用于增强燃料表空电压预测的负峰值电压检测

摘要

本发明涉及用于增强燃料表空电压预测的负峰值电压检测。公开了燃料测量中用于电池寿命终结估计的负峰值电压检测。诸如蜂窝电话和膝上型计算机的电池供电的设备从电池的平均输出电压产生了负偏移形式的一些噪音，其可使得电池供电设备停止运转。通过相对于平均电池电压的负峰值检测，可以响应于负峰值来改变寿命终结或放电电压条件以获得最大电池寿命而没有设备疏忽地关闭的风险。电池的平均输出电压可被采用为估计的开路电压或一些其他电池电压。本发明公开了各种实施例。

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2010年12月5日提交的美国临时专利申请号61/423,514 的优先权。

技术领域

本发明涉及一种用于指示可再充电电池的充电状态的电池燃料表。

背景技术

如本文所使用的，词语“电池”将被一般性地使用，并将被理解成包括 多个电池和电池组，即多个电池单元或电池组被封装并被电连接以在功能上表 现为较高电压和/或较高电流容量的单个电池。

在许多可再充电电池供电的设备中，期望知道在电池的放电周期期间 电池的充电(或放电)状态，使得电池供电设备的用户可以适当为电池的再充 电选择时间(time)，并当必要时，限制电池供电设备的使用限制为更必要的使 用以在电池的下次再充电之前保持电力。在现有技术中这样做的一种方式是使 用电池燃料表，通常被称为库仑(Coulomb)计数器，其监视提供给和提取自电 池的电流，其用于给定额定的安培-小时的电池，针对给定的安培-小时额定值的 电池，贯穿电池的放电周期，其可以用于预测电池中剩余的安培-小时额定值部 分。此类设备容易可再商业上获得，如通过示例的方式，本发明的受让人 Sunnyvale，California的Maxim Integrated Products制造和售卖的DS2745、DS2782 和DS2780燃料表。

此类设备对预期的目的是有用的，尽管具有不够理想的某些特性。通 过示例的方式，库仑计数器的一个不期望特性是它们本质上作为积分器操作并 且因此在任何时候它们的输出遭受到自它们被设置为参考(通常通过电池的完 全充电或完全放电)的最后时间以来的积分误差的积累的事实。因而，当电池 有规律地完全充电或替代地完全放电以提供参考时，此类电池燃料表可令人满 意地工作，但是如果电池反复地仅仅是部分充电和部分放电，则此类电池燃料 表不能表现良好。而且，它们的准确性随电池寿命下降，因为它们通常不能解 释电池容量随电池寿命的下降。可以说，当电池将要空时，这具有指示剩余一 些电池电荷的非常不期望的效果。

获得可再充电电池的充电状态的指示的另一个途径是简单地监视电 池的终端电压并且当终端电压开始接近电池供电设备将自动地关闭的电压时提 供警告给用户。当然，尽管这具有因为没有考虑指示时电池上的负载和在任何 条件下充电状态和电池终端电压的非线性而不提供正在进行的电池的充电状态 的指示的缺点，但是这具有简单性和避免与电池串联电流感测电阻的需求的优 势。

在这点上，许多电池操作设备不呈现流到电池的恒定电流，但是呈现 出了可被考虑的在其上具有波动电压的平均负载，这依赖于在那个特定时间处 正在使用(操作模式)的电池供电设备的容量和电池阻抗。该波动电压可引起 电池电压即刻下降到最小的系统操作电压之下，这引起系统关闭。该问题可以 通过在较高的电压设置空电池电压来说明将遇到的最高波动(假设最坏情况条 件)得到解释，但是当该设备操作在具有较低波动的模式下或没有遇到最坏的 情况下时，对电池的寿命不利。如果空电池电压可被准确地确定，则将提供优 选的某些备用功率以允许后台功能(保存数据、关闭、保持时钟)、误差预算(没 有燃料表可能是完美的)和保护电池免于过量放电。

