CN109799461B

CN109799461B - 一种电池剩余电量的测量和估算方法

Info

Publication number: CN109799461B
Application number: CN201910085559.1A
Authority: CN
Inventors: 梁子聪; 潘秋菊; 张大为
Original assignee: Zhuhai Gotech Intelligent Technology Co Ltd
Current assignee: Zhuhai Gotech Intelligent Technology Co Ltd
Priority date: 2019-01-29
Filing date: 2019-01-29
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2039-01-29
Also published as: CN109799461A

Abstract

本发明涉及一种电池剩余电量的测量和估算方法，根据电池的充放电状态，选择充电电压/电流‑电量曲线（第一组数组）或放电电压‑电量曲线（第二组数组），并融合电池功率的积分计算出电池剩余电量。本发明使用互补滤波算法融合电压、电池功率的积分；并自动记录后续电池使用过程的完整充放电曲线，从而能一直准确估算剩余电量。本发明***电路简单且成本较低，无需繁琐的出厂校对，对使用设备的电池电量、电压、输出功率等无特殊要求，实用性广泛。

Description

一种电池剩余电量的测量和估算方法

技术领域

本发明属于锂电池技术领域，具体涉及一种电池剩余电量的测量和估算方法。

背景技术

电池剩余电量对于使用产品的过程中，是一个很重要的指示参数，如果能准确获取，就可以知道产品还能工作多长时间，比如无人机还能飞多远是否需要返航等。但电池剩余电量又是一个很难准确获取的参数，因为这和电池的种类，工作电流，工作温度，电池老化等因素相关，无法直接获取。因此所有的方案都是间接估算，好的算法能使电量估算更准确，放电曲线更平滑。目前，电池剩余电量的计算有如下方式：

电压计算：采用电压估算电池剩余电量百分比，虽然容易实现，但误差很大。当负载瞬间会引起电压的跳变，导致计算到的剩余电量也会跳变。如无人机起飞瞬间输出功率先增大再下降，所计算的电量就会突然下降然后再恢复。另外由于电池放电时，电压不是均匀变化，因此容易出现前50％电可以使用两小时，而后50％只能使用1小时的情况。

电流积分计算：对电池放电的电流进行积分计算，得到已用电量；总电量与已用电量的差，就是剩余电量。这种方式比1准确，但也存在另一个问题，假如电流测量有微小误差，那么剩余电量也有误差。比如测量到的电流值误差为3％，积分一小时后，就会误差10mAh。假设电池总电量是300mAh，那么计算出来的剩余电量就会比实际剩余少了3％。另外如果电池老化，总电量也会减少，那么计算出来的剩余电量误差将越来越大。

OCV法：OCV法是利用电池开路电压与电池剩余电量的线性关系，在***不工作时测量电池开路电压来估算电池剩余电量。此方法能获得较为准确的剩余电量，但缺点是若***需要连续工作很长一段时间，OCV法偏差就会越来越大。

预置电压跟踪法：使用专门的测试设备测试一个电池在不同温度、电流下，充放电的电压-电量曲线，记录为一个3维数组(温度，电流，电压与之对应的电量)，然后存放到芯片内部。工作时芯片采样电池的温度、电流、电压参数，通过预置的数组得出电池剩余电量。此方法准确率较高，但成本高，且生产步骤繁琐。

因此，如何设计一种电池剩余电量的测量和估算方法，能够实现电池电量的准确估算，成为本领域亟需解决的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的不足，提供一种电池剩余电量的测量和估算方法，主要针对锂电池，使用互补滤波算法融合电压、电池功率的积分；自动记录后续电池使用过程的完整充放电曲线，从而能一直准确估算剩余电量。本发明***电路简单且成本较低，无需繁琐的出厂校对，对使用设备的电池电量、电压、输出功率等无特殊要求，实用性广泛。

