CN116914882A - 一种充电电池采样方法、设备及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电池充电领域，具体公开了一种充电电池采样方法、设备及介质，包括当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值；当第一电压值小于充电峰值电压，连通充电开关电路开始对电池进行充电，并开始计时；当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值；当第二电压值小于充电峰值电压时，连通充电开关电路继续对电池进行充电；当第二电压值大于等于充电峰值电压时，停止计时。本发明通过充电开关电路暂停充电后再进行电池电压的采样，采样结果更加准确，误差小，容易实现，且容错率高，不会因为算法或参数的错误差生电量的采样的误差。
Description
技术领域
本发明涉及电池充电领域，尤其涉及一种充电电池采样方法、设备及介质。
背景技术
随着近年来电动车与移动终端的飞速发展，电池充电技术的重要性也越来越凸显。现有的锂电池充电技术，在充电过程中，显示电池充电电量是一项必要的功能，而精确的电量显示，需要MCU(单片机电路)对电池芯片进行采样。由于在充电时，充电芯片会往充电电池输送电流，同时因为电压存在纹波的原因，会使电池的充电电压不准确，放电时的电池电压和充电时的电压差别巨大。目前市面上的部分充电芯片采用读取寄存器的方式判断电池电量，部分充电芯片则干脆没有获取电池电量的功能，这时需要MCU直接通过电池的电流电压来判断电量；然而，这就会导致以下不同情况下存在的各种问题：
1、通过电池分压的形式，MCU通过ADC(模数转换电路)来读取充电电压；由于电池在充电时电压被抬高，ADC采集到的电压也会随之提高，故最终得到的电量数据偏离实际电量；
2、通过外加电量计芯片的形式进行读取电量；高精度的电量计芯片，能够测量电池电量、温度、电压等参数，也可以支持多种电池类型，但是这类芯片的价格较高，会增加***的成本；低成本的电量计则精度较低，适用的电池类型较少，难以大规模推广运用；
3、通过计算电池在放电时和充电时的电压差，累计数据，得到该电池充电的电压-电量曲线，从而MCU根据充电时的电压进行电量判断；但是此方法较容易受到约束，比如同一电压情况下，由于电池会受到放电次数的影响而衰减，不同电池的实际容量不同，同时需要的样本巨大，实现成本高，可靠性低；
4、对电池充电的电压-电量曲线，进行采样电压的补偿，拟合出电压补偿值与充电采样电压的函数关系；当检测到充电采样电压时，利用函数关系计算出充电采样电压所对应的电压补偿值，最后对采样电压和电压补偿值进行加和，这种算法同样需要较大的样本数据量作为基础，同时只能减少误差，无法完全消除电池充电时电量的误差。
发明内容
为了克服现有的电池充电时电量的测量成本高、误差大的问题，本发明提供一种充电电池采样方法、设备及介质。
本发明提供了一种充电电池采样方法，包括：
当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测所述充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值；其中，所述充电接口电路用于连接电池的正负极；
当所述第一电压值小于充电峰值电压，连通充电开关电路开始对电池进行充电，并开始计时；其中，所述充电开关电路用于控制供电接口电路与所述充电接口电路之间的通断，所述供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供所述充电接口电路输出的直流电，所述充电峰值电压是预设的电池充电电压上限阈值；
当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取所述充电接口电路的第二电压值；
当所述第二电压值小于充电峰值电压时，连通充电开关电路继续对电池进行充电；
当所述第二电压值大于等于充电峰值电压时，停止计时。
作为优选地，所述当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测所述充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值，具体为：
断开充电开关电路，通过电池采样电路实时检测充电接口电路的电压值，当电压值为零时，则判断充电接口电路悬空；
当检测到充电接口电路的电压值大于第一阈值时，则判断有的电池接入充电接口电路，记录所述电压值为第一电压值。
优选地，还包括步骤如下：所述第一阈值是1.8V。
优选地，所述当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值，具体为：
当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路；
