一种基于电压的电池电量检测方法和系统与流程

1.本发明涉及电池充电技术领域，具体而言涉及一种基于电压的电池电量检测方法和系统。


背景技术：

2.对于可穿戴设备、移动设备或无法一直进行供电的设备，一般需要使用电池进行供电。电池分为一次性电池、可充电电池，其中可充电电池根据材料、容量、电压等又进行了不同类型的划分。
3.对于使用电池进行供电的设备，我们通常需要了解设备中的电池剩余电量，便于及时更换电池或者对电池进行充电，避免设备馈电无法正常工作。
4.现有技术中的可充电产品电源部分的电路如图1所示，其中库仑计串联在电池输入/输出回路，可检测电池电压和电池的输入输出电流，从而实现检测电池电量的功能；充电芯片将外部输入的电压转化为电池充电所需的电压和电流；ldo/dcdc将电池电压转化为后级负载正常工作所需的电压和电流；后级负载为电路中主要耗费电池电量的部分。库仑计芯片的价格不菲，前述电路结构也较为复杂，系统的成本和复杂度高，与可穿戴设备或者移动设备的低成本、便携性要求相悖。
5.也有部分技术，对于在充电过程中直接通过adc采样电压计算电量，然而，由于插入充电电源后电压发生的突然升高，以及恒压充电状态下，电压保持不变。这种方式无法保证在上述两种情况下电量的正确检测。另外，如果在充电过程中临时关闭充电芯片，使电池工作在放电状态下进行电压检测。这种方式也无法提供充电剩余时间。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术中的不足，提供一种基于电压的电池电量检测方法和系统，针对部分待检测电池，省去库仑计芯片，有效降低了系统的成本和复杂度；另外，在使用过程中，根据电池变化特性，自动优化充电检测公式，提高检测精度和用户体验。
7.为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
8.一种基于电压的电池电量检测方法，所述电池电量检测方法包括以下步骤：
9.s1，分析待检测电池的理论放电曲线，判断其是否满足检测要求，即输出电压随剩余电量的持续减少而持续下降；
10.s2，设定剩余电量为0％时的中止电压，将充满电的待检测电池切换成放电状态，记录放电时间、电池电压和剩余电量之间的对应曲线图，作为待检测电池的实际放电曲线；充满电的待检测电池的剩余电量为100％；
11.s3，获取电池容量和充电芯片设定的恒流充电电流，计算得到理论总充电时长t
calc
和理论单位充电时间δt：
12.[0013][0014]
式中，t
calc
表示根据原始信息推算/计算的总充电时间；c
battery
表示电池的容量；i
avg
表示充电芯片设定的恒流期间的充电电流；
[0015]
s4，计算得到待检测电池的每个剩余电量对应的理论充电时长，构建得到更新充电矩阵{t
ij
}和实际充电矩阵{tk}，k＝0，1，...，99，i＝k/10，j＝k％10；
[0016]
s4，将待检测电池从任意剩余电量a开始充电，判断a是否大于等于a0，如果小于，则转入步骤s5，否则，转入步骤s6；
[0017]
s5，间隔t
ij
时间后关闭充电芯片的充电功能，并使待检测电池切换成放电状态，对电池电压进行采集，根据待检测电池的实际放电曲线得到当前电池的实际剩余电量a+n；t
ij
为待检测电池与剩余电量a对应的理论充电时长，代表带待检测电池的剩余电量从a升至a+1所需理论充电时长，i＝a/10，j＝a％10；n为整数；
[0018]
判断a+n是否等于a，如果是，返回步骤s4，否则，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；
[0019]
s6，判断充电芯片是否输出充电满状态，如果没有输出，则转入步骤s7，否则转入步骤s8；
[0020]
s7，判断当前剩余电量是否达到100％，如果没有达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则，将剩余电量停留在99％，同时记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
9a
、t
99
值更新为转入步骤s9；
[0021]
