CN100568013C - 一种通过检测开路电压来测定电池剩余电量的方法和*** - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种通过检测开路电压来测定电池剩余电量的方法和***。该方法的步骤包括测量开路电压，根据开路电压获得初始电量，根据初始电量初始化累加计数器，调整累加计数器，及其根据累加计数器获得电池的剩余电量。该方法还包括校正累加计数器以消除上述调整累加计数器的操作中所产生的累加误差和偏移的步骤。

Description

一种通过检测开路电压来测定电池剩余电量的方法和***

技术领域

本发明系关于电子设备的电源管理，具体为测量电池电量。

背景技术

现今的便携式设备为了满足用户的各种需要，集成了越来越多的功能。然而，电源很快成为了功能扩展的瓶颈。其中令人关注的问题有两个，一是电池的功率密度难以适应用户需求的发展，另一问题是随时变化的负载使得追踪电池工作状态变得非常复杂。如果在未能通知用户的情况下电池电量耗尽，通常会造成令人不快的后果，因此，用户需要获取电池的状态信息。越来越多的电路设计者着眼于设计电池监测电路(如电池电量计)以改进电量测量和运行时间预测。

由于电量一定时电池总是具有一定的电压，一种电池电量计量方法是测量电池电压。这种方法简单易行，硬件成本低，但是由于电池阻抗难以测定，这种方法未能将电池阻抗计算在内，因而在负载电流存在的情况下，测量精度不尽人意。由于电池阻抗效应总是存在并影响电压测量，使得我们不能有效地通过电压测量来预测电池电量。

另一可用方法是在测量电压的同时使用累加计数器计算流入和流出电池的电量。用电流强度乘以时间得到电量，该电量即代表了电池电量。使用库仑电量计数和电压测量的电池电量计有两种类型，使用CPU的和不使用CPU的。前者提供了一个独立的电池电量报告方法，所有测量和计算都由电池电量计完成，关键的电池参数如电池电量和电量相对状态都可由主机通过通讯端口直接读取。后者也称电池监测器，可将库仑电量与电压和温度读数一起提供给主机。主机使用电量计模式处理相关数据并计算出电池的剩余电量。然而，专长于主机端软件研发的工程师通常都不熟悉电量计模式，而且主机计算电池的剩余电量也较为复杂。而前者虽然可以直接计算电池剩余电量并提供给主机，其硬件成本也较高。

且不论是否配备CPU，累计库仑电量的方法存在另一问题，即初始库仑电量的预测是根据简单的电压测量来进行的，这也使得库仑电量累计一开始就不准确。使用电量累计方法时，动态监测过程中的累加误差和偏移量不可避免，长时间的误差和偏移累积势必也导致监测结果不准确。综上所述，需要有一种***和方法，在不额外增加电路的情况下提高测量精度，本发明之主旨即在于提供这种***和方法。

发明内容

本发明的一个实施例提供了一种用于测量电池剩余电量的方法。该方法的步骤包括a)测量开路电压，b)根据测定的开路电压和该电池的电池类型，从速查表中获得电池的电量，c)将该电量存储在累加计数器中，d)根据电池的充电或者放电过程调整累加计数器，e)从累加计数器上获得电池的剩余电量。

本发明的另一实施例提供了一种用于测量电池剩余电量的***。典型***包括一个电池，该电池具有一定的开路电压，包括一个电池监测器，用于检测和测量电池的开路电压，还包括一个主机设备，用于读取电池监测器的读数并显示电池剩余电量。电池监测器包括一个累加计数器，上述主机设备根据所述电池监测器测定的开路电压和该电池的电池类型，从速查表获得初始电量或校正电量，使用最初的电池电量初始化累加计数器，或使用校正电量校正累加计数器的电量值。

