容易实现，因此在智能手机等便携式终端中被广泛使用。然而，电池本身存在内阻，当对外放电电流不同时，电池两端的电压会变化明显。因此，单单通过电池电压去判断电池电量是很不准确的，普遍偏差大于15％。误差过大的电量估计可能会导致电池比用户所设想的时间更早耗尽，导致用户的不满。

因此，希望能够更为精确估算电池电量，而不过多增加额外的硬件成本。

发明内容

为此，本发明提供一种电池电量计算装置，以力图解决或者至少缓解上面存在的问题。

根据本发明的一个方面，提供一种电池电量计算装置，包括模数采样控制器、连接在充电单元输出端与电池电压输出端之间的充电支路、具有第二电阻值的第二电阻器、用于计算电池电量的电量计算单元和定时器。模数采样控制器包括用于测量电压采样的第一输入端、第二输入端和第三输入端。充电支路包括串联的具有第一电阻值的第一电阻器和二极管。定时器用于以采样周期触发模数采样控制器进行采样。模数采样控制器的第一输入端连接到充电单元输出端，用于测量第一电压，模数采样控制器的第二输入端经过第二电阻连接到电池的电压输出端，用于测量第三电压，模数采样控制器的第三输入端直接连接到电池的电压输出端，用于测量第二电压。电量计算单元被配置为至少根据第二电压、第三电压、第二电阻值计算电池的剩余电量。

在没有充电的情况下，电量计算单元可以被配置为根据第二电压与第三电压之差与第二电阻值的比值计算耗电电流，以及根据在每个采样周期的耗电电流的累加计算已耗电量。电量计算单元可以被配置为根据电池总电量和已耗电量计算电池的剩余电量。电池总电量可以是电池的标称电容量。

电量计算单元可以被配置为根据一次完整充电过程中充电电流的累加计算电池总电量。在完整充电过程中，电量计算单元可以被配置为根据第一电压与第二电压之差与第一电阻值的比值减去耗电电流计算充电电流，以及根据在每个采样周期的充电电流的累加计算电池总电量。

采样周期的范围可以在0.2-2秒之间。采样周期可以为1秒。

电量计算单元可以被配置为根据充电前的剩余电量和在每个采样周期的充电电流的累加计算电池的剩余电量。

上述电池电量计算装置硬件结构简单，成本低，对电池电量的估计准确度比通过电池电压估计要高得多。

根据本发明的另一方面，提供一种移动终端，包括电池和如上所述的电池电量计算装置。

附图说明

为了实现上述以及相关目的，本文结合下面的描述和附图来描述某些说明性方面，这些方面指示了可以实践本文所公开的原理的各种方式，并且所有方面及其等效方面旨在落入所要求保护的主题的范围内。通过结合附图阅读下面的详细描述，本公开的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。遍及本公开，相同的附图标记通常指代相同的部件或元素。

图1示出了一个安卓操作系统的智能手机上显示电池电量的界面；

图2示出了根据本发明一个示例性实施例的电池电量计算装置200的示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。

图2示出了示出了根据本发明一个示例性实施例的电池电量计算装置200的示意图。

如图2所示，电池电量计算装置200包括模数(AD)采样控制器210、充电与电压测量电路220、定时器230和电量计算单元240。AD采样控制器210包括用于测量电压采样的第一输入端AD₁、第二输入端AD₂和第三输入端AD₃。充电与电压测量电路220包括连接在充电单元输出端与电池电压输出端V_bat之间的充电支路，该充电支路包括串联的具有第一电阻值R₁的第一电阻器和二极管D。充电单元从外部供电，一般可以包括充电适配器、电源管理芯片等部件。当充电单元供电时，输出第一电压V₁，例如，智能手机的充电单元输出的一般是4.5-5V的直流电压。此时，二极管D导通，电压经过第一电阻器施加到电池的电压输出端，电池进入充电状态。在没有来自充电单元的电压V₁的情况下，充电支路的二极管D关断，电池处于放电状态。充电与电压测量电路220还包括具有第二电阻值R₂的第二电阻器。模数采样控制器210的第一输入端AD1连接到充电单元输出端，用于测量第一电压V₁，第二输入端AD2经过第二电阻器R₂连接到电池的电压输出端V_bat，用于测量经过第二电阻器压降的第三电压V₃，第三输入端AD₃直接连接到电池的电压输出端V_bat，用于测量第二电压V₂。电量计算单元240根据AD采样控制器210测量的相关参数计算电池电量。定时器230与AD采样控制器210和电量计算单元240相连，用于提供采样和计算的定时。定时器230以预定采样周期T触发AD采样控制器210进行采样，电量计算单元240也可以根据预定采样周期T实时计算电池电量。

