专利名称：估算便携式装置的电池的剩余电量的方法
技术领域：
本申请总体上涉及便携式装置的电池能量或电量管理，更具体而言，涉及不需要对电池电压和电流进行连续监测或实时测量的、基于瞬时电压和瞬时电流估算电池剩余能量或电量的方法和设备。
背景技术：
存在各种不同类型的由电池供电的便携式装置。移动电话就是便携式装置的例子。电池寿命或者电池的剩余能量或电量对其用户而言具有相当高的重要性。因此，提供移动电话上的电池剩余能量对其用户而言是一项至关重要的要求。市场有售的一些蜂窝电话设有用于估算电池剩余能量的能量管理服务器和芯片组。它们用于在不汲取电流时通过接近断开(close-to-open)的电路监测电池电压。一旦蜂窝电话开始工作，将汲取更多的电流，能量管理服务器将对所消耗的或者从电池汲取的 能量积分，即能量=功率X时间。之后，基于上次已知的接近断开的电路电压减去积分得到的能耗对能量估值进行更新。这一估算剩余能量的方法需要硬件支持，所述硬件支持采用对从电池汲取的电流的实时积分，并基于将在下面的具体实施方式
中定义的(方程I)的公式实施对电池电流的恒常监测。
发明内容
根据本发明的第一方面，电池供电装置的剩余能量或剩余电量的估值基于瞬时电压和瞬时电流的测量，而不需要对电池电流和电压进行长期积分和监测。根据本发明的第二方面，可以在蜂窝电话或者便携式装置的应用引擎内而不是在能量管理芯片组内，实施所述的估算电池供电装置的剩余能量或电量的方法。因此，不采取对电池的恒常监测的电池剩余能量或电量估算更具能量效率。本发明可以和这样的电池一起使用，在所述电池中，其能量E是采用其电压U的数学函数定义的，或者在所述电池中，可以一般性地定义特征数学函数(E/U)。或者，也可以采用查找表替代所述特征数学函数(E/U)。可以在电池供电装置的工作过程中的一个时间点上，或者在预定时间或事件期间，测量电池的瞬时电压以及瞬时电流或功率。然后，考虑预先采用各个系列的电压降测试的参考电池的特征数学函数，对测得的瞬时电压进行校正或调整。在所述测试期间，将一系列电流或功率负载施加到参考电池上，以确定作为所述一系列从参考电池汲取的电流或功率负载的函数的所述系列的电压降，并确定与所使用的参考电池相同或相似的类型所特有的参数Ct。在确定了校正电压U=Vbat+P/a之后，采用特征数学函数(E/U)来估算电池的剩余能量E。为了得到更为准确的剩余能量，根据标称电池容量大小B_size对E进行换算，以确定估算值E_est=函数(E，B_size)。如果估算值E_est不稳定，那么可以采用指数移动平均函数对其求平均，使得E_ave=函数(Est_est)。可以采用任何其他方法对估算值E_est求平均，以防止显著的波动。但是，如果估算值E_est足够稳定，那么可以将E_ave设为等于 E_est。根据本发明，电池的例子是可以在移动手持装置中采用的锂离子电池类型，但是也可以采用任何其他类型的可以将能量确定为电压的函数的电池。
参考下面的附图将对本发明的示范性实施例做出更加全面的理解。图I示出了根据本发明的电池供电装置的方框图。图2A示出了根据本发明的电池供电装置的更为详细的方框图。图2B示出了根据本发明采用图2A所示的能量管理电路获得电池的瞬时电压的方·法的实现。图2C示出了根据本发明获得电池的瞬时电流的方法的实现。图3示出了根据本发明估算电池中的剩余能量的方法。图4A示出了在恒定的低功耗以及由此带来的不显著的电压降的情况下，剩余能量与电池电压U之间的关系的曲线图。图4B示出了在电池的显著功耗水平带来较高的电压降的情况下，剩余能量与电池电压U之间的关系的曲线图。图5A示出了剩余能量作为由数学函数f I定义的校正的电池电压的函数的曲线图。图5B示出了数学函数fl的算法的示范性流程图。