s8，判断当前剩余电量是否达到100％，如果达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为转入步骤s9；
[0022]
s9，返回步骤s4，在电池使用过程中不断优化所有充电矩阵{t
ij
}，当充电矩阵{t
ij
}中的任意一个取值趋于稳定时，将其更新至实际充电矩阵{tk}。
[0023]
为优化上述技术方案，采取的具体措施还包括：
[0024]
进一步地，所述电池电量检测方法还包括：
[0025]
根据下述公式计算得到在任意电量下的剩余充满时间t
remain
：
[0026][0027]
本发明还公开了一种基于电压的电池电量检测系统，所述电池电量系统包括mcu单元和adc电路；所述adc电路分别与待检测电池和mcu单元连接，对待检测电池的剩余电压进行检测，将检测结果反馈至mcu单元；所述mcu单元与充电芯片进行连接，对充电芯片的充电状态进行监控；
[0028]
所述mcu单元基于如前所述的电池电量检测方法对待检测电池的剩余充电时长进行检测。
[0029]
本发明的有益效果是：
[0030]
第一，本发明的基于电压的电池电量检测方法和系统，针对部分待检测电池，省去库仑计芯片，有效降低了系统的成本和复杂度。
[0031]
第二，本发明的基于电压的电池电量检测方法和系统，具有一定的自学习、自适
应，当上述参数发生变化时，可在经历几次充电后适配新的充电状态，具体地，在使用过程中，根据电池变化特性，自动优化充电检测公式，提高检测精度和用户体验，避免设备在工作的过程中因使用情况(电池老化、环境温度变化和充电供电限流变化等)发生改变，导致充电时间对应的矩阵发生变化引起的计算误差。
附图说明
[0032]
图1是现有技术中的可充电产品电源部分的电路结构示意图。
[0033]
图2是本发明实施例的省去库仑计的电源部分的电路结构示意图。
[0034]
图3是符合检测要求的电池放电曲线示意图。
[0035]
图4是不符合检测要求的电池放电曲线示意图。
[0036]
图5是本发明实施例的的基于电压的电池电量检测系统示意图。
[0037]
图6是待检测电池的实际放电曲线示意图。
[0038]
图7是可充电产品的充电原理示意图。
具体实施方式
[0039]
现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。
[0040]
需要注意的是，发明中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
[0041]
本实施例针对现有技术中的充电检测产品必须依赖库仑计芯片的技术问题，当后级负载中有mcu(micro control unit)以及adc(analog digital converter)电路时，采用基于电压的方式，替代图1中的库仑计芯片，得到图2的优化后的电源部分的电路结构示意图。主要针对以下类型的系统模型(条件并存)：设备使用可充电电池供电，且电池的放电曲线与电量呈现1对1关系；设备中包括mcu以及adc相关电路。
[0042]
本实施例的一种基于电压的电池电量检测方法，所述电池电量检测方法包括以下步骤：
[0043]
s1，分析待检测电池的理论放电曲线，判断其是否满足检测要求，即输出电压随剩余电量的持续减少而持续下降；
[0044]
s2，设定剩余电量为0％时的中止电压，将充满电的待检测电池切换成放电状态，记录放电时间、电池电压和剩余电量之间的对应曲线图，作为待检测电池的实际放电曲线；充满电的待检测电池的剩余电量为100％；此处剩余电量基于2个信息确定，并且和电池的规格书紧密联系，其依赖下述2个参数：电池满电电压和电池推荐的最低放电电压。在满电状态下，使用电子负载对其放电，直到电压达到最低放电电压，放电的过程中采用电子负载记录流过的电量，单位为mah；从放电开始到放电结束放出的电量即为电池的可用容量，假设为xmah。当设备工作时，每消耗x/100，那么电量下降1％。
[0045]
s3，获取电池容量和充电芯片设定的恒流充电电流，计算得到理论总充电时长t
calc
和理论单位充电时间δt：
[0046]
[0047][0048]
式中，t
calc
表示根据原始信息推算/计算的总充电时间；c
