CN102854471A - 电池电量计量方法及计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池电量计量方法及计量装置，其中该方法包括以下步骤：预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值；获取所述内阻的动态内阻电压值，并获取所述PMU读取的动态PMU电压值，将所述动态内阻电压值和所述动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值；根据公式I=V/R计算出动态系统电流值，其中，V为所述动态系统内阻电压值，R为所述内阻的阻值；根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对所述动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。该方法采用纯软件方式实现了对电池电量的准确计量，成本较低，额外耗能更少。

Description

电池电量计量方法及计量装置

技术领域

本发明涉及一种充电电池（例如锂电池）的电量计量技术，尤其涉及一种电池电量计量方法及计量装置。

背景技术

随着锂电池等充电电池在手持设备（例如智能手机、平板电脑、笔记本电脑等）上的大量使用，假如设备能够精确的获知自身的电池电量，不仅能够很好的保护充电电池，防止其过充放电，增长充电电池使用寿命，同时，也能够让用户能根据剩余电量估算所能使用的时间，及时的保存重要数据，从而给用户带来安全体验。

常见的电池电量的估计方法是通过简单地读取充电电池的电压，通过该电压值粗略的估算出电池电量，然后通过柱状图显示电量范围。然而，电池电量与其电压并不是一个线性的关系，电压的值不能正确反映电量的状况，有时电压的变化会随着负载的变化出现骤然变高或变低的现象，这明显不符合放电时电量递减，充电时电量递增的基本原理，因而不能准确估算出电池电量。

为提高电池电量估算的准确度，目前市场上诞生了很多专用的电量计芯片，将这种电量计芯片内置于设备中来计算设备的电池电量，从而将电池电量的显示由原来的柱状图变为了更精确的数字显示，精度得到很大提高。如美信公司的MAX17040系列电量计芯片，其原理是根据锂电池在不同负载下制定多个放电曲线，并建立多个相对应的数据表，最后，需循环采集足够多的电压数据，然后经过一系列复杂的算法计算出当前的负载情况和一个综合电压值，找到相对应的电池曲线，通过查表得出剩余电量。再比如TI公司的BQ27425电量计芯片，其原理是电量计芯片内的一个电阻串在充电电池正负极两端，在电流流过该电阻时，电阻会有电压变化，通过检测电阻电压，再结合计算充电电池阻抗变换，经过算法计算出电流，对电流做时间积分计算，得到剩余电量。

上述采用电量计芯片来计算充电电池的电量，虽然能够较为准确的估算出电池电量，但这电量计芯片的价格比较贵，因而增加了设备的成本，而且这种电量计芯片即使在系统进入待机休眠时也一直在工作，从而给系统增加了额外负载，也消耗了更多的电量。

发明内容

本发明的目的在于提供一种计量准确且成本较低的电池电量计量方法及计量装置。

为达到上述目的，本发明一方面提供了一种电池电量计量方法，包括以下步骤：

预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值；

获取所述内阻的动态内阻电压值，并获取所述PMU读取的动态PMU电压值，将所述动态内阻电压值和所述动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值；

根据公式I=V/R计算出动态系统电流值，其中，V为所述动态系统内阻电压值，R为所述内阻的阻值；

根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对所述动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。

再一方面，本发明还提供了一种电池电量计量装置，包括：

内阻计算模块，用于预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值；

电压计算模块，用于获取所述内阻的动态内阻电压值，并获取所述PMU读取的动态PMU电压值；将所述动态内阻电压值和所述动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值；

电流计算模块，用于根据公式I=V/R计算出所述动态系统电流值，其中，I为动态系统电流值，V为所述动态系统内阻电压值，R为所述内阻的阻值；

电流积分模块，用于根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对所述动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，Q为电池电量，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。

由于电池电量是其本身的点和总量，因而用电荷的变化来反映其电量的变化更为科学。本发明的电池电量计量方法正是采用电流积分方法的实现了对电池电量的准确计量，并且该方法采用纯软件实现，不需要借用电量计芯片，因而，在实现对电池电量的准确计量的同时，还节约了系统成本，并且由于省去了电量计芯片，从而使得系统的额外耗能更少。

附图说明

图1为本发明的电池电量计量装置的一个实施例的功能模块架构图；

图2为本发明的电池电量计量方法的一个实施例中的状态转换流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细描述：