为解决上述问题，本发明采用的技术方案为：

一种电池剩余电量的测量和估算方法，包括：

连续多次采样电池的电压和电流后求均值，计算得到功率，对所述功率积分得到消耗电量；

记录每次电池完整的充电周期中电压、电流与所述消耗电量的关系形成第一数组并保存最后一次形成的所述第一数组，记录每次电池完整放电周期中电压与所述消耗电量的关系形成第二数组并保存最后一次形成的所述第二数组；

根据电池的充放电状态，选择第一数组或第二数组中的数据，以及当前电池的功率积分，使用互补滤波算法计算出电池剩余电量。

进一步，电池充电状态下，恒流充电时，记录电压与剩余电量的关系；恒压充电时，记录电流与消耗电量的关系。

进一步，电池的充电状态中断时，判断此次充电周期是否为完整的充电周期。

进一步，电池放电状态下，判断放电功率是否在第一区间内，是，则记录电压与消耗电量的关系。

进一步，放电至电池截止电压后，判断此次放电是否为完整的一次放电，若是，保存此次所述第二数组并覆盖前一次所述第二数组。

进一步，电池充电状态下，选择所述第一数组的数据与电池的功率积分融合互补滤波算法计算出电池剩余电量；

电池放电状态下，选择所述第二数组的数据与电池的功率积分融合互补滤波算法计算出电池剩余电量。

一种实现电池剩余电量的测量和估算方法的电路，包括：第一电阻，第二电阻、第三电阻和电量计量模块，其中，

所述第二电阻、所述第三电阻与电池连接，用于采样电池两端电压；

所述电量计量模块与所述第二电阻、所述第三电阻连接，用于获取电池当前电压；

所述第一电阻与电池连接，用于采样输出电流，

所述电量计量模块与所述第一电阻连接，用于获取电池当前电流。

进一步，还包括CPU，所述CPU与所述电量计量模块连接，用于进行算法运算估算电池电量。

进一步，所述CPU与所述电量计量模块通过I2C连接。

进一步，所述电量计量模块包括：MCU和电量计量IC。

本发明的有益效果在于：

(1)发明使用互补滤波算法，融合电池电压、电流和瞬时功率采样值，得出一个准确的电量值，并且能在后续的完整充放电周期自动更新电池电量数据。

(2)本发明可以有效解决负载变化引起的电量百分比跳变和电池老化导致测量不准确的问题，并且***长时间工作也能准确计算出剩余电量。

(3)本发明只需要使用带有ADC功能的单片机或普通电量IC即可实现，极大的节省物料成本，有更高的经济效益。

附图说明

图1为本发明方法的流程示意图。

图2为本发明的电路示意图。

图3为本发明实施例1的第一数组示意图A。

图4为本发明实施例1的第一数组示意图B。

图5为本发明实施例1的第二数组示意图。

图6为本发明实施例1的流程示意图。

其中，R4、第一电阻 R5、第二电阻 R6、第三电阻 V1、分电压。

具体实施方式

为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施例对本发明作进一步的详细说明。请注意，下面描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

目前电池的计算方法主要是以下两种方法：

方法1，通过电池“电压和剩余电量”对应关系，计算公式如下：

E_n＝E_tab 公式1

此方法直接获得E_tab，优点是获取直接，不存在累计误差，长时间观察的平均值准确，缺点是当负载变化时电压会忽高忽低，导致短时间观察值是跳变的。另外电池老化后E_tab也会有变化。改善方法有两种：1.识别完整电池充放电周期，并更新E_tab的值，降低电池老化对E_tab的影响，但是负载变化时电压忽高忽低的问题却无法避免。2.对E_n取滑动窗口的最小值，降低负载变化时观察值跳变，缺点是变化不平滑。

此方法虽然总体趋势正确，但跳动较大，如果使用的产品所显示的电量需要用数字显示，一般会取滑动窗口的最小值，但明显前半部分电量掉得比后半部分快，影响用户对剩余电量的判断