延时80us后，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值。
优选地，所述第一时间段的时长为1分钟。
优选地，所述供电接口电路中设有供电检测单元，所述供电检测单元用于检测供电接口电路是否接入外部电源。
优选地，所述充电开关电路在未被连通时处于常开状态。
本发明还提供了一种充电电池采样设备，包括：电池采样电路、充电开关电路、充电接口电路、供电接口电路和逻辑控制电路；
所述电池采样电路用于通过并联充电接口电路，读取充电电池正负极之间的电压值；
所述充电接口电路用于连接电池的正负极；
所述充电开关电路用于控制供电接口电路与所述充电接口电路之间的通断；
所述供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供所述充电接口电路输出的直流电；
所述逻辑控制电路用于控制所述电池采样电路和充电开关电路，以执行上述充电电池采样方法。
本发明提供了一种终端设备，包括处理器和存储装置，所述存储装置用于存储一个或多个程序；当所述一个或多个程序被所述处理器执行时，所述处理器实现上述充电电池采样方法。
本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行上述充电电池采样方法。
本发明的有益效果是：
(1)相比于直接再充电过程中通过ADC进行采样或低成本的电流计芯片方案，本方案通过充电开关电路暂停充电后再进行电池电压的采样，采样结果更加准确，误差小；
(2)通过断开充电供电后，再测量电池的电压，无需通过补偿算法或者拟合曲线来减少电池电量的采样误差，容易实现，且容错率高，不会因为算法或参数的错误差生电量的采样的误差。
附图说明
下文将结合说明书附图对本发明进行进一步的描述说明，其中：
图1为本发明其中一个实施例的方法流程图；
图2为本发明另一实施例的供电接口电路中供电检测单元的电路图；
图3为本发明另一实施例的供电接口电路的电路图；
图4为本发明另一实施例的电池采样电路的电路图；
图5为本发明另一实施例的充电开关电路的电路图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
参见图1，作为本发明的其中一个实施，公开了一种充电电池采样方法，其实现步骤如下：
S1、当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值；
S2、当第一电压值小于充电峰值电压，连通充电开关电路开始对电池进行充电，并开始计时；
S3、当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值；
S41、当第二电压值小于充电峰值电压时，连通充电开关电路继续对电池进行充电；
S42、当第二电压值大于等于充电峰值电压时，停止计时。
其中，充电接口电路用于连接电池的正负极；充电开关电路用于控制供电接口电路与充电接口电路之间的通断，充电开关电路默认处于关断状态，即充电开关电路在未被连通时处于常开状态，供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供充电接口电路输出的直流电。
充电峰值电压是预设的电池充电电压上限阈值，该上限阈值为根据电池的充电参数确定，例如部分锂电池的最大充电电压为4.2V。
优选地，上述步骤S1，具体实现的分步骤包括：
S11、断开充电开关电路，通过电池采样电路实时检测充电接口电路的电压值，当电压值为零时，则判断充电接口电路悬空；
S12、当检测到充电接口电路的电压值大于第一阈值时，则判断有待充电的电池接入充电接口电路，记录电压值为第一电压值。
其中充电开关电路仅需要利用MOS管和三极管既可以搭建，实现成本低，不会给***增加高额的成本。
相比于直接再充电过程中通过ADC进行采样或低成本的电流计芯片方案，本方案通过充电开关电路暂停充电后再进行电池电压的采样，采样结果更加准确，误差小；
通过断开充电供电后，再测量电池的电压，无需通过补偿算法或者拟合曲线来减少电池电量的采样误差，容易实现，且容错率高，不会因为算法或参数的错误差生电量的采样的误差。
在一些实施例中，第一阈值设为零，即在没有电池接入充电接口电路时，充电接口电路悬空，因此电压检测结果的理论值为零。但是考虑到实际情况中感应电或静电干扰，导致充电接口电路悬空时电压的读数仍会大于零，因此可以将电压的检测值设为小于第二阈值，比如电压值小于1.8V时即认为充电接口电路悬空。
本实施例的第一阈值设为1.8V，即当充电开关电路处于关断状态时，检测到充电接口电路的电压值大于1.8V，即说明有充电锂电池接入了充电接口电路，而充电接口电路的电压值小于1.8V时，即使有电池接入，也说明电池处于过放电后的损坏状态，不应再进行充电。由于常见的聚合物锂电芯的充电电池放电终止电压(停止放电的电压)一般高于3.2V；磷酸铁锂电池电芯的满电电压是3.65V，放电终止电压是2.0V，一般电池厂家为了保护电芯使用寿命，终止电压会高于2.0V；钴酸锂离子电池电芯满电电压是4.2V，终止放电电压是2.6V，标称电压是3.6V，因此常见的锂电池的最低电压正常不会低于1.8V，其他类型的充电电池同理设置对应的参数。而充电峰值电压则可以根据具体所充的电池对应的满电电压来选定。