具体实施例方式每个电池根据其参数或性能一即其电池特性一被分类。如果新电池的特性是未知的，那么在采用根据本发明的估算之前，要对其参数或性能进行定义或校准。为了定义电池特性，要确定其能量与电压之间的关系特性(E/U)或者能量随电压的变化。既可以在空闲状态下，也可以在向电池施加了各种负载的放电状态下实施能量vs.电压的数据测量。在空闲状态下，电池在接近断开的电路内工作，并且从电池提取少量的电量，在几个时间点上相继测量电流I和电压U的值，直到电池能量完全耗尽为止，从而绘制出(E/U)曲线图。之后，可以采用该(E/U)图确定尽可能与所述曲线拟合的数学函数。也可以采用含有能量E和电压U的值的查找表格，而不是确定所述数学函数。应当理解，电池电压不仅取决于电池内的剩余能量，还取决于电负载或者从电池汲取的电流。更具体而言，由于电池内阻的原因，从电池汲取的电流倾向于降低可观测的电池电压。在图2A中，将内阻表示为Rint。尽管Rint不是实际的电阻器部件，但是其对于非理想电池的特性的建模是一个有用的概念。为了对非理想电池的特性进行建模，向电池施加一系列测试负载，以便确定电压降AU随着从电池汲取的电流I的变化。之后，通过在几个点上相继测量电压降AU和从电池汲取的电流I的值来绘制(Λυ/Ι)曲线图。还可以确定电压降随着电池的功率(P=UI)的变化，并通过测量从电池汲取的功率P绘制(Λυ/Ρ)曲线图。可以通过两种不同的方式实现这些电池测试负载-作为电池预定义参数或特征的部分。在这种情况下，为每种类型的电池分配固定的数学函数，之后采用这样的数学函数确定本发明的方法中的(AU/Ι)或(AU/P)两者的值，或者 -在蜂窝电话或电池供电装置的工作过程中。在这种情况下，可以通过单独的校准电阻器或者通过诸如其电流或功率已知的显示器背光的部件实现测试负载。因而这将允许进行动态调整，该动态调整可将电池老化、温度变化等都包含在内。这一动态调整将允许Λ U以及I或P的值的准确度更高，而且不必在电池的整个寿命周期内始终或者实时进行所述动态调整。图I示出了电池供电装置I的方框图，电池供电装置I可以是任何便携式电子装置，例如蜂窝电话、膝上型电脑或笔记本电脑等。电池供电装置I可以包括一个或多个电池
2、称为能量管理(EM)电路的电路3和处理器4。能量管理电路3能够测量电压5和电流6，以及计算电池2的类型所特有的参数。在下述说明中将更详细地描述这些特定参数。能量管理电路3可以包括用于存储测得的电压和电流的存储器(图I中未示出)。所述存储器还可以含有用于存储电池2的类型所特有的参数的寄存器。能量管理电路3还可以包括测量装置，其用于测量电池2的被称为Vbat的瞬时电压和被称为Ibat的瞬时电流。之后，通过P=Vbat*Ibat确定功耗P ;并且根据能量管理电路3的实现，其可以将这些值中的两个或者所有这三个值取回至具有用户接口的应用引擎。在另一种实现方式中，能量管理电路3可以连接至单一类型的或者不同类型的多个电池2。在存在不同类型的电池2的情况下，存储器还可以含有多个寄存器，用于存储所述的不同类型的电池2所特有的参数。相反地，测量装置将对这些不同类型的电池2的瞬时电压和电流进行测量。处理器4可以是电池供电装置I中的任何适当处理装置，可以将处理器4编程为执行诸如电压Vbat和电流Ibat或功率P的不同测量结果的乘法或除法的数学函数，以及执行与各种常数的比较以生成可以取回至能量管理电路3的不同值。或者，也可以在EM电路3中实现这些数学函数，在图3和图5B中将更为详细地描述这些函数。例如，处理器4可以是被称为(CMT)的蜂窝调制调解器的一部分，所述蜂窝调制解调器可以含有若干专用于特定功能的服务器。这些服务器在低层通信协议上处理很多实时相关问题。处理器4也可以是被称为(APE)的应用引擎的一部分，所述应用引擎用于处理用户接口和很多其他应用级任务。在这种配置当中可以实现双芯片架构。于是，第二芯片专用于应用引擎(APE)，所述应用引擎还用来运行诸如Symbian或MAEMO/linux的操作系统。也可以在APE中运行诸如web浏览器、MP播放器等的其他应用程序。如上所述，处理器4可以处理各种数学函数。其中之一是对电池2的剩余能量的估算。在单芯片架构中，在CMT内管理这些测量结果和函数。