方法2，通过上一次计算得到剩余电量E_n-1，减去这1秒电池对外输出的能量E_1s能量，得到新的E_n，计算公式如下：

E_n＝E_n-1-E_1s 公式2

此方法优点是短时间观察值平滑，缺点是假如每次E_1s都有一点偏差，多次运行上式后，E_n的累计误差将变得越来越大。在计算过程中得到的电量提前到达0％，欺骗了用户，使用户以为电池确实没电，设备提前关机；但其实电池还有电量剩余，目前大多数电子设备采用此方法。

本发明利用互补滤波算法结合方法1和2的优点，短时间以E_1s为准，长时间则以E_tab为准互补滤波算法如下：

E_n＝α(E_n-1-E_1s)+(1-α)*E_tab 公式3

式中α是权重，α越大说明短时间更多相信E_1s的累加值，因此，一般0.95＜α＜1。

根据本发明的一个方面，本发明提供了电池剩余电量的测量和估算方法，图1为本发明方法的流程示意图，如图1所示，包括：

S01连续多次采样电池的电压和电流后求均值，计算得到功率，对所述功率积分得到消耗电量；

S02记录每次电池完整的充电周期中电压、电流与所述消耗电量的关系形成第一数组并保存最后一次形成的所述第一数组，记录每次电池完整放电周期中电压与所述消耗电量的关系形成第二数组并保存最后一次形成的所述第二数组；

S03根据电池的充放电状态，选择第一数组或第二数组中的数据，以及当前电池的功率积分，使用互补滤波算法计算出电池剩余电量。即使用互补滤波算法融合功率积分计算出电池剩余电量。电池充电状态下，选择所述第一数组的数据；电池放电状态下，选择所述第二数组的数据。

根据本发明的具体实施例，电池充电状态下，恒流充电时，记录电压与剩余电量的关系；恒压充电时，记录电流与消耗电量的关系，电池的充电状态中断时，判断此次充电周期是否为完整的充电周期。电池放电状态下，判断放电功率是否在第一区间内，是，则记录电压与消耗电量的关系。放电至电池截止电压后，判断此次放电是否为完整的一次放电，若是，保存此次所述第二数组并覆盖前一次所述第二数组。

根据本发明的另一方面，本发明提供了一种实现电池剩余电量的测量和估算方法的电路，图2为本发明的电路示意图，如图所示，包括：包括：第一电阻，第二电阻、第三电阻和电量计量模块，其中，所述第二电阻、所述第三电阻与电池连接，用于采样电池两端电压；所述电量计量模块与所述第二电阻、所述第三电阻连接，用于获取电池当前电压；所述第一电阻与电池连接，用于采样输出电流，所述电量计量模块与所述第一电阻连接，用于获取电池当前电流。

根据本发明的具体实施例，所述电量计量模块包括：MCU和电量计量IC，MCU或电量计量IC负责采样电池当前的电压电流值，通过12C传输到CPU，由CPU负责算法运算估算电池电量。第一电阻为电池输出串联电阻，用于采样电池输出电流，

I为电池输出电流，V_R4为R4两端电压，R4为电阻值。

根据本发明的具体实施例，R5和R6串联用于采样电池两端电压，

V为电池电压，R5，R6为电阻值。

实施例1

首先，准确读取电池当前的电压和电流功率，连续采样电池电压，电流10次，求平均值得到v_bat和I_bat，单位分别(V)和(mA)，计算功率P_bat，单位为(W)，P_bat＝v_batt*I_bat，对P_bat积分计算得到E_tab，单位为(mWh)即每一秒累加一次，

然后记录充放电数组：充电状态时，恒流充电时，当电压变化时记录V_bat与E_tab关系，恒压充电时，当电流变化，记录I_bat与E_tab的关系，充电完成后，判断这次充电是否为完整的一次充电周期。若是，保存V_bat与E_tab和I_bat与W_tab数组，覆盖前一次的数据并记录下充满电时的总充电电量E_charge。例如一个两节锂电池串联，标称总电量为7800mA(57720mWh)的电池。图3为本发明实施例1的第一数组示意图A。图4为本发明实施例1的第一数组示意图B。如图3和图4所示，从数据得出总充电电量E_charge＝64820mWh。放电状态时，判断放电功率P_bat是否在额定功率±10％区间。如果是在区间内，当电压变化时记录V_bat与E_tab关系，放电至电池截止电压后，判断这次放电是否为完整的一次放电，若是，保存V_bat与E_tab，覆盖前一次的数据并记录下总放电电量E_discharge。图4为本发明实施例1的第二数组示意图，如图4所示，从数据得出总放电电量E_discharEe＝57360mWh。