本发明的受让人Maxim Integrated Products制造和售卖基于电压的电 池燃料表，该电池燃料表对电池本身建模并跟踪独立于电池上的电流负载(如 果有的话)的电池的充电状态。特别地，给定安培-小时容量的理想的电池将提 供恒定电压输出直到输出其全部安培-小时容量，其后电池电压将下降到零。然 而，真实的电池随着充电的减少状态和/或增加电流负载(归因于内部的电池阻 抗)展现终端电压的减少。某些电池具有在接近完全放电状态时迅速地降低的 终端电压。当完全地充电时，某些类型的电池具有在初始放电期间相当快速地 减少的较高的终端电压，尽管一般常用的可再充电电池，除了这些“端”条件以 外，具有在大部分电池放电周期上稍微线性(但是下降)的开放终端电压对充 电状态。

可使用在燃料表中的一个电池模型是简单的RC网络，其中R表示电 池的内部阻抗以及C表示任意给定的开路电池电压的电池的等效电容。R可以 容易地通过安装和卸载所述电池来确定，且对于一阶，R一般可以被采用作为 恒定的值。在开路电压对充电状态的曲线中任何点处的简单RC模型中的表观 电容(apparent capacitance)C等于撤回电流的每安培-小时的电池的开路电压的 改变率的逆。因此人们可以标绘电池的等效电容对开路电压，并且该电容对电 池开路电压的绘图可继而被近似为在开路电压的各种增量上的分段的常数C 值。当然R和C可以按需缩放而不影响结果。继而在充电和放电时，使用RC 模型并感测电池终端电压以及去往和来自电池的电流，可以计算电池的开路电 压以确定独立于电流流动的电池的充电状态。当然人们还可以使用更加复杂的 电池模型以解释此类事情，如电池的长期恢复(长时间恒定分量)、温度、电池 阻抗(R)中的变化、电流等。而且，此类建模可以与库仑计数器一起使用，库 仑计数器增加建模的瞬时和短期的准确性并且对增加库仑计数器的长期准确性 进行建模。

此类燃料表被示出在图1中。在该图中，R1是库仑计数器的电流感 测电阻，且R2是电池电压模型的缩放的的等价体(即，对电池和R1有效地建 模)。SOC(最小)是被视为空电池的电池电压，SOC(最大)是被视为满电池 或完全充电的电池的电池电压，并且SOC是充电的当前状态，通常作为介于完 全的和空条件之间的充电状态的一些部分。

附图说明

图1是现有技术燃料表的框图。

图2是所谓的平均电池电压对充电状态和归因于负载变化的实际电 池电压的示意图。

图3是根据本发明的一个实施例的燃料表的框图。

图4是可以使用在本发明中的负峰值检测器的一个实施例的图。

具体实施方式

本发明适用于蜂窝电话以及许多其他可再充电电池供电的设备，诸如 计算机、照相机、平板计算机等。因而，为了特殊的目的，蜂窝电话将被用作 示例性应用，但是将理解本发明不受任何手段的如此限制。

蜂窝电话通常没有利用满电池容量，因为波动电压(通常与无线发射 器相关联)引起某些关于何时蜂窝电话将没有足够的电压维持电话呼叫或因特 网使用的不确定性。通过在波动上具有高宽带可视性，人们可以提供关于运行 时的更好的预测直到低(空)电压。

本发明的概念示意性地示出在图2中。示出在这里的是所谓的平均电 池电压和归因于负载变化的实际电池电压对充电状态。该图是高度示意性的， 其中在平均电池电压上的典型的波动电压将是针对电池操作设备的任何给定操 作模式的高得多的频率，但良好地地示出了本发明的原理。特别地，在图2中 可以看出，电池波动电压从平均电池电压的负偏移dV导致瞬时实际电池电压达 到最小电池电压Vbatt(最小)，该瞬时实际电池电压在比平均电池电压高的充 电状态处达到最小电池电压Vbatt(最小)。因而，可以看到，对于电池操作的 设备的操作的给定模式，将通过跟踪归因于负载变化的电池电压的负峰值并且 确定当这些负峰值电压达到该最小的电池电压时将关系系统的最小电池电压 Vbatt(最小)来实现最大的电池寿命而没有电池操作的设备疏忽地未能操作和 正确地关闭或过早关闭。进一步的，应该相应地调整在设备使用期间(电池放 电时)任何燃料表指示的充电状态，使得不仅将在正确的时间发生关闭，而且 在完全放电周期期间至少针对设备当前处于的操作模式将准确地读取放电状态 的指示符。