在双芯片架构中，将一些测量结果和参数发送至APE。例如，这些测量结果和参数可以是电池瞬时电压Vbat、电池瞬时电流Ibat或瞬时功耗P或者代表电池内可以存储的最大能量的电池额定容量。图2A示出了图I的电池供电装置的方框图的更多细节。在文献当中有几种用来获得电池瞬时电压5Vbat和电池瞬时电流6Ibat的方法。下述说明只是在不背离本发明的精神和范围的情况下给出的一个例子。应当理解，有各种各样的方法可用来测量电池Vbat和Ibat。图2A仅示出了用来测量电池电压Vbat 5和电流Ibat 6的电路的一个例子。被称为Rm 7的测量电阻器具有电阻，其连接于电池供电装置I的电池2和电气地10之间。或者，还有可能将电阻器Rm 7连接至电池2的正端。尽管电池2和地10之间的电阻器Rm 7的值是可检测的，但是所述值是非常小的。EM电路3测量从电池2流出的电流，其在测量电阻器Rm 7上引起被称为Vr的电压降。实际上，每 次电池电流Ibat 6流经Rm 7，其都将引起电压降Vr 9。可以采用各种电路和方法，例如，可以采用该图2A中所示的模数转换器8，测量所述电压降。由于可以采用本行业已知的任何标准AD转换器实施所述电压降的测量，因而将省略对AD转换器8的详细说明。所述AD变换器8还能够测量电池电压Vbat 5，该电压Vbat 5是电池的正极端子和电池供电装置I的电气地10之间的电压。如图2A所示，AD转换器8连接至EM电路3，但是在其他实现方式中，其也可以集成到EM电路3内。还应当记�。梢越砥鳌⒋娲⑵骱�/或测量装置实现到单芯片架构内，如图2A所示。在采用多个电池2的情况下，可以将所述电池并联或者串联。因而，这些电池中的每一个可以具有其自身的参数Vbat以及Ibat和功耗P。在双芯片架构中，将具有专用应用引擎(APE)的第二芯片连接至第一芯片，以接收来自所述第一芯片的测量结果和参数，并对所述测量结果和参数进行处理，并且将结果存储在其自身的存储器内。如前所述，为了对非理想电池建模，电池2具有内阻Rint。尽管其并非是实际的电阻器部件，但是可以将其看作是电池2内的虚拟电阻器，在汲取电流时，其将引起电池电压降。图2B示出了采用图2A中描绘的电路3进行电池电压的测量的方法的实现的例子。在这种实现方式中，在步骤200中，EM电路3采用AD转换器8测量电池2的瞬时电压。在步骤202中，AD转换器8将测量结果转换成有意义的电池电压Vbat 5。在步骤204中，将所述值存储在寄存器内，从而在需要时将其用于任何其他计算操作。也可以将电池电压Vbat 5的不同值取回至EM电路接口，以供其他的进一步使用。图2C示出了获得电池电流Ibat 6的方法的示范性实现方式。EM电路3采用AD转换器8测量测量电阻器Rm 7上的电压降Vr 9。在步骤250中采用公知的欧姆定律，在步骤252中，将电压降Vr 9除以电阻器Rm 7的电阻，从而获得电池电流Ibat 6。之后，将电池电流Ibat 6的值存储到寄存器内，以供任何其他计算操作之用。在需要时，也可以在步骤254中将Ibat的不同值取回至EM电路接口，以供进一步的使用。图3示出了根据本发明的用于估算电池中的剩余能量的方法的例子。一旦分别如图2B和图2C所示那样在步骤302和304中测得了电池电压Vbat和电流Ibat，就在步骤306中通过使Vbat乘以Ibat计算出功率P。或者，有可能在步骤302之后测量功率而不是测量Ibat，并直接跳到步骤306。由于电池的内阻Rint产生了额外的电压降，因而要通过去除这一额外的电压降而对测得的电压Vbat加以校正，以便采用已知的能量E与电压U之间的关系。这类校正取决于电池化学性质。这里将采用所观察到的锂离子电池的特性给出测量和校正的例子。因而，在步骤308中，采用下述等式计算校正电压U (又被称为空闲电压)U=Vbat+(功率/α )校正电压U是空闲电池电压的估值，其对应于未从电池2汲取电流时的电压Vbat ；在此情况下，不存在由电池的内阻导致的相关电池电压降。