battery
表示电池的容量；i
avg
表示充电芯片设定的恒流期间的充电电流；
[0049]
s4，计算得到待检测电池的每个剩余电量对应的理论充电时长，构建得到更新充电矩阵{t
ij
}和实际充电矩阵{tk}，k＝0，1，...，99，i＝k/10，j＝k％10；
[0050]
s4，将待检测电池从任意剩余电量a开始充电，判断a是否大于等于a0，如果小于，则转入步骤s5，否则，转入步骤s6；
[0051]
s5，间隔t
ij
时间后关闭充电芯片的充电功能，并使待检测电池切换成放电状态，对电池电压进行采集，根据待检测电池的实际放电曲线得到当前电池的实际剩余电量a+n；t
ij
为待检测电池与剩余电量a对应的理论充电时长，代表带待检测电池的剩余电量从a升至a+1所需理论充电时长，i＝a/10，j＝a％10；n为整数；
[0052]
判断a+n是否等于a，如果是，返回步骤s4，否则，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；
[0053]
s6，判断充电芯片是否输出充电满状态，如果没有输出，则转入步骤s7，否则转入步骤s8；
[0054]
s7，判断当前剩余电量是否达到100％，如果没有达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则，将剩余电量停留在99％，同时记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为转入步骤s9；
[0055]
s8，判断当前剩余电量是否达到100％，如果达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为转入步骤s9；
[0056]
s9，返回步骤s4，在电池使用过程中不断优化所有充电矩阵{t
ij
}，当充电矩阵{t
ij
}中的任意一个取值趋于稳定(例如连续多次该取值的变化幅值均小于预设幅值阈值)时，将其更新至实际充电矩阵{tk}。
[0057]
图3是符合检测要求的电池放电曲线示意图，其特点是电池从充满电(4.15v左右)开始放电，随着剩余电量的减少，其输出电压一直在降低，每个电压值对应不同的剩余电量。图4是不符合检测要求的电池放电曲线示意图，其特点是电量从100％放到0％的过程中，有很长的一段时间内，随着电量的减少，电池电压并没有发生明显的改变。在上述2个条件满足的情况下，可以将系统中用于检测电池放电、充电期间的电量检测从原来的库仑计芯片替换为本实施例中描述的方法。
[0058]
电池的电量检测主要指的是2个状态下的电量检测，分别是电池放电状态、电池充电状态。其中电池放电状态，本实施例采用的是基于电池放电曲线的电压检测方式，是为了在充电-放电-充电这种状态切换过程中，需要描述其中的放电过程中的机制。对于需要实现专利所描述的功能，更为系统详细的框架如图5所示，电池电量系统包括mcu单元和adc电路；所述adc电路分别与待检测电池和mcu单元连接，对待检测电池的剩余电压进行检测，将检测结果反馈至mcu单元；所述mcu单元与充电芯片进行连接，对充电芯片的充电状态进行监控；所述mcu单元基于如前所述的电池电量检测方法对待检测电池的剩余充电时长进行
检测。
[0059]
对于指定种类的电池，其电池放电曲线是比较一致的，并且所谓的电池放电曲线，表示电池按照指定的电流进行放电时，其放电时间与电压之间的关系，当我们设定好0％对应的中止电压，即可得到：放电时间-电池电压-剩余电量之间的对应曲线图如图6所示。
[0060]
上述的曲线图产生的就是一张电池电压与电量的表格，设备上的mcu通过adc采样电池电压，通过查表法获取当前的电池电量，表1是与图6对应的查询表。
[0061]
表1
[0062]
电池电压(伏特)电量(％)4.21004.185994.18298
……
3.1313.20
[0063]
电池的充电是放电的逆过程，但是与放电的逆过程不完全一样。对于放电阶段，电池电压与电量是比较严格的一一对应关系，但是充电阶段却不是这样。如图7所示，黑色实线曲线为放电-充电过程中的电压变化；灰色实线为充电过程中的电流变化。其中标注的几个节点的意思是：
[0064]
s：插入电源，开始充电；