现在参考图3，可以看到根据图2修改的图1中的一般类型的燃料表。 特别地，尽管添加有负峰值检测模块和用于接收负峰值信号并提供修改的SOC (最小)信号给电池电压模型的新算法，但是图3的燃料表与图1的相同。图3 的燃料表仍然接收表示空电池的最小的(可用)充电状态SOC(最小)、表示完 全充电电池的最大的充电状态SOC(最大)作为输入以及充电状态输出SOC。 然而最小的(可用)充电状态SOC(最小)去往新算法，该新算法与负峰值检 测一起向电池电压模型提供修改的最小(可用)充电状态SOC(最小)。以其最 简单的形式，新算法可简单地将最小峰值的偏差dV添加到充电状态最小(可用) SOC(最小)以给电池电压模型提供修改的SOC(最小)。继而，具有新定义的 空电压的电池电压模型现在可以确定在任意放电状态下的充电状态。更典型地， 新算法可添加一些部分(小于或大于1)给负峰值dV，因为对波动电压的任何 修正好于不修正。在波动电压中还有一些负的尖峰(spike)，其太短以致不能触 发系统的关闭，其可以通过在提供修改的充电状态SOC(最小)的修改中将dV 减少一些小于1的因子来有效地被减少。

注意到使用的特别电池电压模型是选择的问题，如库仑计数器的包 括，尽管无论什么样的基本燃料表机制被使用，但是如描述的对波动电压负峰 值的包括提供了比没有解释波动电压更准确地确定的最小电池电压Vbatt(最 小)。进一步的，即使仅库仑计数器被用作燃料表，具有充电状态的电池电压的 已知一般形状将允许包括负峰值波动电压确定电池安培小时容量中的负调整以 达到系统关闭电压Vbatt(最小)。然而，此类系统不是优选的，部分地是因为 唯独库仑计数器的固有限制并且部分地因为在此类系统中仍旧需要混合多个最 坏情况的可能性而不必要地截去多数的实际设备中的电池容量，即使使用了测 量的负峰值dV。

现在参考图4，可以看到在一个实施例中使用的负峰值检测器的图。 峰值检测器是模拟和数字峰值检测器的组合。特别地，模拟部分实际上感测负 峰值并且数字部分数字化和以数字形式保持负峰值用于处理。负峰值电压被以 数字dV形式(图2)保持，除非或直到稍后遇到发生更多的负峰值电压dV， 在那时，更新数字输出，或保持直到电路重置。当电路通过为低而被重 置，降值计数器被重置到其最高计数，在其最高电阻处设置R3，其是可变电阻 阶梯，使得放大器A3提供最高的增益给如由缓冲器buf缓冲的带隙(bandgap) 电压VBG。因此，被提供给模数转换器MUX的输出Vmbnp(电压主电池负峰 值)将瞬时地达到其最高输出，其通常被选择为完全充电的电池的电压或更高 的电压。

而且在当去往低时重置中，晶体管M1接通，给电容器C充 电到电源电压VCC。继而，当再次去往高时，晶体管M1关断。主电池 电压MBATT，优选电池(不包括图3的感应电阻器R1)的终端电压通过电阻 分压器R5和R6而被分压并提供给放大器A2的正输入。到放大器A2的负输 入是电容器C上的电压，其将高于放大器A2的正输入的上电压，接通晶体管 M2直到电容器C上的电压减少到与如分压的电压MBATT匹配。该电压被应 用到放大器A1的负输入，放大器A1具有连接到输出电压Vmbnp的其正输出。 因此重置之后Vmbnp在其最高值，到放大器A1的正输入将大于负输入，使能 振荡器，该振荡器进行以为降值计数器提供时钟(在一实施例中是250kHz)以 减少电阻器R3的电阻。这提供更大的反馈给放大器A3，减少输出电压Vmbnp， 直到放大器A1的正输入下降到放大器的负输入的电压之下以禁用振荡器，之后 降值计数器维持计数以提供与计数成比例的固定的输出电压Vmbnp，并因此与 在输入电压MBATT上遇到的负峰值电压成比例。电流源I被提供以阻止电容器 C上的电压进一步向下漂移。在这点上，电容器C上的电压可以在如通过给放 大器A2的反馈和晶体管M2的控制而被限制的MBATT上的负峰值之间向上漂 移，尽管关于下一个负峰值，如果大于(电压上低于)在先的负峰值，则该新 的负峰值将在电容器C上被检测到，驱动放大器A1的负输入与正输入相比为 负，这使能振荡器直到降值计数器再次降值计数到与具有该较大负峰值的输出 Vmbnp匹配。因此，振荡器和降值计数器仅在遇到比之后的平均电池电压大的 负峰值时是活跃的，这导致准确的、无限的持续直到重置，但非常低功率的负 峰值检测器。