α是一个参数(瓦/伏)，其表示电池内阻Rint的“图像”。可以通过观察不同电池功率水平下的电压Vbat，来通过实验获得参数α，其中，所述电池功率是电压和电流的乘积。实际上，根据图4Β所示的测量结果，电池电压降可以基本上是所汲取的功率的线性函数,至少在锂离子型电池中是这样。也可能采用其他更为复杂的函数,例如,多项式函数来表征由内阻引起的电压降。因此，将通过这一电压降来校正在计算剩余电池能量E时采用的电压。在这一例子中，该电压降大约为(Ρ/α )，α可以为5-50，其也可以处于该值范围 外。例如，通过在不同功率负载水平上将功率负载P与电压降AU进行比较而获得参数α。这一比较可以是功率负载P和所得到的电压降AU之间的相关性。此外，根据电池的类型，可以将参数α比作常数或者多项式函数。如果在低功率负载P和高功率负载P下参数α总是常数，那么施加到电池上的功率负载P和测得的电压降AU之间的关系是线性的，并且a=AU/P。如果不同的功率负载下参数α不同，那么施加至电池的功率负载P和测得的电压降AU之间的关系不是线性的，采用多项式函数来校正由功率负载P引起的电压降。在步骤310中，采用函数Π计算剩余能量E的值，该函数Π将先前获得的经校正的(或空闲)电压U转换为电池能量估算值E_eSt。通过如下观察电池电压Vbat以及其和电池能量水平E之间的关系而借助测量确定函数fl。为了确定函数f I，将电池再次充满电，之后对其放电直到其变空。在对电池放电的同时测量电池电压Vbat和电流Ibat。可以在任何给定的时间点上通过将电流Ibat与电压Vbat相乘而获得功率P。如果以非常低的电流(或功率)实施这一放电，那么可以忽略电池的内阻，并且可以直接采用测得的Vba t作为函数fl的经校正的电压U。如果采用较高的电流实施放电，那么将采用经校正的电压U=Vbat+(P/ α )。一旦电池的电压水平过低而不能执行电池供电装置的任何电路操作，电池就变空了。这一截止限度可能随装置的不同而变化。可以通过随着时间对功率积分而获得能量Ε。
这意味着，有可能通过实施这样的积分而推出从电池取出的能量。在数学上，这可以表达为
t=tl
(例如)/:Vl)= J""(/'K⑴ Λ(等式 I)
/=()其中，E(tl)是截止到时间tl为止从电池取出的能量。由于通常是按照分立的方式在分离的时间间隔上测量电压和电流的，因而可以将截止到时间tl为止从电池中取得的能量计算为/';(/!) = X； ⑴Ζ(/)Δ/(/)(等式2)其中，U(t)是在时间t上测得的电压，I⑴是在时间t上测得的电流，Λ t⑴是测量之间的间隔。
因而，从电池取得的总能量为E_tot=E(t=t_final),其中，t_final是电池变空的时间(达到了截止限度和低水平的电池电压)。然后，有可能通过从总能量E_t0t中减去截止到时间t为止从电池中取得的能量，来计算时间t时电池中的能量。由于在时间t上电压U是已知的，因而有可能推出电池中的能量E和电池的电压U之间的关系。图5A通过一系列的点示出了这样的推理的例子。每一点表示作为电压U的函数的剩余能量E。可以将剩余能量对电压的这种依赖关系作为查找表存储到存储器内。另一种可供选择方法是采用文献中已知的任何适当的方法对结果进行数学函数的拟合。在数学上，可以将这一关系表达为函数Π E=fl (U)作为拟合函数的例子，在图5A中采用实线示出了这样的拟合数学函数fl。
图5B表示了函数fl的算法连同其系数，以及可以如何在电路中实现这样的示范性函数。应当指出，存在各种可以使用的、具有不同系数的函数。因而，函数fl可以是系数由EM电路3计算的数学等式，在对图5A所示的曲线图以及图5B所示的流程图的描述中给出所述等式的细节。图4A和5A的曲线图之间的区别在于，图4A的曲线图是采用测量获得的，而图5A的曲线图是借助函数fl获得的。采用图4B作为中间步骤获得α的值。还应当记�。诓街�310中EM电路3可以采用具有预定值的查找表确定作为步骤308中计算的校正电压U的函数的能量E的值，而不是采用数学函数H。