本发明的另一实施例提供了一种能够显示电池剩余电量的电子设备。该电子设备包括一个电源端子，电池使用该端子给电子设备供电，包括一个与电池连接的电池监测器，用于检测电池参数，包括一个微处理器，该微处理器根据电池监测器获得的电池参数和电量状态来计算电池的剩余电量，还包括一个显示屏，用于显示电池的剩余电量。电池监测器包含一个显示电池荷电状态的电量累加计数器，而主机可以用开路电压这个参数来校准和初始化电量累加计数器。

附图说明

结合相应的附图，以下对本发明典型实施例的描述将使得本发明之优点显而易见。

图1为本发明实施例提供的一种典型的用于测量电池剩余电量的***；

图2为图1之***的操作流程图；

图3为图1之***的另一操作流程图。

具体实施方式

以下将对本发明的实施例作出详细描述，虽然以下对本发明的描述结合实施例进行，但是本发明并不限于下列实施例。在所附权利要求所界定的本发明之精神和发明范围内所有可能的替代、变更和等同物都在本发明的涵盖范围之内。

图1为用于测量电池剩余电量的一种典型***100。该***包括一个电池包110，一个电池监测器120，以及一个主机设备130。***100还包括一个电压检测电路115和一个电流检测电路117。电压检测电路115和电流检测电路117作为电池监测器120的***电路工作。封装结构上，电池监测器120及其***电路既可以封装于电池包110内部，也可如图1所示与主机设备130一起置于主机端。

电池包110由保护电路101、电池103、温度检测电路105和电池ID电路107组成。电池包110还包括一个正极端子PACK+和一个负极端子PACK-，两个端子分别代表电池包的最高电势和最低电势。电池103作为***电源，其剩余电量在充电过程中增加，在放电过程中减少。电池103可以是任何可用的类型电池，例如锂离子电池。保护电路101连接到电池103，用于避免电池103过充电、过放电或过电流。为了估算电池103的剩余电量，需要检测电池的几个参数，如电池103的开路电压、电池类型、电池电压、电池电流和电池温度等。其中，电池开路电压的特性是与电池电量相关，且电池开路电压与电量之间的关系几乎不受电池温度、老化和电池包内部各个电池之间差异的影响。因此，使用电池开路电压来表示剩余电量是一种较为理想的方法。然而，在动态负载的环境中很难得知电池的开路电压，所以只有在***100开启之前和关闭以后的开路电压才能用来表征剩余电量。因此，在动态负载条件下需要检测电池温度、电池电压和电池电流等参数才能得知电池的剩余电量。

开路电压由电压检测电路115来检测。电池温度由温度检测电路105来检测，该电路封装于电池包110内部。电池类型由电池ID电路107来检测，该电路也处于电池包110内部。电池电流由电流检测电路117测定，电池电压也由电压检测电路115来测定。电池监测器120可自动识别电压检测电路115所检测到的电压是开路电压还是电池电压。例如，如果电压是在***100启动之前或关闭之后一段时间检测所得，则电池监测器120认为该电压为开路电压，否则就认为所检测到的电压为电池电压。上述所有的参数都提供给电池监测器120。

电池监测器120由多路选择器(MUX)121、模数转换器(ADC)123、多个寄存器和一个参考时钟139组成。多路选择器121接收多个电池参数进而传递给ADC 123。ADC 123为多通道转换器，可将接收到的电池参数数字化，并存储于多个寄存器中。多个寄存器包括一个温度寄存器125，用于存储电池温度，包括一个电池ID寄存器127，用于存储电池类型，包括一个电池电压寄存器129，用于存储电池电压，还包括一个电流寄存器131，用于存储电池电流。多个寄存器中还包括一些专用寄存器，如电流累加寄存器133、开路电压寄存器135和一个标记(flag)寄存器137电流，累加寄存器(CAR)133用作累加计数器，显示电池的动态剩余电量。开路电压(OCV)寄存器135存储电池的开路电压。标记寄存器137表明是否检测到开路电压(OCV)，以及何种条件下进行的OCV检测。例如，标记寄存器137中存在一个POOCV标记，则表明是在***启动之前检测到OCV，如果标记寄存器137中存在一个SLEEPOCV标记，则表明是在***关闭一段时间后检测到的OCV。本领域技术人员应该理解，OCV检测的显示也可使用其它传统方法实现，例如，使用OCV寄存器135的一个数位来表示OCV检测。参考时钟139生成时间时钟信号，为ADC 123和各个使用时钟信号的寄存器的工作提供精确的计时参考。