本实施例的电池电量计量方法包括如下步骤：

首先，要预先获取PMU（即电源管理单元）与电池之间的内阻的阻值。现有系统（例如智能手机等）提供的软硬件环境没有提供及时获得电流的器件（例如库仑计/电流计），所以无法直接获得动态电流，而由于PMU与电池之间的布线和电池连接器有很小的内阻，而电流变化会导致内阻电压变化，而内阻电压我们是可以读取到的，所以可以通过电流=内阻电压/内阻来模拟库仑计。其中，内阻我们可以通过以下两种方式中任意一种得到，以一款高通平台的智能手机为例：

1、在放电过程中：

获取系统在待机界面状态下的平均电流值，在系统从睡眠状态切换到待机界面状态瞬时，PMU的电压变化值即为内阻产生的内阻电压值，然后将内阻产生的内阻电压值除以平均电流值即可得到内阻的阻值。经测量，该系统在待机界面状态的下的平均电流80MA，在系统从睡眠状态切换到待机界面状态瞬时，由于电池特性电池电压V_b不变，可读的PMU的电压V_p下降20mv，即内阻电压V_R增加20mv(电流增大电阻两端电压变大)所以可以计算出内阻大概为：

R=V_R/I_R=20mv/80ma=0.25Ω。

2、在充电过程中：

获取系统在充电状态下的充电电流值，在系统切换到充电状态瞬时，PMU的电压变化值即为内阻产生的内阻电压值；然后将内阻产生的内阻电压值除以充电电流值即可得到内阻的阻值。例如当为充电状态时，其充电电流一般为450ma。当系统插入USB充电器充电时，PMU的电压V_p瞬间增加了120mv，即为内阻电压V_R的增加值，所以内阻为：

R=V_R/I_R=120mv/450ma=0.26Ω。

其次，获取内阻的动态内阻电压值，并获取PMU读取的动态PMU电压值，将动态内阻电压值和动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值。

再次，根据公式I=V/R计算出动态系统电流值，其中，V为动态系统内阻电压值，R为内阻的阻值。按照I=V/R，现在只要获得动态的内阻电压跳变就可以得到对应的动态系统电流值了。又根据电池特性，每个不同的应用对应不同的电流，当由一个应用切换到另一个应用的瞬间，系统电流会从一个电流跳变到另一个电流，在电流变化的瞬间，内阻电压会有一个瞬间跳变，这个瞬间跳变的电压/电阻就是系统电流的变化值，之后系统电流稳定后内阻电压也恒定。小电流变化到大电流，内阻电压会瞬态变大，PMU的电压会瞬态变小，反之，PMU的电压会瞬态变大，所以只要从系统在睡眠状态下将瞬间内阻电压的变化值进行矢量和计算，就可以得到当前下的动态系统电流值。

最后，根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。此外，为了将电量按照百分比显示，需要得到1%单位的电量值，即1%单位电量=电池总电量/100。本实施例采用的是以5秒为时间单位进行电流积分计算电量的，此单位在系统是最大电流时的积分小于1%，每隔5秒进行电流积分，当达到1%电量变化时，让系统就变化1%，这样就实现了用百分比显示电量，而且是1%的精度。

由于系统运行会有不同的状态，为了更好的实现电流电量计，本实施例的电流行积分计算电池电量根据实际情况分为睡眠状态、待机界面状态、运行状态和充电状态四个不同状态机制，如图2所示，其具体状态转换流程如下：

首先，根据电池电压曲线表来计算初始电池电量。

其次，检测系统当前是否处于充电状态，如果处于充电状态，则进行充电状态电流积分，待充电完毕后转入待机界面状态电流积分，如果未处于充电状态，则直接进行待机界面状态电流积分。

在进行待机界面状态电流积分过程中，判断系统电流是否有跳变，如果有，则转入运行状态电流积分，否则，继续进行待机界面状态电流积分。

在进行待机界面状态或运行状态电流积分过程中，当收到按键睡眠指令后，触发系统转入睡眠状态。

当系统在睡眠状态中收到按键唤醒指令时，判断本次睡眠状态持续时间是否超过5分钟（因为在系统睡眠5分钟以上，电池电压趋于稳定，这时候采样的电压可以反映电池的真实电压值）；如果超过，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，并根据电池电压曲线表，对当前睡眠状态积分计算出的电池电量进行电池曲线辅助校准，校准后再转入待机界面状态电流积分；如果未超过5分钟，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，然后直接转入待机界面状态电流积分。

