一种用于修正电池组电量计算的方法与流程

本发明涉及多节电池组应用领域，特别是一种用于修正电池组电量计算的方法。

背景技术：

随着科技的不断发展，人们对电池的使用越来越广，如野外移动电瓶、移动充电器、便携式摄像机和数码相机等便携设备。且在电池的使用过程中，人们常常把单节电池组合成各种体积和各种容量的电池组，来满足机器或者设备的长时间运行的需求，人们还迫切希望知道电池组的剩余电量，从而推算机器或者设备的使用时间。

目前电池产品应用上主要存在两种方法来测量电池电量，主要分为电压法和库仑计法。电压法主要是根据电池的电压来推测电池的剩余容量，该方法精度较差，不能应对电池的突然升压和突然降压情况，已经慢慢退出市场。库仑计法主要采用库仑计芯片来计算电池的剩余容量，库仑计芯片通过采集流过采样电阻的电流，结合温度和电池的特性对电池的容量进行学习和估算，是一种较高精度测量的方法，是目前测量电池容量的主流方法。但由于库仑计采集的采样电阻一般接在电池保护板的前输出端或者后输出端，而电池组在充电过程中，保护板开启均衡充电，均衡电路内部电阻消耗的电量也会被库仑计计算进去，所以库仑计法一般适用在单节电池或单个电瓶上面，如市场上的保护板和库仑计一般都是分开出售。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于修正电池组电量计算的方法，用来解决库仑计的问题。

电池组在充电过程中，某节串联电池会首先达到过冲电检测电压，对应的保护板上的均衡电路开始工作，将打开该均衡支路的MOSFET开关管，使得充电电流被分流一部分到均衡电路的电阻R上进行消耗。由于库仑计采集的采样电阻一般接在电池保护板的前输出端或者后输出端，根据基尔霍夫电流定律可知流过库仑计采样电阻的电流I_Q等于电流过电池电流I_c和均衡电阻的电流I_R之和，即I_Q＝I_c+I_R。其中均衡支路电阻消耗的电量Q_R是库仑计不需要计算进去的。电池组在完成充电前，由于电池的特性，使得电池在充电期间电池组保护板测量的电压并不是很准确，所以保护板均衡支路仍然会导通，直到该支路电池电压低于过充电解除电压时，均衡支路才关闭，从而消除各支路电池电压不均衡给电池组带来的影响。此时均衡支路中电阻消耗的电量Q_R也是库仑计不需要计算进去的。

具体步骤为：

一、建立一个电路控制系统，包括一个MCU修正模块、多路比较器电路、与非门控制电路、库仑计模块、电池组保护模块和电池组；所述电池组为锂电池或者铅酸电池；在电池组保护板上的均衡电路中增加比较器电路来监听均衡电路是否开启，如果有均衡电路开启了，比较器就马上唤醒MCU模块，使其工作；比较器的工作原理是把比较器的正输入端和均衡支路的电池输入端相接，比较器的负输入端与该均衡支路的MOSFET开关管的栅极相接，比较器的输出端加了上拉电阻；由于比较器的正输入端和负输入端相等时，比较器输出端会处于一个不稳定状态，所以同时需要在比较器的正输入端串联接入一个电阻，使其产生一个偏置电压，从而保证该均衡支路在没有开启的时候，正输入端稍微小于负输入端，让比较器输出端处于稳定的低电平状态；而在该均衡支路开启时，负输入端等于该支路的电池输入端电压减去该支路的电池电压，则负输入端远远小于正输入端，此时比较器输出端输出高电平来唤醒MCU模块；MCU模块一唤醒，就开启定时器来计算该均衡支路开启的时间，并根据唤醒的时间，来计算该均衡支路计算电量的损耗Q_r；

二、在充电过程中，某条均衡支路首先开始工作时，根据电量计算公式和电流、电压的计算公式得知，计算该均衡支路电阻损耗的电量公式为其中U_t为均衡支路电阻两端的电压，R为均衡支路的电阻，Δt是电池组在充电过程中，该均衡支路打开到所有的均衡支路都开打的计算时间；该均衡支路消耗的电量Q_r是库仑计不需要计算进去的，则N-1条均衡支路打开的电量损耗就是但由于均衡支路电阻对应的电压U_R和库仑计对应的电压U_vcc是不相等的，U_vcc电压大于U_R，所以要进行库仑计电量修正的前提是对均衡支路电阻损耗的电量进行等比关系转换，即Q′_r′是均衡支路电阻损耗的电量Q_r转换后对应于库仑计的电量值；则N-1条均衡支路电阻损耗的电量对应于库仑计的电量值是假设库仑计计算的电量为Q,则库仑计的第一次电量修正是Q＝Q-Q′_R′；

