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深圳市威世博知识产权代理事务所（普通合伙） (CN)
| 权利要求 1. 一种电池的电量计量系统， 所述系统包括： 电池电压采集模块， 所述电池电压采集模块的输入端与所述电池连接用于 采集所述电池的端电压， 所述电池电压采集模块间歇性工作； 微处理器模块， 与所述电池电压采集模块的输出端连接， 用于接收所述电 池的端电压， 并估算电池剩余电量； 其中， 所述微处理器模块根据所述电池的端电压及内建电池模型估算电池 开路电压， 再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV 关系推算出所述电池的剩余电 量， 所述内建电池模型采用以下方程组描述： V0(t)=V0CV ( t ) - ( t ) *R I2 ( t ) *R2 (1) SOC(t) = SOC(0) - ft Ii(t)dt (4) J 0 其中， V。(t)表征所述电池的端电压， V。cv ( t )表征所述电池的开路电压， 表征所述电池的等效欧姆阻抗， R2表征等效极化压差阻抗， Mt)表征电池的充 电或放电电流值， 流过等效极化压差阻抗 R2电流为 I2(t), SOC(t)为所述电池当 前剩余电量， SOC ( 0 ) 为所述电池的初始电量， 根据所述内建电池模型结合当 前采集的所述电池的端电压算出当前所述电池的开路电压， 再根据典型锂离子 电池的 SOC-OCV关系推算所述电池剩余电量。 2. 根据权利要求 1所述的电池的电量计量系统， 其中， 根据所述电池的特 性建立电池开路电压与剩余电量关系表格， 再根据所述电池的端电压推算所述 电池的开路电压， 再查表得到对应的剩余电量， 若所述电池开路电压为在离散 数据点之间， 则采用线性内插法算出剩余电量。 3. 根据权利要求 1所述的电池的电量计量系统， 其中， 根据所述电池的特 性建立所述电池的开路电压与剩余电量关系数据， 分段多项式拟合得到所述电 池的开路电压与剩余电量关系多项式组， 再根据所述电池的端电压推算电池开 路电压， 带入所述电池的开路电压与剩余电量关系多项式组算出剩余电量。 4. 一种电池的电量计量系统， 所述系统包括： 电池电压采集模块， 所述电池电压采集模块的输入端与所述电池连接用于 采集所述电池的端电压； 微处理器模块， 与所述电池电压采集模块的输出端连接， 用于接收所述电 池的端电压， 并估算电池剩余电量； 其中， 所述微处理器模块根据所述电池的端电压及内建电池模型估算电池 开路电压， 再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV 关系推算出所述电池的剩余电 量。 5. 根据权利要求 4所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述电池电压采集 模块包括电压采样单元和模数转换模块。 6. 根据权利要求 5所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述电压采样单元 为开关电容电路或高输入阻抗放大器。 7. 根据权利要求 5所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述电压采样单元 的最前端包括一个低通滤波器。 8. 根据权利要求 4所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述电池电压采集 模块间歇性工作。 9. 根据权利要求 4所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述微处理器模块 为数字信号处理器 DSP。 10.根据权利要求 4所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述微处理器模块 为编入特定算法的可编程逻辑器件。 11. 根据权利要求 4所述的电池的电量计量系统， 其中， 所述内建电池模型 采用以下方程组描述： V0(t)=V0CV ( t ) - ( t ) *R I2 ( t ) *R2 (1) I2(t) * R2 =VCl(t) (2) SOC(t) = SOC(0) - ft Ii(t)dt (4) J 0 其中， V。