在使用中，因为图4的电路感测负峰值电压，并且示例性实施例中图 3的新算法与具有负峰值电压的平均电池电压相比来确定dV(图2)以给电池 电压模型提供修改的最小(可用)充电状态SOC(最小)，其旨在感测电池电压 的短期偏移，不是从延长的负载的电池放电。因此，负峰值电压将优选用固定 的或基本上固定的平均电池电压(图2)检测。因此，在图4的电路的一实施例 中，电路可以大约每250ms重置，例如，dV的在先值被保持作为新算法的一部 分直到遇到dV的更高值的此类时间，之后在先值将被稍后dV的更大值(更大 的负峰值)更新。然而注意到，重置之间的较长时间可以被使用，因为每个负 峰值在该时间与平均电池电压比较，因此电路自身考虑在重置之间的时间期间 电池的增量放电。

因此，通过使用本发明，电池的使用寿命(再充电之间的时间)可以 通过基于该设备和电池的实际操作特性来调整特定电池供电设备中的最小(可 用)的充电状态而不是通过混合最坏情况场景(即，针对每个设备假设，负峰 值将针对仍旧被认为操作的最坏设备而处于最大，这使最弱的电池在其年龄和 针对操作的电池滥用的最大累积处具有最高的内部阻抗等)显著地增加。

在一实施例中，平均电池电压(图2和3)被采用为如电池电压模型 (图3)所确定的开路电压。因而，由于公开实施例中的负峰值检测器感测绝对 负峰值，所以该负峰值可以与电池的任何特性电压相比较，以提供基于实际的 电池特性的修改的最小(可用)充电状态(修改的SOC(最小))。而且在多功 能设备中，例如iPhone中，各种功能提供不同的负载给其上具有不同负峰值电 压的电池。因而，人们可以使用本发明以感测和存储多功能中每个的最大负峰 值电压，使得于充电状态可以根据在电池将被认为空之前在当前操作功能将维 持操作的时间百分比来显示。因此，在此类实现中，当蜂窝电话作为传输时， 本发明的燃料表可以因为高发射功率要求而指示电池接近空，而如果操作改变 成例如计算器，将指示较高的充电状态，不是因为电池真正地突然具有较高的 充电状态(因为将通过电池的开路电压指示)，而是因为来自开路电压的负峰值 dV小得多，这在来自开路电压的低得多的负峰值将产生空电池条件之前，允许 开路电压基本上减少更多。储存的负峰值可以被按需重置，例如，在每个电池 再充电时，或可能在多再充电之后，尽管应该至少偶尔被重置以致更好地跟踪 老化的电池。

当基于电池电压模型而被用作燃料表的一部分时，本发明工作良好， 特别是对于库伦计数器而言。然而本发明不因此受限制。特别地，电池操作设 备典型地在设备认为其正在接近空电池条件时提供某些形式的警告或关闭设 备。通过替换对设备引起的负峰值电压的实际测量来代替在大部分情况中太保 守以至于不能采用实际电池容量的完全优势和所述特定设备的操作特性的保守 估计，本发明可以增强用于该目的的任何技术。

已经在此关于确定电池电压(优选是电池的终端电压)中的负峰值或 负峰值波动以及基于其修改可用的电池充电状态描述了本发明。用于这样做的 电路可以采用任意各种形式，例如通过使用高速模数转换器或AC耦合电路到 峰值检测器。人们还可以确定电池终端电压中的总波动，并通过估计来自总波 动的最大负峰值基于相对于平均电池电压的电池电压中的最大负峰值将其用于 修改预定的可用充电状态。

因此，本发明具有多个方面，这些方面可以如所期望的单独或以各种 组合或子组合实现。虽然本发明的某些优选实施例在此出于示范的目的而不是 限制的目的被公开和描述，但是本领域技术人员应当理解，可以在其中做出形 式和细节上的各种改变而不脱离如由以下权利要求书的完全广度所限定的本发 明的精神和范围。