上述分步骤的意义在于在没有充电电池接入时，充电开关电路断开，充电接口电路没有输出电压，可以保护充电接口电路不应意外短路或是电池意外反接，而使整个充电电路以及充电电池损坏。
本事实例中的第一电压值和第二电压值的检测和设置，即是为了能够读取在非充电状态上电池的电压，以供MCU可以准确的判断电池的当前电量值，同时也能防止电池过充。
本实施例还提供了一种充电电池采样设备，包括：电池采样电路、充电开关电路、充电接口电路、供电接口电路和逻辑控制电路；
电池采样电路用于通过并联充电接口电路，读取充电电池正负极之间的电压值；
充电接口电路用于连接电池的正负极；
充电开关电路用于控制供电接口电路与充电接口电路之间的通断；
供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供充电接口电路输出的直流电；
逻辑控制电路用于控制电池采样电路和充电开关电路，以执行上述充电电池采样方法。
参见图2至图5，作为本方案的另一实施例，本实施例通过USB接口作为供电接口电路，具体为一个带有通过USB接口的对锂电池进行充电功能的设备。本实施例采用标压3.7V的钴酸锂电池，其充电峰值电压设为4.08V。
本实施例的供电接口电路中设有供电检测单元，供电检测单元用于检测供电接口电路是否接入外部电源。
vbus是供电接口电路中输出端正极的供电针脚，本实施例中是通过USB接口提供的5V直流供电，GUD是接地脚。
MCU_GPIO1、MCU_GPIO2和MCU_GPIO3均分别是MCU的其中一个通用输入/输出引脚，GPIO是General Purpose Input Output的缩写。具体的：
MCU_GPIO1(以下简称IO1)用于连接供电检测单元，以检测供电接口电路是否有外部电源接入，即是否有USB插头***作为供电接口电路的USB插座；
MCU_GPIO2(以下简称IO2)用于控制充电开关电路的通断；
MCU_GPIO3(以下简称IO3)用于读取电池采样电路的电压值。
本实施例的J6是24PIN的Type-cUSB母座。
本实施例的充电开关电路(参见图5)中，U7采用了IP5305T芯片作为充电IC(集成升压转换器)，Q18是N沟道场效应管，具体采用YJS4407A芯片，可以通过1A电流以上，并且开关延时时间和开关上升、下降时间为ns级别。
J7引脚是电压检测引脚，用于在电路调试时检测充电电路是否输出正确的电压；BATTERY用于连接充电电池的正极(即充电接口电路的正极)，VBAT是BATTERY的简写，均为充电接口电路的正极。
本实施例的关键点在于使用MCU控制三极管Q1的通断，来间接控制MOS管的通断；充电开关电路的通断控制部分必须设于充电IC的输入端，而不能设在输出端，因为IP5305T如果控制电池的开关，会出现因为负载频繁切换的情况导致充电IC启动不及时的问题。
同时，由于VBUS是5V或者是更高的电压，而MCU的工作电压在3.3V左右，本实施例的Q18选用的MOS管型号为YJS4407A(SOP-8)，其Vgs(th)的驱动电压(即为栅极阈值电压)为-1.8V，范围值为-1.2V～-2.8V之间，由于Q18的源极接了VBUS，VBUS会存在±0.25V的偏差，故VBUS会在4.75V-5.25V之间，而单片机的***电压为3.3V，无论是开漏输出还是推挽输出，高电平输出能力可能无法直接用于驱动MOS管的通断，所以本实施例通过控制三极管Q1再间接控制MOS管的通断。VBUS接MOS管的S极，充电IC的输入引脚接D极，使MOS管的体二极管与VBUS的输入电流反向，防止通过体二极管输入电流。MOS管的选型参考电流和开关速度，本***的充电速率为5V/1A，故选型的Q18可以通过1A电流以上，并且开关延时时间和开关上升、下降时间为ns级别，不会影响充电速率。
本实施例的步骤S3，其实现的分步骤如下：
S31、当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路；
S32、延时80us后，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值。
本实施例通过实际试验，对电池充电过程中，断开充电开关电路后的电压值进行了持续测量研究，充电芯片不再充电，电池电压回落到正常值。由示波器监测电池电压，纪录数据，得到下表1：
表1
通过表1的数据可以得知，电池的电压在充电过程中被抬高，在点开充电供电后，电池的电压有一个短暂的回落过程，如果在断电后立刻采集电池的电压数据，会导致采集到的电压数据仍然存在一定的误差，而在断开充电开关电路的80us左右，电池的电压回复到其实际电量相对应的电压值，其后几乎不再变化。所以根据实验数据得知，本实施例的MCU在执行断开充电开关电路操作后，延时80us至100us以后再进行电池的电压采样即可得到较准确的电池电量测量结果。