(t)表征所述电池的端电压， V。cv ( t )表征所述电池的开路电压， 表征所述电池的等效欧姆阻抗， R2表征等效极化压差阻抗， I^t)表征电池的充 电或放电电流值， 流过等效极化压差阻抗 R2电流为 I2(t), SOC(t)为所述电池当 前剩余电量， SOC ( 0 ) 为所述电池的初始电量， 根据所述内建电池模型结合当 前采集的所述电池的端电压算出当前所述电池的开路电压， 再根据典型锂离子 电池的 SOC-OCV关系推算所述电池剩余电量。 12.根据权利要求 11所述的电池的电量计量系统， 其中， 根据所述电池的 特性建立电池开路电压与剩余电量关系表格， 再根据所述电池的端电压推算所 述电池的开路电压， 再查表得到对应的剩余电量， 若所述电池开路电压为在离 散数据点之间， 则采用线性内插法算出剩余电量。 13.根据权利要求 11所述的电池的电量计量系统， 其中， 根据所述电池的 特性建立所述电池的开路电压与剩余电量关系数据， 分段多项式拟合得到所述 电池的开路电压与剩余电量关系多项式组， 再根据所述电池的端电压推算电池 开路电压， 带入所述电池的开路电压与剩余电量关系多项式组算出剩余电量。 |
【技术领域】
本发明涉及电子技术领域， 特别是涉及一种电池的电量计量系统。 【背景技术】
目前， 随着手机等以电池供电的电子设备的广泛使用 ， 电池的电量计量越 来越被电子设备开发人员重视。 如图 1所示， 图 1为现有技术的电池的电量计 量系统的结构示意图。 现今的电池的电量计量系统主要由微处理器模 块 11、 电 流检测模块 12以及电流检测电阻 Rs构成。 由于电流检测电阻 Rs必须设置在电 池内部且微处理器模块 11的供电直接来自于电池， 导致该系统只能位于电池内 部。 其中微处理器模块 11可以通过通用通讯接口与电子设备的处理器 持数据 交换。 当系统正常工作时， 需要不断采集电流检测电阻 Rs两端的端电压， 计算 实时电流从而计算得到电池剩余电量。 当整个用电设备进入睡眠模式、 待机模 式或者超低功耗模式时， 电量计量系统仍然会采集电压， 利用 SOC-OCV ( state of charge- Open Circuit Voltage, 剩余电量 -开路电压） 的相关性， 来纠正电量估 算偏差。
但现有技术至少具有以下几个缺点：
1. 现有技术的电池的电量计量系统功耗较高， 当系统工作时， 需要实时监 控电流大小， 否则将无法准确累加电量， 因此采样系统必须保持在实时工作状 态， 也就是说采样模块必须工作在常开的状态， 这样导致的后果就是系统总功 耗始终会保持在比较高的水平， 系统无法根据负载状况来主动调节系统工作状 态。
2. 当系统工作时， 无法自主消除电流采样时必然发生的长期电量 漂移， 因 此也就无法在正常工作中自动纠正电量误差。 由于电流检测电阻本身精度有限， 造成的累积误差只有当系统进入睡眠模式、 待机模式或者超低功耗模式时才可 以利用电压采样获得的开路电压进行电量修正 。 在系统处于连续工作状态或者 反复充放电的情况下， 无法自主对系统误差进行监控， 因此会影响连续工作或 反复充放电时的精度。 当系统处于睡眠模式、 待机模式或者超低功耗模式时的 电量误差纠正通常是突变的方式， 即在采样完毕以后立即对电量做出更新， 因 此会在开关机时产生电量显示突变的状况。
3. 现有技术的电池的电量计量系统只能位于电池 的内部。
【发明内容】
本发明主要解决的技术问题是提供一种电池的 电量计量系统， 能够保持电 池的电量计量的精确度， 并能将电量计量系统设置在电池的内部或者外 部。 为解决上述技术问题， 本发明采用的一个技术方案是： 提供一种电池的电 量计量系统， 该系统包括： 电池电压采集模块和微处理器模块， 电池电压采集 模块的输入端与电池连接用于采集电池的端电 压， 电池电压采集模块间歇性工 作； 微处理器模块与电池电压采集模块的输出端连 接， 用于接收电池的端电压， 并估算电池剩余电量； 其中， 微处理器模块根据电池的端电压及内建电池模 型 估算电池开路电压，再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV关系推算出电池的剩余 电量， 内建电池模型采用以下方程组描述：