电池监测器120工作于三种模式中，启动模式、全功率(full-power)模式和休眠模式。启动模式中，电池包110最初连接到电池监测器120，电池监测器120在启动时自动执行电压校准、温度检测、电池类型检测和OCV检测。电池类型检测只执行一次。在后续的各个***运行周期中，最初检测到的电池类型一直存在于电池ID寄存器127中备用。不同于电池类型，电池电压、电池电流和电池温度则是在电池监测器120工作于全功率模式时不断更新的。每测量一次电池电流，CAR寄存器133也更新一次。电池电流测定以后，内部自动执行累加操作，用电池电流乘以时间计算库仑电荷。在休眠模式中，在一定条件下也自动执行OCV检测，例如，当电池监测器处于休眠状态达到一个预先设定的时间长度，即执行OCV检测。

主机设备130可使用SMBus协议总线141与电池监测器120通讯以读取寄存器。SMBus协议总线141可采用各种协议来实现主机设备130和电池监测器120之间的通讯，如I2C协议。根据电池监测器的读数，主机设备130计算并校准电池包的剩余电量。具体来说，主机设备130读取标记寄存器137并获取第一个标记POOCV后得知在启动模式中发生过OCV检测，此时主机设备130即根据电池类型和OCV读数从速查表中得到一个初始电量，并使用该初始电量初始化CAR寄存器133。与之类似，如果主机设备130读取标记寄存器137并获取第二个标记SLEEPOCV后得知在休眠模式中发生过OCV检测，主机设备130则会根据电池类型和OCV读数从速查表中得到一个校准电量，进而使用该校准电量校准并重新写入CAR寄存器133。由于上述之开路电压特性，根据OCV和电池类型读数进行的CAR初始化比传统的简单地根据电池电压初始化要准确。如果在休眠模式下标记寄存器137中存储的是第二标记SLEEPOCV，则在全功率模式开始前执行的CAR校准可以消除由库仑电量计数引起的累加误差和偏移。

图2为图1之典型***100最初启动时的流程图200。简便起见，在此只给出与本发明密切相关的步骤。如前已述，电池监测器120可工作于三种模式，启动模式、休眠模式和全功率模式。当电池包110连接到电池监测器120并给电时，启动模式开始。但是，当电池监测器120进入启动模式时，主机设备130是关闭的，也就是说，***100是关闭的。启动模式中，电池监测器120顺序执行步骤201、203和205。步骤201中检测电池类型，将类型数据数字化并存储于电池ID寄存器127中。步骤203中检测开路电压，将所得数据数字化并存储于OCV寄存器135中。步骤203完成以后，第一个标记POOCV即写入标记寄存器137中，此为步骤205。电压校准和温度检测等步骤在此未示出。完成上述步骤以后，电池监测器进入休眠模式。至此，***仍为关闭状态。电池监测器120将一直处于休眠模式，直到主机设备130启动。当主机设备130启动时，电池监测器120第一次进入全功率模式。另外，需要理解的是，如果在电池监测器120完成启动模式的操作之前或刚刚完成操作之时主机设备130启动了，电池监测器120将直接从启动模式切入全功率模式。