即使延时100us再采样并恢复充电，其所占用的时间再整个的电池充电周期中占用的时间比例仍然极小，可以忽略不计，因此对电池的充电效率几乎没有影响。
当USB接插头未***USB接口(即本方案的充电接口电路)时，VBUS没有电压，Q3的b极电压为0，Q3不导通，MCU的电源通过R60直接给到MCU的IO1，MCU检测到高电平；MCU对电池的电压进行正常的采样。
当USB***的瞬间，VBUS上升至5V，通过R61和R65分压后来到Q3的b极电压为3.125V，Q3导通，此时Q3的C极电位接近于0，MCU的IO1检测到低电平，MCU以此实现检测USB是否已经***的功能。此时，MCU保留上一次采样的电池电压，并开始计时，当满足一定的时间后，如一分钟，此时MCU的IO2输出低电平，关闭Q18。
电池采样电路通过电阻分压的形式实现，以标压3.7V的钴酸锂电池举例，通过R72和R75的分压，来到MCU的IO3，MCU通过ADC模块进行量化，最后输出***设定的电量值。
充电开关电路是基于IP5305T的电路，在VBUS的输入端增加一个MOS管和NPN的三极管进行控制开关，当MCU的IO2输出高电平时，Q1导通，此时Q18的g极电位趋近于0，s极电位为5.0V±0.25V，Vgs为-5V，按上述规格书标注，Vgs(th)为-1.8V，Vgs小于Vgs(th)，Q18导通，VBUS可以正常往充电芯片IP5305T输入电流；当MCU的IO2输出低电平时，Q1关闭，此时Q18的g极受到R11上拉到接近5V，g极的电位约等于s极电位，Vgs大于Vgs(th)，Q18关闭，VBUS不能往IP5305T的输入引脚输入电流。
采集结束后，MCU的IO2即可输出高电平，重新打开充电开关，进行充电。以此类推，每隔若干的时间即中断至少80us的时间进行读取电量，直到读到电池的电压达到软件设定的阈值，即不再进行读操作，让充电正常进行，直至电池进入涓流充电模式和停止充电。以VDD_MCU的3.3V为检测基准，分压电阻为100Ω/150Ω，记录到的数据和详细的流程如下表2：
| 电池电压 | 3.83 | 3.74 | 3.65 | 3.91 | 4.07 | 3.54 | 3.66 |
| 理论ADC值 | 3168 | 3094 | 3019 | 3284 | 3363 | 2928 | 3028 |
| 实际ADC值 | 3174 | 3099 | 3005 | 3299 | 3365 | 2919 | 3026 |
表2
由于影响锂电池的使用寿命主要是取决于两个主要因素，分别为锂电池的使用时间和锂电池的使用循环次数，即完整地放电后充电才算循环一次。而通常情况下，锂电池的寿命是循环次数五百次到八百次之间，所以对电池不断地开关充电并不会影响电池的寿命。最后，为了验证本发明是否影响充电效率，通过实验了具备本发明的充电采样方法的样板进行充电，程序设定为每1分钟断开1秒进行监测，和正常的样板进行充电比较，充电时间为1小时，电池电压固定从3.5V开始充电，1小时后断开进行测试，得到下表3(具备充电采样方法的样板)和表4(正常样板)；
表3
表4
通过分别的9次的实验数据，可以计算出，带有充电采样方法的样板在充电1小时内充电电压达到了3.89V，而正常的样板充电电压则是3.87V，可见，本实施例的采样方法对充电效率的影响可以忽略不计。
本发明还公开了一种终端设备，包括处理器和存储装置，存储装置用于存储一个或多个程序；当一个或多个程序被处理器执行时，处理器实现上述的充电电池采样方法。所称处理器可以是中央处理单元(Central Processing Unit，CPU)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现成可编程门阵列(Field-Programmable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等，所称处理器是测试设备的控制中心，利用各种接口和线路连接整个测试设备的各个部分。
存储装置可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储装置内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储装置内的数据，实现终端设备的各种功能。存储装置可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作***、至少一个功能所需的应用程序等；存储数据区可存储根据终端设备的使用所创建的数据等。此外，存储装置可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(Smart Media Card,SMC)，安全数字(Secure Digital,SD)卡，闪存卡(Flash Card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