V 0 (t)=V 0CV ( t ) - ( t ) *R I 2 ( t ) *R 2 (1)
SOC(t) = SOC(0) - ft Ii(t)dt (4)
J 0
V。(t)表征电池的端电压， V。 cv ( t )表征电池的开路电压， 表征电池的等 效欧姆阻抗， R 2 表征等效极化压差阻抗， Wt)表征电池的充电或放电电流值， 流 过等效极化压差阻抗 R 2 电流为 I 2 (t), SOC(t)为电池当前剩余电量， SOC ( 0 )为 电池的初始电量， 根据内建电池模型结合当前采集的电池的端电 压算出当前电 池的开路电压， 再根据典型锂离子电池的 SOC-OCV关系推算电池剩余电量。
其中， 根据电池的特性建立电池开路电压与剩余电量 关系表格， 再根据电 池的端电压推算电池的开路电压， 再查表得到对应的剩余电量， 若电池开路电 压为在离散数据点之间， 则采用线性内插法算出剩余电量。
其中， 根据电池的特性建立电池的开路电压与剩余电 量关系数据， 分段多 项式拟合得到电池的开路电压与剩余电量关系 多项式组， 再根据电池的端电压 推算电池开路电压， 带入电池的开路电压与剩余电量关系多项式组 算出剩余电 量。
为解决上述技术问题， 本发明采用的另一个技术方案是： 提供一种电池的 电量计量系统， 其包括： 电池电压采集模块和微处理器模块。 电池电压采集模 块的输入端与电池连接用于采集电池的端电压 并转换为数字电压信号后输出。 微处理器模块与电池电压采集模块的输出端连 接， 用于接收电池的端电压， 并 估算电池剩余电量。 其中， 微处理器模块根据电池的端电压及内建电池模 型估 算电池开路电压，再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV关系推算出电池的剩余电 量。
其中， 电池电压采集模块包括电压采样单元和模数转 换模块。
其中， 电压采样单元为开关电容电路或高输入阻抗放 大器。
其中， 电压采样单元的最前端包括一个低通滤波器。
其中， 电池电压采集模块间歇性工作。
其中， 微处理器模块为数字信号处理器 DSP。
其中， 微处理器模块也可以为编入特定算法的可编程 逻辑器件。 其中， 内建电池模型采用以下方程组描述：
V 0 (t)=V 0CV ( t ) - ( t ) *R I 2 ( t ) *R 2 (1)
)
V。(t)表征电池的端电压， V。 cv ( t )表征电池的开路电压， 表征电池的等 效欧姆阻抗， R 2 表征等效极化压差阻抗， Wt)表征电池的充电或放电电流值， 流 过等效极化压差阻抗 R 2 电流为 I 2 (t), SOC(t)为电池当前剩余电量， SOC ( 0 )为 电池的初始电量， 根据内建电池模型结合当前采集的电池的端电 压算出当前电 池的开路电压， 再根据典型锂离子电池的 SOC-OCV关系推算电池剩余电量。
其中， 根据电池的特性建立电池开路电压与剩余电量 关系表格， 再根据电 池的端电压推算电池的开路电压， 再查表得到对应的剩余电量， 若电池开路电 压为在离散数据点之间， 则采用线性内插法算出剩余电量。
其中， 根据电池的特性建立电池的开路电压与剩余电 量关系数据， 分段多 项式拟合得到电池的开路电压与剩余电量关系 多项式组， 再根据电池的端电压 推算电池开路电压， 带入电池的开路电压与剩余电量关系多项式组 算出剩余电 量。
本发明的有益效果是： 区别于现有技术的情况， 本发明通过电池的端电压 及内建电池模型估算电池开路电压，再依据典 型锂离子电池的 SOC-OCV关系推 算出电池的剩余电量， 通过上述方式， 本发明能够保持电池的电量计量的精确 度， 并能将电量计量系统设置在电池的内部或者外 部。
【附图说明】
图 1是现有技术的电池的电量计量系统的结构示 图；
图 2是本发明内建电池模型的电路结构示意图；
图 3是本发明电池的电量计量系统优选实施例的 构示意图；
图 4是本发明一种 SOC-OCV对应关系的示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说 明。