上述电池电压曲线表的制定方法具体如下：

使用电池充放电测试仪对满电电池进行100MA恒流放电，用得出的放电数据整理取出其中的100个值，即1%至100%电池电量所对应的电量值，并尽量使取出的值能平滑反映放电曲线，然后按大小顺序组成下面的电池曲线表。

{3500,3555,3582,3604,3624,3633,3640,3647,3654,3661},/*1-10*/

{3669,3677,3685,3694,3703,3709,3715,3721,3727,3733},/*11-20*/

{3739,3746,3753,3761,3769,3777,3785,3793,3799,3803},/*21-30*/

{3805,3807,3811,3815,3819,3824,3829,3834,3839,3844},/*31-40*/

{3850,3857,3865,3873,3880,3886,3893,3898,3903,3905},/*41-50*/

{3907,3909,3912,3914,3916,3918,3921,3924,3927,3932},/*51-60*/

{3936,3939,3942,3945,3948,3951,3954,3957,3960,3964},/*61-70*/

{3968,3972,3978,3984,3988,3992,3996,4000,4002,4004},/*71-80*/

{4012,4016,4021,4026,4031,4038,4043,4054,4062,4070},/*81-90*/

{4079,4088,4096,4106,4113,4122,4133,4145,4154,4160},/*91-100*/

其中，第一行的10个值代表电量1%到10%所对应的电压值，依次类推，是1%到100%对应的电池电压曲线表。

我们知道，温度因素对电池电量会产生影响：在温度高时，电池活性大，电池能提供更多的总电量；在温度低时，电池活性低，电池提供的总电量会减少。基于此，分别在-15℃、0℃、25℃、40℃和60℃等几个经典温度的恒温箱中使用恒流放电仪给充满电的电池恒流放电，直到放电截止，根据放电时间乘以恒流值，计算得到各个温度下的总电量。然后用各个温度下的总电量计算各个温度下1%单位电量值。当系统获取当前的环境温度后，会根据这些预先计算出的各个温度下的1%单位电量标准值，对当前环境温度下计算出的电池电量进行补偿校准，从而进一步提高了电池电量的准确度。

参考图1所示，本实施例的电池电量计量装置包括内阻计算模块、电压计算模块、电流计算模块、电流积分模块和温度补偿校准模块。其中，内阻计算模块用于预先获取PMU与电池之间的内阻的阻值，至于如何获取内阻的阻值，请参考上述电池电量计量方法中的内阻获取方式，在此不再赘述。电压计算模块用于获取内阻的动态内阻电压值，并获取PMU读取的动态PMU电压值；将动态内阻电压值和动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值。电流计算模块用于根据公式I=V/R计算出动态系统电流值，其中，I为动态系统电流值，V为动态系统内阻电压值，R为内阻的阻值。电流积分模块用于根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，Q为电池电量，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值，本实施例的电流积分模块同样分为睡眠状态、待机界面状态、运行状态和充电状态四个不同状态机制，其具体状态转换流程请参考上述电池电量计量方法中的状态转换流程，在此不再赘述。温度补偿校准模块用于获取系统当前所处的环境温度，根据预先计算出的各个温度下的单位电量标准值，对当前环境温度下计算出的电池电量进行补偿校准。具体温度补偿方式，请参考上述电池电量计量方法中的温度补偿方式，在此不再赘述。

以上的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的权利要求书确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种电池电量计量方法，其特征在于，包括以下步骤：

预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值；

获取所述内阻的动态内阻电压值，并获取所述PMU读取的动态PMU电压值，将所述动态内阻电压值和所述动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值；

根据公式I=V/R计算出动态系统电流值，其中，V为所述动态系统内阻电压值，R为所述内阻的阻值；

根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对所述动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。

2.根据权利要求1所述的电池电量计量方法，其特征在于，所述预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值，具体包括：

获取系统在待机界面状态下的平均电流值，在系统从睡眠状态切换到待机界面状态瞬时，所述PMU的电压变化值即为所述内阻产生的内阻电压值，然后将所述内阻产生的内阻电压值除以所述平均电流值即可得到所述内阻的阻值；或者，

获取系统在充电状态下的充电电流值，在系统切换到充电状态瞬时，所述PMU的电压变化值即为所述内阻产生的内阻电压值；然后将所述内阻产生的内阻电压值除以所述充电电流值即可得到所述内阻的阻值。