[0065]
hi：进入恒流充电状态；
[0066]
hv：进入恒压充电状态；
[0067]
e：充电结束。
[0068]
与放电阶段不同的地方在于：插入电源的瞬间，电压瞬时有个上升；到达hv点，电压不再上升，但是仍然在充电中。
[0069]
对于一个电池电量为0％左右的电池，一旦其接入充电电源，会经历以下4个充电过程：
[0070]
涓流充电：以较小的电流进行充电，避免对电池损坏；
[0071]
恒流充电：以恒定的电流进行充电，大部分充电期间处于该模式。恒定的电流由充电芯片电路进行设定；
[0072]
恒压充电：以固定的电压进行充电，该阶段电压不变，但是电流越来越小；
[0073]
停止充电：电池充满，停止充电。
[0074]
针对放电阶段的电量检测，需要电路支持以下信息的采集：mcu通过adc采样电池电压。针对充电阶段的电量检测，需要电路支持以下信息的采集：mcu通过adc采样电池电压；mcu通过io检测充电芯片的状态，包括：是否接入电源和是否充电满；mcu通过io停止充电芯片的充电过程；已知充电芯片设定的恒流阶段的充电电流。
[0075]
以电池剩余0％电量为例，描述充电整个过程的电量检测流程：
[0076]
已知以下信息如表2：
[0077]
表2
[0078]
项目名称标识符单位
电池容量cmah充电芯片设定的恒流充电电流lavgma
[0079]
设备第一次进行从0％进行充电，会根据上述参数推算充电时间：
[0080][0081]
其中：
[0082]
t
calc
：表示根据原始信息推算/计算的总充电时间。
[0083]cbattery
：表示电池的容量。
[0084]iavg
：表示充电芯片设定的恒流期间的充电电流。
[0085]
事实上这个预期时间是不准的，因为它把整个充电周期的电流都认为是iavg，但实际上充电阶段中只有恒流阶段为该电流，涓流、恒压阶段的电流都会小于该值，因此实际的充电时间是会比该时间要长。
[0086]
按照上述的推算时间，假设充电过程中为恒流，则每提高1％电量所需的时间为：
[0087]
内部建立了一个电量提升1％与充电时间对应的矩阵，该矩阵为10
×
10矩阵，使用tij表示：
[0088][0089]
举例：矩阵中的值t
12
表示电量从12％上升到13％所需要的时间，以此类推。
[0090]
设备初次上电时，根据上面的假设关系，每一项都为δt，即：
[0091][0092]
mcu根据当前状态的电池电量a，从矩阵中查询电量上升1％所需要的时间t
ij
。其中：i＝a/10，j＝a％10；
[0093]
mcu将间隔t
ij
时间，通过io临时关闭充电芯片的充电功能，使电池进入放电状态，同时采集电池电压，并根据放电曲线计算其剩余电量，根据计算的电量对矩阵中的时间进
行调整：
[0094]
电量值为a：间隔t
ij
后再次进行检测；
[0095]
电量值为a+1：更新矩阵中的t
ij
值为电量值更新为a时的时刻到现在的时间，同时等待t
ij+1
后再次进行检测；
[0096]
电量值为a+n：更新矩阵中的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为a时的时刻到现在的时间除以n，同时等待t
ij+n-1
后再次进行检测。
[0097]
当电量值到达95％时，mcu不仅面通过上述切换电池为放电状态进行电量计算，另外也通过mcu的io引脚检测充电芯片的充电状态。电量从95％上升到100％期间，采用如下的处理机制：电量从94％上升到95％，记录时刻t
95％
；根据矩阵中的值，每隔对应的时间进行电压采样，并计算电量；同时检测充电芯片的充电满状态。
[0098]
如果根据电压计算的电量到达100％，但是充电芯片的充电满状态没有输出，则一直停留在99％，同时记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为：如果充电芯片提前输出了充电满状态，此时根据电压计算的电量尚未到达100％，则记录当前时刻tc，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为：
[0099]