由于函数fl的这种实验估值是以借助某一大小或容量的电池实施的测量为基础的，因而在步骤312中，采用另一函数f2基于称SB_size的电池大小换算能量。例如，如果采用具有968mAh的大小或容量的电池实施电池测量，那么函数f2使得能够通过将能量E与换算系数(B_size/968)相乘来采用换算系数换算能量E，这给出更为准确的能量估值E_est,因为针对其进行了初始测量的电池特性的计算所用的电池大小为968mAh电池。因而，在当前情况下，函数f2可以定义为E_est=f2(E, B_size)=Ex(B_size/968)。如果具有B_size的电池具有与实施初始测量的电池类似的电池特性，那么采用这一换算系数。在这一例子中，通过N96 Nokia移动电话实施测量，其具有大小为968mAh的BL-5F电池。对于N96移动电话中采用的BL-5F电池以外的、具有与BL-5F电池相同的电池特性的一些电池而言，也可以应用所述换算方法。这样的电池的一个例子是大小为1500mAh的BP-4L电池，例如，其用于E71或E72 Nokia原型机(Model)。可以将E_est直接用于能量的估算，但是通过对E_est的连续样本求平均而获得更好的结果。实际上，由于电池电压水平的偏差以及测量样本的偏差，在例如3分钟的时间上对能量估值求平均，以平滑所述偏差。可以采用文献中的各种已知方法实施对E_est的连续样本的求平均。例如，在步骤314中，用于对样本求平均的函数f3可以是所谓的指数移动平均。因此，根据本发明，采用平均能量E_aVe作为电池的剩余能量的最佳估值。基于电池2的瞬时电压Vbat和瞬时电流Ibat,通过EM电路3相应地计算E_ave作为电池2中的剩余能量的估值。例如，将函数f3定义为E_ave=f3 (E_est)其中
权利要求
1.一种方法，包括 测量具有一个或多个特定参数的电池的瞬时电压； 测量所述电池的瞬时电流； 基于所测得的瞬时电压和瞬时电流以及所述一个或多个特定参数提供经校正的电压；以及 基于所述经校正的电压的函数fl以及所述一个或多个特定参数提供所述电池中可用能量的量E。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，将所述经校正的电压U定义为U=Vbat+ (VbatXIbat)/α ； 其中，Vbat是测得的瞬时电压； Ibat是测得的瞬时电流； α是所述特定参数之一。
3.根据权利要求2所述的方法，其中，α是常数或者是多项式函数。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，通过测量具有相同或相似的特定参数的参考电池的一组电压降确定所述函数fl，所述的一组电压降是由下述原因导致的 处于空闲状态下的参考电池的恒定低功耗；以及 处于活动状态的参考电池的较高的功耗。
5.根据权利要求4所述的方法，还包括 采用换算系数基于所述参考电池的额定容量8_^况对所述电池中的可用能量的量E进行换算，从而提供经换算的可用能量的量E_est。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括 采用指数移动平均函数在时间上对所述经换算的电池内可用能量的量求平均，以便提供更加准确的值。
7.根据权利要求4所述的方法，其中，所述函数fl是在四个值范围上不同的数学函数 如果经校正的电压U大于约4. 12伏，那么电池是充满电的，可用能量的量E为最大值；如果经校正的电压U为大约3. 58伏-4. 12伏，那么可用能量的量E是所述经校正的电压U的第一多项式函数； 如果所述经校正的电压为大约3. 2伏-3. 58伏，那么所述可用能量的量E是所述经校正的电压U的第二多项式函数；并且 如果经校正的值低于大约3. 2伏，那么可用能量的量E为O焦耳。
8.根据权利要求4所述的方法，其中，所述函数Π是根据所述一个或多个特定参数在超过四个值范围上不同的数学函数。