其中，充电电池采样设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于至少一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
需说明的是，以上所描述的设备及装置的实施例仅是示意性的，其中作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。
Claims (9)
1.一种充电电池采样方法，其特征在于，包括：
当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测所述充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值；其中，所述充电接口电路用于连接电池的正负极；
当所述第一电压值小于充电峰值电压，连通充电开关电路开始对电池进行充电，并开始计时；其中，所述充电开关电路用于控制供电接口电路与所述充电接口电路之间的通断，所述供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供所述充电接口电路输出的直流电，所述充电峰值电压是预设的电池充电电压上限阈值；
当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取所述充电接口电路的第二电压值；
当所述第二电压值小于充电峰值电压时，连通充电开关电路继续对电池进行充电；
当所述第二电压值大于等于充电峰值电压时，停止计时。
2.根据权利要求1所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，所述当电池与充电接口电路相连时，通过电池采样电路检测所述充电接口电路的电压值，并记录为第一电压值，具体为：
断开充电开关电路，通过电池采样电路实时检测充电接口电路的电压值，当电压值为零时，则判断充电接口电路悬空；
当检测到充电接口电路的电压值大于第一阈值时，则判断有的电池接入充电接口电路，记录所述电压值为第一电压值。
3.根据权利要求2所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，还包括步骤如下：所述第一阈值是1.8V。
4.根据权利要求1所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，所述当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值，具体为：
当电池正在充电时，每隔第一时间段，断开充电开关电路；
延时80us后，通过电池采样电路获取充电接口电路的第二电压值。
5.根据权利要求1所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，所述第一时间段的时长为1分钟。
6.根据权利要求1所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，所述供电接口电路中设有供电检测单元，所述供电检测单元用于检测供电接口电路是否接入外部电源。
7.根据权利要求1所述的一种充电电池采样方法，其特征在于，所述充电开关电路在未被连通时处于常开状态。
8.一种充电电池采样设备，其特征在于，包括：电池采样电路、充电开关电路、充电接口电路、供电接口电路和逻辑控制电路；
所述电池采样电路用于通过并联充电接口电路，读取充电电池正负极之间的电压值；
所述充电接口电路用于连接电池的正负极；
所述充电开关电路用于控制供电接口电路与所述充电接口电路之间的通断；
所述供电接口电路用于接入外部电源并将其转换为供所述充电接口电路输出的直流电；
所述逻辑控制电路用于控制所述电池采样电路和充电开关电路，以执行如权利要求1至7中任意一项所述的充电电池采样方法。
9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质包括存储的计算机程序，其中，在所述计算机程序运行时控制所述计算机可读存储介质所在设备执行如权利要求1至7中任意一项所述的充电电池采样方法。
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| CN202310817070.5A CN116914882A (zh) | 2023-07-04 | 2023-07-04 | 一种充电电池采样方法、设备及介质 |
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- 2023-07-04 CN CN202310817070.5A patent/CN116914882A/zh active Pending
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