全功率模式中，主机设备130第一次初始化CAR寄存器133，此为步骤207。步骤207中，主机设备130读取标记寄存器137以得知OCV检测是否已发生。如果读出第一标记POOCV，主机设备130将读取OCV寄存器135和电池ID寄存器127。根据寄存器127和135的读数，主机设备130从速查表中得到电池包110的初始电量。随后主机设备130使用上述初始电量初始化CAR寄存器133。CAR初始化步骤207中主机设备130读取OCV寄存器135之后，标记寄存器137中的第一标记POOCV即擦除，此为步骤209。最后，电池监测器进入动态监测阶段，此为步骤211。

动态监测阶段中，电池监测器120持续扫描电池温度、电池电压和电池电流，并分别更新寄存器125、129和131。CAR寄存器133也根据流入(充电过程)和流出(放电过程)电池103的电流进行动态更新。上述寄存器的数据都可由主机设备130读取。主机设备130使用CAR读数来计算剩余电量，使用温度和电流读数来补偿电池电量。电池监测器120在触发模式切换之前将一直处于动态监测阶段。

图3为图1之典型***100的另一正常运作之流程图300。如图2所示，如果触发模式切换，则电池监测器120可退出动态监测阶段。当主机设备130关闭时，触发模式切换。步骤301中，***判断模式切换是否触发。如果模式切换未触发，换言之，主机设备130仍开启，则电池监测器120继续进行动态监测(步骤211)。如果主机设备130关闭，电池监测器120则切换到休眠模式。

电池监测器120在再次触发模式切换之前将一直处于休眠模式。在此状态下，模式切换将由主机设备130启动来触发。步骤303中，***判断模式切换是否已触发。如果模式切换未触发，换言之，主机设备130仍处于关闭状态，则***检查电池监测器120已处于休眠模式多长时间。电池监测器120处于休眠模式的时间不同时，其操作也不同。步骤305中，电池监测器120判断其进入休眠模式是否已经达到一个预先设定的时间。该预设时间段(比如30分钟)由主机设备130定义和编程，并可根据用户需求调整。如果电池监测器120处于休眠模式已经达到预设的时间长度，电池监测器120再次检测开路电压并存储相关数据，此为步骤307。标记寄存器137中存入第二标记SLEEPOCV以表明休眠模式下曾发生OCV检测，此为步骤309。步骤307和309之后，***回到步骤303，判断***100运行于何种模式下。如果电池监测器120处于休眠模式时间未达到预设时长，电池监测器120直接回到步骤303。

如果主机设备130启动触发模式切换，电池监测器将从休眠模式切换到全功率模式。进入全功率模式后，主机设备130首先判断休眠模式中是否存在有效的OCV检测，此为步骤311。该判断通过读取标记寄存器137和OCV寄存器135来作出。步骤311中，如果从标记寄存器137中读出第二标记SLEEPOCV，主机设备130将读取OCV寄存器135和电池ID寄存器127。根据寄存器127和135的读数，主机设备130搜寻速查表并获得电池包110的校正电量。随后主机设备130使用该校正电量来校正CAR寄存器133。但是，如果OCV读数明显无效，例如为0伏，电池监测器120将不会搜寻校正电量的值并校正CAR寄存器133。另外，步骤313中主机设备130读取OCV寄存器135之后，标记寄存器137中的第二标记SLEEPOCV将擦除，此为步骤315。之后，电池监测器120在步骤211中进入正常动态监测阶段。步骤311中，如果读取标记寄存器137之后发现其中没有第二标记SLEEPOCV，则不执行步骤313和315，电池监测器120直接进入步骤211即正常动态监测阶段。此后，电池监测器120重复在全功率模式和休眠模式之间切换并随后执行上述步骤，直到电池耗尽。