以下将更详细描述如何通过电池电量计算设备200计算电池的电量。

在没有充电的情况下，即第一电压为0的情况下，充电支路关断，电池处于放电状态。此时，电池的耗电电流I₁可以由以下等式(1)算出：

I₁＝(V2-V3)/R₂ (1)

定时器230在每个周期T触发AD采样控制器210进行采样，电量计算单元240在每个周期T根据采样的第二电压V₂、第三电压V₃和第二电阻值R₂计算I₁的值。然后，电量计算单元240可以根据耗电电流I₁在每个周期T上的累加计算已耗电量。例如，假设经过n个周期T，在各个周期上计算的耗电电流分别为I₁(k),k＝1,…,n，则在n个周期T的已耗电量C_consume可以根据以下等式(2)计算：

当电池从电量充满状态开始放电时，电池的剩余电量C_remain可以根据以下等式(3)计算：

C_remain＝C_full-C_consume (3)

其中C_full是电池的总电量。

对于比较新的电池来说，电池总电量相当于电池的标称电容量，例如2200毫安小时。这样，只要从电池满电量时开始跟踪电池的耗电量，就可以计算出电池的剩余电量。

然而，当电池使用一段时间后，随着电池的老化，电池的实际总电量可能会低于标称电容量。在一个实施例中，可以通过一次完整充电过程来校正电池的总电量。

在充电的情况下，即施加第一电压的情况下，充电支路导通，电池处于充电状态。此时，耗电电流I₁仍然可以由等式(1)计算，此时进入电池V_bat端的充电电流I₂可以根据以下等式(4)计算：

I₂＝(V1-V2)/R₁-I₁ (4)

一次完整充电过程是从电池电量完全耗尽充电到达到电池充满条件的过程。当测量的第二电压V₂低于电池截止电压(如3.3V)时，可以认为电池电量完全耗尽，此时电池所供电的设备不能正常工作，例如手机的CPU无法工作，导致手机无法开启。电池充满的条件可以设为第二电压V2达到电池标称充满电压(如4.35V)并且充电电流小于一阈值(如100mA)。

根据一次完整充电过程中充电电流I₂在各个采样周期T上的累加可以计算电池的总电量C_full。这样计算出的总电量比标称电容量能够更准确地代表电池的实际总电量，从而有助于更准确地计算电池的剩余电量。

在充电时，所述电量计算单元可以根据充电前的剩余电量和在每个采样周期T的充电电流I₂的累加来实时计算电池的剩余电量，这样即使充电过程中用户也可以获得电池的剩余电量信息。

采样周期T可以设置的较短，例如0.2-2秒之间，以便更准确地反映电流波动。采样周期T可以为1秒。

总之，电量计算单元240计算和保存电池的剩余电量信息，并在放电和充电时根据耗电电流和/或充电电流的累加来重新计算剩余电量信息，从而实时地向用户反馈电池的电量信息。直接累加电流的方式反映了电量的本质，与通过电压推算电量的方式相比更加准确，其电量计算的偏差可以减少到10％以内。

尽管在图2的示例中将定时器230、AD采样控制器210和电量计算单元240显示为单独的器件，但应当理解，它们可以是集成在一个器件中。例如，可以使用手机CPU中自带的AD采样控制器、定时器以及CPU的处理能力来实现上述器件的功能。充电与电压测量电路220结构简单，基本不增加硬件成本。

应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

本领域那些技术人员应当理解在本文所公开的示例中的设备的模块或单元或组件可以布置在如该实施例中所描述的设备中，或者可替换地可以定位在与该示例中的设备不同的一个或多个设备中。前述示例中的模块可以组合为一个模块或者此外可以分成多个子模块。