最后，估算电池剩余电量：结合上一次估算值、当前功率、当前电压对应的数组值，通过互补滤波算法融合计算出当前电池电量，根据公式3得到以下公式：

E_n是当前剩余电量，E_n-1是上一次计算的剩余电量，P_bat是当前充电功率，

是这1秒电池所获得的能量(E_1s)，α是互补滤波系数(小于1但一般大于0.95)，E_tab是通过查找数组得出恒流充电时，在图3中的V_bat与E_tab数组找到当前充电电压对应的E_tab恒压充电时，在图4中的的I_bat与E_tab数组找到当前充电电压对应的E_tab。例如：上一次计算的剩余电量E_n-1＝60100mWh，当前充电电压V_bat＝8.4V，充电电流I_bat＝-1050mA，根据充电电流和图4中数据可得E_tab＝60080mWh，设定α＝0.95，由公式4可得：

又因为根据图4中数据可得总充电电量E_charge＝64820mWh。

则电池电量百分比：

放电状态估算电池剩余电量：计算公式同公式4，例如：上一次计算的剩余电量E_n-1＝38230mWh，当前放电电压V_bat＝7.4V，放电电流I_bat＝1000mA，根据放电电压和图5中表格可得E_tab＝38250mWh，设定α＝0.95，由公式4可得：

又因为根图5中表格可得总放电电量E_discharge＝57360mWh。

则电池电量百分比：

综上所述，本发明使用互补滤波算法，融合电池电压、电流和瞬时功率采样值，得出一个准确的电量值，并且能在后续的完整充放电周期自动更新电池电量数据。本发明可以有效解决负载变化引起的电量百分比跳变和电池老化导致测量不准确的问题，并且***长时间工作也能准确计算出剩余电量。本发明只需要使用带有ADC功能的单片机或普通电量IC即可实现，极大的节省物料成本，有更高的经济效益。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型，同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。

Claims

1.一种电池剩余电量的测量和估算方法，其特征在于，包括：

根据电池的充放电状态，选择第一数组或第二数组中的数据，以及当前电池的功率积分，使用互补滤波算法计算出电池剩余电量；

电池充电状态下，选择所述第一数组的数据与电池的功率积分融合互补滤波算法计算出电池剩余电量；电池放电状态下，选择所述第二数组的数据与电池的功率积分融合互补滤波算法计算出电池剩余电量；

短时间以E_1s、也即这1秒电池对外输出的能量为准，长时间则以E_tab、也即根据当前充/放电的电池电压，查找所述第一数组或所述第二数组得出的对应电池剩余电量为准，互补滤波算法计算如下：E_n＝α(E_n-1-E_1s)+(1-α)*E_tab；式中α是权重，0.95＜α＜1，α越大说明短时间更多相信E_1s的累加值；E_n是当前剩余电量，E_n-1是上一次计算的剩余电量，E_1s是这1秒电池对外输出的能量，E_tab是根据当前充/放电的电池电压，查找所述第一数组或所述第二数组得出的对应电池剩余电量。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池充电状态下，恒流充电时，记录电压与剩余电量的关系；恒压充电时，记录电流与消耗电量的关系。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，电池的充电状态中断时，判断此次充电周期是否为完整的充电周期。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电池放电状态下，判断放电功率是否在额定区间内，是，则记录电压与消耗电量的关系。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，放电至电池截止电压后，判断此次放电是否为完整的一次放电，若是，保存此次所述第二数组并覆盖前一次所述第二数组。