上述的电池电量计方法可用于各种电子***中，例如移动电话、电脑、个人数据助理(PDA)、媒体播放器4(MP4)等等。在此，我们以移动电话为例说明如何得知电池的剩余电量并显示出来。移动电话包括一个电源端子、一个微处理器、一个显示屏、存储器和一个电池监测器。电池连接到电源端子给移动电话供电。电池监测器120也连接到电池包110以检测电池参数。电池监测器120包括累加计数器，可动态显示电池的电量状态。各个电池参数中，开路电压由电池监测器120专门来检测。根据检测到的开路电压，可从速查表中得到剩余电量的值，速查表存储于移动电话的存储器中。随后，使用所获得的电量值初始化或者校准累加计数器。电池参数和电量状态都由累加计数器显示，并由主机设备130中的微处理器通过SMBus协议总线141来读取。微处理器使用上述信息来计算电池的剩余电量。最后，剩余电量在显示屏上显示出来。

本说明书使用之措辞和表达都是用于描述而非限制，在此描述和图示之特性的等同物或部分等同物都在本发明涵盖范围之内，必须承认，在权利要求所界定的范围之内，可能存在各种修改。也可存在其它修改、变体和替代物。因此，权利要求旨在包括所有等同物。

Claims (15)

1.一种用于测量电池剩余电量的方法，其步骤包括：

a)测定开路电压；

b)根据测定的开路电压和该电池的电池类型，从速查表中得知电池电量；

c)将电池的电量值存储于电量累加计数器中；

d)根据电池充电或放电的过程调整电量累加计数器；

e)根据累加计数器获取电池的剩余电量。

2.如权利要求1所述之方法，其特征在于，所述测定开路电压的步骤在电池给负载供电之前执行。

3.如权利要求2所述之方法，其特征在于，使用一个第一标记来表明开路电压的测定。

4.如权利要求1所述之方法，其特征在于，在电池中断给负载供电达到一个预先设定的时长之后执行测定开路电压的步骤。

5.如权利要求4所述之方法，其特征在于，使用一个第二标记来表明开路电压的测定。

6.一种用于测定电池中剩余电量的***，其特征在于，包括：

一个电池，该电池具有一定的开路电压；

一个电池监测器，用于监测电池和测定开路电压，该电池监测器中含有一个电量累加计数器；

一个主机设备，用于读取电池监测器和显示电池剩余电量，该主机设备根据所述电池监测器测定的开路电压和该电池的电池类型，从速查表获得初始电量或校正电量，并使用初始电量初始化累加计数器，或使用校正电量校正累加计数器。

7.如权利要求6所述之***，其特征在于，所述开路电压在***启动之前测定时，对应该开路电压得到的是初始电量。

8.如权利要求7所述之***，其特征在于，所述电池监测器设定一个第一标记以表明开路电压测定。

9.如权利要求8所述之***，其特征在于，所述第一标记表明主机设备能够初始化累加计数器。

10.如权利要求6所述之***，其特征在于，所述开路电压在***关闭超过一个预设时长之后测定时，对应该开路电压得到的是校正电量。

11.如权利要求10所述之***，其特征在于，所述电池监测器设定一个第二标记以表明开路电压测定。

12.如权利要求11所述之***，其特征在于，所述第二标记表明主机设备能够校正累加计数器。

13.一种能够显示电池剩余电量的电子设备，其特征在于，包括：

一个电源端子，电池使用该端子给该电子设备供电；

一个连接到电池的电池监测器，用于检测电池参数，该电池监测器还包括一个累加计数器，用于显示电池的电量状态，电池参数包括开路电压，用于初始化和校正上述累加计数器；

一个微处理器，根据电池监测器获得的电池参数和电量状态来计算电池的剩余电量；

一个显示屏，用于显示电池的剩余电量。

14.如权利要求13所述之电子设备，其特征在于，如果在电池给该电子设备供电之前测定开路电压，则根据测定的开路电压和电池类型从一速查表中获取初始电量，使用所述初始电量初始化累加计数器。

15.如权利要求13所述之电子设备，其特征在于，如果在电池中断给该电子设备供电达到预先设定的时长之后测定开路电压，则根据测定的开路电压和电池类型从一速查表中获取校正电量，使用所述校正电量校正累加计数器。

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