9.根据权利要求I所述的方法，其中，所述被供电的装置具有不止一个电池，所述不止一个电池具有相同或者相似的特定参数。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电池具有不同的特定参数。
11.根据权利要求9所述的方法，其中，所述电池是串联或者并联连接的。
12.根据权利要求I所述的方法，其中，函数fI是示出了可用能量的量和所述经校正的电压之间的关系的查找表。
13.—种设备,包括 至少一个具有一个或多个特定参数的电池的能量管理电路，其被配置为 测量所述至少一个电池中每一个电池的瞬时电压和瞬时电流； 基于测得的瞬时电压、瞬时电流和所述一个或多个特定参数提供所述至少一个电池中每一个电池的经校正的电压U ;以及 提供所述至少一个电池中的至少一个电池的可用能量的量E，每一可用能量的量E基于对应的经校正的电压U的函数fl以及所述一个或多个特定参数。
14.根据权利要求13所述的设备，其中，将所述经校正的电压U定义为U=Vbat+ (VbatXIbat)/α ； 其中，Vbat是测得的瞬时电压； Ibat是测得的瞬时电流； α是所述特定参数之一。
15.根据权利要求13所述的设备，其中，通过测量与所述至少一个电池具有相同或相似特定参数的参考电池的一组电压降来确定每一函数Π，所述的一组电压降是由下述原因导致的 处于空闲状态下的对应参考电池的恒定低功耗；以及 处于活动状态的对应参考电池的较高的功耗。
16.根据权利要求13所述的设备，其中，所述能量管理电路还包括至少一个处理器，其被配置为执行数学函数，从而计算出所述至少一个电池中的每一个电池的可用能量的量Ε。
17.根据权利要求15所述的设备，其中，所述能量管理电路还被配置为 采用换算系数根据对应的参考电池的额定容量B_size对所述至少一个电池中的可用能量的量E进行换算，以提供所述至少一个电池的经换算的可用能量的量E_est ;以及采用指数移动平均函数在时间上对所述至少一个电池中的经换算的可用能量的量求平均，从而提供更加准确的值。
18.一种方法，包括 向电池施加一组恒定低功耗； 测量分别由所述一组恒定低功耗导致的所述电池的第一组电压降； 向所述电池施加一组高功耗； 测量分别由所述的一组高功耗导致的所述电池的第二组电压降；以及通过使施加至所述电池的功耗与所产生的电压降联系起来确定所述电池所特有的参数α。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述参数α是常数或者是多项式函数。
20.一种采用指令编码的计算机可读介质，在由计算机执行时，所述指令执行 测量具有一个或多个特定参数的电池的瞬时电压； 测量所述电池的瞬时电流； 基于所测得的瞬时电压和瞬时电流以及所述一个或多个特定参数提供经校正的电压；以及 基于所述经校正的电压的函数fl以及所述一个或多个特定参数提供所述电池中可用能量的量E。
全文摘要
本发明涉及估算便携式装置的电池的剩余电量的方法。基于瞬时电压和瞬时电流的测量结果估算电池的剩余能量E。由于特征函数(E/U)或(E/P)的原因，将E定义为其电压U或功率的函数。代替所述函数，可以采用查找表。采用具有相同或相似特性的参考电池定义E/U函数。将一组低电流或功率负载以及一组高电流或功率负载施加到参考电池上，从而引起电压降，测量所述电压降并用其确定函数(E/U)以及该类型的参考电池所特有的参数α。在电池的工作过程中，测量瞬时电压和电流，并采用α校正瞬时电压。之后，函数(E/U)能够实现对E的估算。采用电池大小对E进行换算，从而得到更好的估值。
文档编号G01R31/36GK102918409SQ201080067068
公开日2013年2月6日 申请日期2010年5月27日 优先权日2010年5月27日
发明者M·M·V·韦斯塔马, J·P·O·鲁图 申请人:诺基亚公司
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