3.根据权利要求2所述的电池电量计量方法，其特征在于，还包括：

获取系统当前所处的环境温度；

根据预先计算出的各个温度下的单位电量标准值，对当前环境温度下计算出的电池电量进行补偿校准。

4.根据权利要求2所述的电池电量计量方法，其特征在于，所述的电流行积分计算电池电量分为睡眠状态、待机界面状态、运行状态和充电状态四个不同状态机制，其具体状态转换流程如下：

计算初始电池电量；

检测系统当前是否处于充电状态，如果处于充电状态，则进行充电状态电流积分，待充电完毕后转入待机界面状态电流积分，如果未处于充电状态，则直接进行待机界面状态电流积分；

在进行待机界面状态电流积分过程中，判断系统电流是否有跳变，如果有，则转入运行状态电流积分，否则，继续进行待机界面状态电流积分；

在进行待机界面状态或运行状态电流积分过程中，当收到按键睡眠指令后，触发系统转入睡眠状态。

5.根据权利要求4所述的电池电量计量方法，其特征在于，所述状态转换流程还包括：

当系统在睡眠状态中收到按键唤醒指令时，判断本次睡眠状态持续时间是否超过设定时间，如果超过，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，并根据预先在对满电电池进行恒流放电过程中建立的1%至100%电池电量所对应的电池电压曲线表，对当前睡眠状态积分计算出的电池电量进行电池曲线辅助校准，校准后再转入待机界面状态电流积分；如果未超过所述设定时间，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，然后直接转入待机界面状态电流积分。

6.一种电池电量计量装置，其特征在于，包括：

内阻计算模块，用于预先获取PMU与所述电池之间的内阻的阻值；

电压计算模块，用于获取所述内阻的动态内阻电压值，并获取所述PMU读取的动态PMU电压值；将所述动态内阻电压值和所述动态PMU电压值相加得到动态系统内阻电压值；

电流计算模块，用于根据公式I=V/R计算出所述动态系统电流值，其中，I为动态系统电流值，V为所述动态系统内阻电压值，R为所述内阻的阻值；

电流积分模块，用于根据公式Q=∫I₁dt₁+∫I₂dt₂+∫I₃dt₃+∫I_ndt_n对所述动态系统电流值进行积分得到电池电量，其中，Q为电池电量，I₁至I_n为在t₁至t_n时间段所分别对应的动态系统电流值。

7.根据权利要求6所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述内阻计算模块获取PMU与电池之间的内阻的阻值的方式如下：

获取系统在待机界面状态下的平均电流值，在系统从睡眠状态切换到待机界面状态瞬态，获取到所述PMU的电压变化值即为所述内阻产生的内阻电压值，然后将所述内阻产生的内阻电压值除以所述平均电流值即可得到所述内阻的阻值；或者，

获取系统在充电状态下的充电电流值，在系统切换到充电状态瞬态，获取到所述PMU的电压变化值即为所述内阻产生的内阻电压值；然后将所述内阻产生的内阻电压值除以所述充电电流值即可得到所述内阻的阻值。

8.根据权利要求7所述的电池电量计量装置，其特征在于，还包括：

温度补偿校准模块，用于获取系统当前所处的环境温度，根据预先计算出的各个温度下的单位电量标准值，对当前环境温度下计算出的电池电量进行补偿校准。

9.根据权利要求7所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述电流积分模块分为睡眠状态、待机界面状态、运行状态和充电状态四个不同状态机制，其具体状态转换流程如下：

计算初始电池电量；

检测系统当前是否处于充电状态，如果处于充电状态，则进行充电状态电流积分，待充电完毕后转入待机界面状态电流积分，如果未处于充电状态，则直接进行待机界面状态电流积分；

在进行待机界面状态电流积分过程中，判断系统电流是否有跳变，如果有，则转入运行状态电流积分，否则，继续进行待机界面状态电流积分；

在进行待机界面状态或运行状态电流积分过程中，当收到按键睡眠指令后，触发系统转入睡眠状态。

10.根据权利要求9所述的电池电量计量装置，其特征在于，所述电流积分模块的转换流程，还包括：

当系统在睡眠状态中收到按键唤醒指令时，判断本次睡眠状态持续时间是否超过设定时间，如果超过，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，并根据预先在对满电电池进行恒流放电过程中建立的1%至100%电池电量所对应的电池电压曲线表，对当前睡眠状态积分计算出的电池电量进行电池曲线辅助校准，校准后再转入待机界面状态电流积分；如果未超过所述设定时间，则对本次睡眠状态进行睡眠状态积分，然后直接转入待机界面状态电流积分。

Images