本领域那些技术人员可以理解，可以对实施例中的设备中的模块进行自适应性地改变并且把它们设置在与该实施例不同的一个或多个设备中。可以把实施例中的模块或单元或组件组合成一个模块或单元或组件，以及此外可以把它们分成多个子模块或子单元或子组件。除了这样的特征和/或过程或者单元中的至少一些是相互排斥之外，可以采用任何组合对本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的所有特征以及如此公开的任何方法或者设备的所有过程或单元进行组合。除非另外明确陈述，本说明书(包括伴随的权利要求、摘要和附图)中公开的每个特征可以由提供相同、等同或相似目的的替代特征来代替。

此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。例如，在下面的权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。

此外，所述实施例中的一些在此被描述成可以由计算机系统的处理器或者由执行所述功能的其它装置实施的方法或方法元素的组合。因此，具有用于实施所述方法或方法元素的必要指令的处理器形成用于实施该方法或方法元素的装置。此外，装置实施例的在此所述的元素是如下装置的例子：该装置用于实施由为了实施该发明的目的的元素所执行的功能。

如在此所使用的那样，除非另行规定，使用序数词“第一”、“第二”、“第三”等等来描述普通对象仅仅表示涉及类似对象的不同实例，并且并不意图暗示这样被描述的对象必须具有时间上、空间上、排序方面或者以任意其它方式的给定顺序。

尽管根据有限数量的实施例描述了本发明，但是受益于上面的描述，本技术领域内的技术人员明白，在由此描述的本发明的范围内，可以设想其它实施例。此外，应当注意，本说明书中使用的语言主要是为了可读性和教导的目的而选择的，而不是为了解释或者限定本发明的主题而选择的。因此，在不偏离所附权利要求书的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。对于本发明的范围，对本发明所做的公开是说明性的，而非限制性的，本发明的范围由所附权利要求书限定。

Claims (10)

1.一种电池电量计算装置，包括：

模数采样控制器，包括用于测量电压采样的第一输入端(AD₁)、第二输入端(AD₂)和第三输入端(AD₃)；

连接在充电单元输出端与电池的电压输出端之间的充电支路，包括串联的具有第一电阻值(R₁)的第一电阻器和二极管(D)；

具有第二电阻值(R₂)的第二电阻器；

用于计算电池电量的电量计算单元；和

定时器，用于以采样周期(T)触发模数采样控制器进行采样，

其中，模数采样控制器的第一输入端(AD₁)连接到充电单元输出端(V₁)，用于测量第一电压(V₁)，模数采样控制器的第二输入端(AD₂)经过第二电阻器(R₂)连接到电池的电压输出端，用于测量第三电压(V₃)，模数采样控制器的第三输入端(AD₃)直接连接到电池的电压输出端，用于测量第二电压(V₂)，

所述电量计算单元被配置为至少根据第二电压(V₂)、第三电压(V₃)、第二电阻值(R₂)计算电池的剩余电量。

2.如权利要求1所述的装置，其中在没有充电的情况下，所述电量计算单元被配置为根据第二电压(V₂)与第三电压(V₃)之差与第二电阻值(R₂)的比值计算耗电电流(I₁)，以及根据在每个采样周期(T)的耗电电流的累加计算已耗电量。

3.如权利要求2所述的装置，其中所述电量计算单元被配置为根据电池总电量和已耗电量计算电池的剩余电量。

4.如权利要求3所述的装置，其中电池总电量是电池的标称电容量。

5.如权利要求3所述的装置，其中所述电量计算单元被配置为根据一次完整充电过程中充电电流(I₂)的累加计算电池总电量。

6.如权利要求5所述的装置，其中在完整充电过程中，所述电量计算单元被配置为根据第一电压(V₁)与第二电压(V₂)之差与第一电阻值(R₁)的比值减去耗电电流(I₁)计算充电电流(I₂)，以及根据在每个采样周期(T)的充电电流(I₂)的累加计算电池总电量。

7.如权利要求2所述的装置，其中所述采样周期(T)的范围在0.2-2秒之间。

8.如权利要求6所述的装置，其中在充电时，所述电量计算单元被配置为根据充电前的剩余电量和在每个采样周期(T)的充电电流(I₂)的累加计算电池的剩余电量。

9.如权利要求7所述的装置，其中所述采样周期(T)为1秒。

10.一种移动终端，包括电池和如权利要求1-9中任一个所述的电池电量计算装置。