三、在充电过程中，所有的均衡支路都开启，但在电池组的电压还没达到充电停止阀值时，充电器将会继续给电池充电；此时多路比较器电路会通过与门电路来产生一个高电平，除了告知MCU停止计算均衡支路的电量损耗外，还打开另外一条充电分流支路，使得所有流过均衡支路电阻的电流都不流过库仑计的采样电阻，从而提高库仑计的计算精度和减轻MCU的工作量；则库仑计的第二次电量修正是由电路来完成；

四、在电池组充满电量前，如果均衡支路的电池电压大于过充电解除电压时，保护板的均衡支路仍然会导通，电池通过该支路放电，直到电池电压低于过充电解除电压时，均衡支路才会关闭；当所有均衡支路中有一条支路停止工作时，多路比较器电路会通过与门电路来产生一个低电平，告知MCU开始计算放电结束后的均衡支路电阻的电量损耗；根据上述，单个均衡支路的电量损耗对应于库仑计的等比转换为N-1条支路的电量损耗是其中Δt是电池组在完成充电结束前，所有均衡支路中有一条支路关闭到该支路关闭的计算时间；假设库仑计计算的电量为Q，则库仑计第三次电量修正是Q＝Q-Q″_R″；

则库仑计三次修正电量的公式为：Q＝Q-(Q′_R′+Q″_R″)；由于Q′_R′和Q″_r″的计算公式一样，所以电池组在完成充电的过中，能直接用公式来完成的计算公式一样，库仑计的电量修正，此时的Δt改为均衡支路一直开启的时间，减去所有均衡支路同时开启时间的差值；

五、电池组在实际完成充电的过程中，会由于电池内阻的影响，保护板的IC在充电电流被均衡支路分流的情况下，会检测到均衡支路两端电池电压不一样，由此造成IC输出的均衡控制信号产生振荡；该振荡信号会持续到均衡电路打开，电池两端电压回落不大的时消去，此时电池快要充满电量；均衡控制信号的振荡，会引起所有均衡支路处于不断的同时打开，关闭的状况；由于均衡振荡信号的周期随着电池充电的饱满程度不同而不同，其是一直变化的，所以导致所有均衡支路在反复同时打开、关闭的情况下，最后一条均衡支路打开的顺序是不确定的，随机的；为了消去由保护板IC输出均衡控制振荡信号的影响，需要MCU记录所有均衡支路分别打开的时间，和所有均衡支路一起打开的重叠交叉时间，所记录的均衡支路打开的时间减去所有均衡支路都打开的重叠交叉时间，即为库仑计多计算该均衡支路电阻消耗的电量的时间；所以在均衡振荡信号的影响下，均衡支路对应于库仑计消耗的电量能用公式表示，则N条均衡支路为其中Δt是该均衡支路打开的时间t₁，减去的时间t₂的差值；则MCU模块在均衡振荡信号影响的情况下，修正库仑计电量的公式为

六、假设在N条振荡支路中，有一条均衡支路振荡的时间为0，则有振荡影响的N条均衡支路对库仑计计算电量的修正公式能转变为没有振荡影响的N-1均衡支路对库仑计计算电量的修正公式电池组在完成充电的过程中，MCU能直接用有振荡影响的公式来完成库仑计电量的修正计算。

同现有技术相比较，本发明用于修正电池组电量计算的方法可以有效解决保护板的均衡电路内部电阻消耗的电量给库仑计计算造成的影响，极大的提高了库仑计的计算精度，使用户能充分合理的使用电池组，进而间接延长了电池组的使用寿命。

附图说明

图1本发明的电路结构框架图。

图2本发明的添加单路比较器的均衡电路示意图。

图3本发明的添加4路比较器的均衡电路示意图。

图4本发明的没电量修正和有电量修正的对比关系示意图。

图中标记为：1-MCU修正模块，2-多路比较器电路，3-与非门控制电路，4-库仑计模块，5-电池组保护模块，6-电池组。

具体实施方式

实施例：

图1所示是一种用于修正电池组电量计算的方法的电路结构框架图，该电路结构框架图主要包括一个MCU修正模块1、多路比较器电路2、与非门控制电路3、库仑计模块4、电池组保护模块5和电池组6。