请参阅图 2, 图 2是本发明内建电池模型的电路结构示意图。 内建电池模型 为电池电路的一种归一化建模的等效电路， 该等效电路包括： 第一电阻 、 非 线性电阻 R 2 、 OCV等效电压源 V s 以及第一电容 (^。 其中， 第一电阻 、 非线 性电阻 R 2 、 OCV等效电压源 V s 三者串联， 第一电容(^与非线性电阻 R 2 并联。 第一电阻 悬空的一端连接至电池的正极 PACK+, 0CV等效电压源 V s 的负极 连接至电池的负极 PACK-。
在内建电池模型中，第一电阻 表征电池的等效阻抗，主要由金属接触点， 电解液导电率决定， 一般不随电流大小变化。 非线性电阻 R 2 表征电池的极化压 差造成的压降。 第一电容(^表征极化压差对电流激励的响应速 ， 由非线性电 阻 R 2 和第一电容（^共同决定的时间常数为 OCV等效电压源 V s 表征 在空载状态下电池的开路电压 V ocv 。 其中， 第一电阻 、 非线性电阻 R 2 、 第一 电容 d由电池的固有特性确定。
请结合参阅图 3,图 3是本发明电池的电量计量系统优选实施例的 构示意 图。 电池的电量计量系统优选地包括： 电池电压采集模块 21以及微处理器模块 22。
电池电压采集模块 21的输入端与电池连接， 电池电压采集模块 21用于采 集电池的端电压并转换为数字电压信号后输出 ， 也就是说， 电池的端电压是由 模拟电压信号表征的， 电池电压采集模块 21则将电池的端电压以数字电压信号 表征。具体地，电池电压采集模块 21包括电压采样单元 211和模数转换模块 212。 电压采样单元 211用于采集电池的端电压， 模数转换模块 212用于将电池的端 电压以数字电压信号表征。
在本实施例中， 电压采样单元 211 优选为高输入阻抗放大器， 电压采样单 元 211包括： 第二电阻 R 3 、 第二电容 C 2 以及放大器 2111。 电压采样单元 21的 最前端包括一个由第二电阻 R 3 、 第二电容 C 2 构成的低通滤波器。 测量电池电量 时， 放大器 2111的输入端通过第二电阻 R 3 连接电池的正极 PACK+, 通过第二 电容 C 2 连接电池的负极 PACK-, 第二电容 C 2 与电池的负极共同接地。 高输入 阻抗放大器为系统工作在连续时间的緩沖器。 值得注意的是， 在其他实施例中， 电压采样单元 211也可以是开关电容电路。
微处理器模块 22与电池电压采集模块 21的输出端连接， 具体与模数转换 模块 212 的输出端连接， 用于接收转化为数字电压信号之后的端电压， 并估算 电池剩余电量。 在本实施例中， 微处理器模块 22优选为数字信号处理器 DSP, 在其他实施例中， 微处理器模块 22也可以为其他编入特定算法的可编程逻辑器 件。 放大器 2111、模数转换模块 212以及微处理器模块 22的接地引脚均与电池 负极共地。
本实施例的电池的电量计量系统仅需要将电池 的两端连接至电池的电量计 量系统的两端， 因此本实施例的电池的电量计量系统不仅可以 位于电池内部， 也可以位于电池外部， 例如位于电池负载的移动通讯设备或其他电子 设备的 PCB板上。 由于电量计量系统可以设置在电池外部， 并不需要由电池直接供电， 因此电池电压采集模块 21可以间歇性工作， 即间歇性采集电池的端电压。 具体 而言， 系统不需要工作在实时模式， 只需要定时测量电池的端电压即可， 有鉴 于此， 模数转换模块 212也不需要工作在连续模式， 使得系统在绝大多数时间 内可以处于低功耗状态， 这样就可以显著降低系统的总功耗。
下面将结合图 的内建电池模型来说明电池电量的计量系统的 工作过程： 电池电压采集模块 21采集电池的端电压并转换为数字电压信号后 出， 微 处理器模块 22接收数字电压信号形式的端电压， 并根据电池的端电压及内建电 池模型估算电池的开路电压， 再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV ( state of charge- Open Circuit Voltage, 剩余电量-开路电压 )对应关系推算出电池的剩余 电量。如图 4所示，图 4示出了一种典型锂电池 SOC-OCV对应关系的示意曲线， 可以发现， SOC和 OCV都是唯一互相对应的，因此可以利用查表的 方法从 OCV 推导 SOC, 反之亦然。