上述为从0％开始的首次充电的过程的描述，随着充电次数的增加，上述矩阵将越来越贴近电池的真实充电过程，并且可以可以计算出在任意电量下的剩余充满时间：
[0100][0101]
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种基于电压的电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法包括以下步骤：s1，分析待检测电池的理论放电曲线，判断其是否满足检测要求，即输出电压随剩余电量的持续减少而持续下降；s2，设定剩余电量为0％时的中止电压，将充满电的待检测电池切换成放电状态，记录放电时间、电池电压和剩余电量之间的对应曲线图，作为待检测电池的实际放电曲线；充满电的待检测电池的剩余电量为100％；s3，获取电池容量和充电芯片设定的恒流充电电流，计算得到理论总充电时长t
calc
和理论单位充电时间δt：论单位充电时间δt：式中，t
calc
表示根据原始信息推算/计算的总充电时间；c
battery
表示电池的容量；i
avg
表示充电芯片设定的恒流期间的充电电流；s4，计算得到待检测电池的每个剩余电量对应的理论充电时长，构建得到更新充电矩阵{t
ij
}和实际充电矩阵{t
k
}，k＝0,1，...，99，i＝k/10，j＝k％10；s4，将待检测电池从任意剩余电量a开始充电，判断a是否大于等于a0，如果小于，则转入步骤s5，否则，转入步骤s6；s5，间隔t
ij
时间后关闭充电芯片的充电功能，并使待检测电池切换成放电状态，对电池电压进行采集，根据待检测电池的实际放电曲线得到当前电池的实际剩余电量a+n；t
ij
为待检测电池与剩余电量a对应的理论充电时长，代表带待检测电池的剩余电量从a升至a+1所需理论充电时长，i＝a/10，j＝a％10；n为整数；判断a+n是否等于a，如果是，返回步骤s4，否则，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；s6，判断充电芯片是否输出充电满状态，如果没有输出，则转入步骤s7，否则转入步骤s8；s7，判断当前剩余电量是否达到100％，如果没有达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-1
的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则，将剩余电量停留在99％，同时记录当前时刻t
c
，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为转入步骤s9；s8，判断当前剩余电量是否达到100％，如果达到，根据当前电池的实际剩余电量a+n更新的t
ij
、t
ij+1
…
t
ij+n-的值更新为t
ij
/n，转入步骤s9；否则记录当前时刻t
c
，并将t
95
、t
96
、t
97
、t
98
、t
99
值更新为转入步骤s9；s9，返回步骤s4，在电池使用过程中不断优化所有充电矩阵{t
ij
}，当充电矩阵{t
ij
}中的任意一个取值趋于稳定时，将其更新至实际充电矩阵{t
k
}。2.根据权利要求1所述的基于电压的电池电量检测方法，其特征在于，所述电池电量检测方法还包括：根据下述公式计算得到在任意电量下的剩余充满时间t
remain
：
3.一种基于电压的电池电量检测系统，其特征在于，所述电池电量系统包括mcu单元和adc电路；所述adc电路分别与待检测电池和mcu单元连接，对待检测电池的剩余电压进行检测，将检测结果反馈至mcu单元；所述mcu单元与充电芯片进行连接，对充电芯片的充电状态进行监控；所述mcu单元基于如权利要求1或者2所述的电池电量检测方法对待检测电池的剩余充电时长进行检测。

技术总结
本发明公开了一种基于电压的电池电量检测方法，包括：获取待检测电池的实际放电曲线；计算得到理论总充电时长和理论单位充电时间；计算得到待检测电池的每个剩余电量对应的理论充电时长；将待检测电池从任意剩余电量开始充电，间隔t


技术研发人员：汪正东 林权威 房宏
受保护的技术使用者：南京沃旭通讯科技有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/22