图2是图1所述的多路比较器和电池组保护模块的均衡电路组合的单路举例，即添加单路比较器的均衡电路。添加单路比较器的均衡电路主要包括单节电池VC1(V6和V7并联)、均衡放电电阻R9、偏置电阻R4、上拉电阻R3、均衡MOSFET开关管M4和比较器U1A。其中由VC1、R9和M4组成保护板的均衡支路，R4、R3和U1A是单路比较器的电子元件。VC1在没有充电时，保护板的电池均衡控制引脚(CB1端)输出为低电平，M4没有打开。其中R4远大于R9，使得U1A_5端电压比U1A_4端小，因此U1A端输出低电平，即OUT1为低电平高。当VC1在充电时，其电压超过均衡检测电压阈值时，保护板的电池均衡控制引脚(CB1端)的电平信号翻转，打开M4开关管，均衡功能启动，VC1的充电电流被分流。此时加载在R9上面的电压约等于电池VC1两端的电压，比较器U1A_5端的电压约等于VCC1端的电压，而U1A_4端的电压则等于VCC1减去VC1电池端的电压，所以U1A_5端电压大于U1A_4端。此时比较器U1A则输出高电平唤醒MCU模块，MCU模块开始计时。根据之前所述，MCU在电池组完成充电的过程中，对电阻R9的电量损耗计算公式是其中Δt₁是该均衡支路打开的时间，减去所有均衡支路都打开的时间的差值。Q_r对应库仑计的等比转换是U_vcc为库仑计对应的电压值。

参考图2，可知图3的电路结构是由4路单路比较器和单节均衡电路组成，每一路都是相互独立，而且电路中还加了一个与非门(U2A)控制电路。由图可知，当所有的均衡电路都打开时，即OUT1至OUT4都为高电平的时，U2A才会输出高电平，才会把旁路MOSFET开关管(M5)打开，此时M4开关管关闭，则电流的流向是从原来的M4、R14(图2中虚线箭头1)流向改为流向M5(图2中虚线箭头2)。结合图1，若图3中R14为图1中库仑计模块的采样电阻R，那么当所有均衡电路都打开时，所有流过均衡支路电阻的电流都不流过库仑计模块的采样电阻，则此时库仑计的电量计算会消除由均衡电阻引起的误差。

假设图3中所有均衡支路的电阻(R3、R6、R9、R12)都是10欧，R14为图1中库仑计模块的采样电阻R，均衡支路对应电池的实际电压是3.94v，满量程电压是4.20V，实际容量为6306mah，理论容量为8000mah，库仑计模块的采样电阻R14对应电池组的实际电压是15.76v，满量程电压是16.80V，实际容量为6306mah，理论容量为8000mah。则图4是在上面的基础上分别对下面三种情况做的实验：1)对均衡电路没添加多路比较器和MCU修正模块的电池组进行充电15小时。2)对均衡电路只添加多路比较器，而没添MCU修正模块的电池组进行充电15小时。3)对均衡电路添加了多路比较器和MCU修正模块的电池组进行充电15小时。

图4，无修正的曲线是均衡电路没添加多路比较器和MCU修正模块的电池组对应的关系图。其随着充电时间的增加，读数也一直增加，曲线还程上升的趋势，但14小时越后面，曲线变的越缓慢上升。因为库仑计读数的主要误差来源是其一直多计算均衡支路电阻消耗的电量，时间越久，计算越多。而电池组越是到后面，电池冲得越来越饱满，充电器的充电电流也越来越小，则均衡支路消耗的电流值也越来越小。此实验经过15个小时，库仑计的读数是10721mAh，相对理论值8000mAh，其误差系数是34％。

图4所示，只添加比较器修正的曲线是均衡电路只添加多路比较器，而没添MCU修正模块的电池组对应的关系图。电池组在充电过程中，库仑计的读数会一直增加，但是在13个小时左右开始趋向平缓，主要因为随着时间的增加，均衡支路的电池也渐渐冲的饱满，电池两端电压在均衡支路打开时回落并不大，保护板的IC振荡信号开始减小，这样流过均衡支路电阻的电流，越来越少的流过库仑计的采样电阻，所以库仑计的读数越来越平稳。此实验经过15个小时，库仑计的读数是9645mAh，误差系数是20.56％。

图4所示，添加比较器和MCU修正的曲线是均衡电路中添加了多路比较器和MCU修正模块的电池组对应的关系图。电池组在充电3小时后，修正的库仑计读数并不会像上述两实验那样增加，基本都很平稳。主要因为MCU在单个均衡支路打开时，就开始对库仑计的读数进行修正，从而累积误差比较小。实验过程中，均衡电路产生的振荡信号，同样会引起比较器和与非门控制电路振荡，MCU模块通过计算4路比较器开始振荡的时间和与非门控制电路开启振荡的时间，来消除均衡控制振荡信号的影响。此实验经过15个小时，库仑计此时的读数为9645mAh，消去均衡控制振荡信号的影响，MCU获得的4路均衡支路分别打开的时间是4.73h，4.42h，5h，3.58h。把上述数据和实验前知道的参数，分别代入上述消除均衡振荡信号影响的公式来进行库仑计的电量值修正。修正后库仑计的值是7773mah，与理论的8000mah相差2.82％，比上述两实验的误差都要小很多。

综上所述，本发明的用于修正电池组电量计算的方法,能极大的提高电池电量的估算精度，使得电池电量能够充分发挥和利用。