如图 1所示， 由内建电池模型的结构可知， 表述电池的端电压 V。（t )与电 池的开路电压 V。 cv ( t )之间的关系的方程为：
V 0 ( t ) =V 0CV ( t ) -Ii ( t ) *R I 2 ( t ) *R 2 ( 1 ) 其中， V。（t ) 为电池的端电压， V。 cv ( t ) 为电池的开路电压， L ( t ) 为通 过第一电阻 的电流， 具体地， 电池充电时 L ( t )为充电电流， 电池放电时 L ( t ) 为放电电流。 为第一电阻的阻值， l 2 ( t ) 为通过非线性电阻 R 2 的电流， R 2 为非线性电阻的阻值。 L (t) 由电池的 SOC特性方程估算， I 2 (t) 由 ^ (t) 与 I 2 (t)在电池的等效电路中的关系方程推算。
进一步， 电池的 SOC特性方程为：
SOC(t) = SOC(0) - ft Ii(t)dt ( 2 )
J 0
其中， SOC (t)为某一时刻电池的剩余电量， SOC (0)为初始状态下电池 的电量。
SOC特性方程表述了随着放电电量的增加， 电池的剩余电量 SOC(t)也随之 相应减小的关系。 筒言之， 以 1C (单位倍率， 等同于标称容量值的放电电流， 比如 800mAh的电池， 对应的 1C就是 800mA )放电 3600秒， 就可以把电池从 100%放电至 0%, 因此放电倍率可以直接用于电量 SOC的积分运算。
每一个时刻的电池特性都符合上述 SOC特性方程。 因此， 利用前一个采样 时刻的电池 SOC特性，就可以估算出后一时刻的流过第一电 阻 的电流 L ( t ), 保证了实时数据的准确性， 由于电池的负载状态无论是在正常工作模式下 ， 还 是在睡眠模式、 待机模式或者超低功耗模式下， 都是依据前一时刻电池 S0C特 性推算下一时刻流过第一电阻 的电流 L (t), 所以保证了本实施例的电池的 电量计量系统能够适应各种负载状态。
h (t) 由 L (t)与 I 2 (t)在内建电池模型中的关系方程推算。 i! (t)与 1 2
(t)在内建电池模型中的关系方程为：
ft I2-I1 Λ υ /、
J。 dt=Vci (t) (4)
其中， V Cl (t)为第一电容两端的电压。
通过上述过程 (1)、 （2)、 （3)和 (4), 计算出通过第一电阻 的电流 L (t)和 通过非线性电阻 R 2 的电流 I 2 ( t )之后， 将 L ( t )、 I 2 (t)带入公式（ 1 )并结合 该时刻采样的电池端电压 V。 (t)可得到电池的开路电压 V。 cv (t)。 再依据典型 锂离子电池的 S0C-0CV关系推算出电池的剩余电量。电池的剩 电量和开路电 压之间， 有唯一对应关系。 对应关系有两种： 一种是根据电池的特性建立电池开路电压与剩 余电量关 系表格； 另一种是根据电池的特性建立电池的开路电压 与剩余电量关系数据， 分段多项式拟合得到电池的开路电压与剩余电 量关系多项式组。 对于第一种， 需要根据电池的端电压推算电池的开路电压， 再查表得到对应的剩余电量， 若 电池开路电压为在离散数据点之间， 则推算电池开路电压采用线性内插法算出 剩余电量。 对于第二种， 需要根据电池的端电压推算电池开路电压， 带入电池 的开路电压与剩余电量关系多项式组算出剩余 电量。
本发明电池的电量计量系统通过电池的端电压 及内建电池模型估算电池开路 电压，再依据典型锂离子电池的 SOC-OCV关系推算出电池的剩余电量，通过上 述方式， 本发明能够适应电池的各种负载状态， 保持计量精确度， 降低系统功 耗， 并且能够将电量计量系统设置在电池内部或者 外部。
以上所述仅为本发明的实施方式， 并非因此限制本发明的专利范围， 凡是 利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构 或等效流程变换， 或直接或间接 运用在其他相关的技术领域， 均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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