專利名稱：電池容量測量電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般地涉及電池容量測量電路，特別適用于測量電池的電能容量，測量電路中包括檢測流過電池的電流的檢測裝置及對該檢測裝置的輸出信號積分的積分電路，該測量電路依據(jù)積分電路的輸出測量電池容量。
這種類型的測量電路用于例如帶有可再充電電池的電氣的或電子裝置，比如可再充電的剃須刀，以得到充入電池或電池放出的能量數(shù)。例如，在一種人們熟知的通用型測量電路中，電池充入或放出的能量是以測量充電或放電的時間為基礎(chǔ)來得到的。另一通用測量電路的例子中，通過積分測量的充電或放電電流獲得電池充入和放出的電能量。在后一測量電路中，充放電電流是根據(jù)與電池串聯(lián)的電阻兩端所呈現(xiàn)的電壓來量測的。更準(zhǔn)確地說，該電阻兩端的電壓被放大，然后被進(jìn)行積分，每當(dāng)積分值達(dá)到予定值便產(chǎn)生一脈沖，同時積分值復(fù)位到零。電池充放電時，重復(fù)上述操作，這樣，通過計數(shù)這樣產(chǎn)生的脈沖數(shù)就能測量充電或放電的能量。在德國專利申請?zhí)朜O，2，313，566中公開了這樣一種測量電路的例子。
已知能夠重新充電的電池例如鎳-鎘電池有這樣的特性，即它的電能的容量隨著環(huán)境溫度的變化而變化，例如，如圖5所示。此圖示出了相對的能量容量CE隨它的溫度T的變化。更準(zhǔn)確地說，電池的能量容量在室溫以上的溫度范圍內(nèi)較大;當(dāng)環(huán)境溫度減小到室溫以下時，電池能量容量減小，這點可從圖5中點劃線表示的放電特性來看出。從圖5中實線表示的放電特性還可以看出，電池的能量容量在室溫附近取最大值，隨著室溫附近環(huán)境溫度的增高或降低，電池能量容量都逐漸減小。因此，當(dāng)充電及放電特性都被考慮時，電池的能量容量在近似室溫情況下最大，隨著室溫溫度那一點的溫度升高或降低，電池能量容量都減小。為了根據(jù)通過電池的充放電電流的積分值來精確地測量電池的充電或放電的能量，則必須附隨環(huán)境溫度變化而引起的電池容量的變化進(jìn)行補(bǔ)償。
上述類型的再充電電池的能量容量也隨著充放電操作次數(shù)的增加逐漸減小，這就是說，隨著使用時間的推移逐漸減小，在圖6中說明了這一點。圖6表示出相對的靜態(tài)電容CSN與充放電周期數(shù)NC的關(guān)系。因此，對于更精確的電池能量容量的測量還必須考慮這種能量容量的減小。
因此，本發(fā)明的一個目的就是提供這樣一個測量電路，該測量電路能夠在一寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)精確測量充入電池及電池放出的能量的量，而不用提供專門的溫度傳感器或類似裝置，也不需其后的校正例如用存儲在微處理機(jī)中的軟件程序校正。
本發(fā)明的另一個目的是提供這樣一個測量電路，該測量電路能夠在使用壽命較長的周期內(nèi)以簡單的電路結(jié)構(gòu)及在電池能量容量中不考慮電池老化變異來精確地測量充入電池或電池放出的能量數(shù)。
依據(jù)本發(fā)明，提供一測量電池能量容量的電路，此電路包括檢測流過電池的電流的檢測裝置及積分此檢測裝置輸出信號的積分電路，其中，測量電路依據(jù)積分電路的輸出測量電池的容量。該測量電路的特點在于決定積分電路積分時間常數(shù)的一個電路元件具有實質(zhì)上補(bǔ)償在電池能量容量中的溫度特性的溫度特性。
具有上述結(jié)構(gòu)的測量電路，其積分電路的積分時間常數(shù)隨著環(huán)境溫度的變化而變，這樣就補(bǔ)償了電池容量隨溫度的變化。因此依據(jù)積分結(jié)果獲得的電池充電或放電能量數(shù)的指示非常精確地與環(huán)境溫度變化無關(guān)的實際充電狀態(tài)相一致。
同樣的原理能應(yīng)用于電池老化的補(bǔ)償，如果測量電路中電路元件選擇具有實際上能補(bǔ)償電池能量容量中老化變異的老化變異特性。這樣，則能夠更精確地測量電池的充電能量或放電能量數(shù)。


圖1是依據(jù)本發(fā)明的測量電路的實施例所示的電動剃須刀中的電池放電能量數(shù)測量電路的電路圖。
圖2是圖1的實施例中電容器23的電容溫度特性圖;
圖3是圖1的實施例中電容器23的電容老化-變異特性示圖;
圖4示出對圖1的實施例的改進(jìn)電路圖;
圖5是鎳-鎘(Ni-Cd)電池的溫度特性示圖;
圖6是Ni-Cd電池的老化-變異特性示圖。
圖1示出了依據(jù)本發(fā)明的電池容量測量電路的一個實施例的電路圖例，本實施例設(shè)計為一個從能再充電電池型電動剃須刀中的電池中獲得放電能量數(shù)的電路。
在圖1中，示出能再充電電池10，例如，具有2.4V常規(guī)輸出電壓的Ni-Cd型電池。電池的負(fù)端接地。電池10的正輸出端接到驅(qū)動電動剃須刀切割刀片的馬達(dá)13的一端，正輸出端還通過開關(guān)11接到電壓轉(zhuǎn)換器12上。此轉(zhuǎn)換器12用于提升輸入電壓，而且其有一個輸出端經(jīng)一電阻14接到場效應(yīng)晶體管(FET)15的柵極。這個輸出端還接到電壓調(diào)整器16的一輸入端。場效應(yīng)晶體管15的漏極接到馬達(dá)13的另一端，而場效應(yīng)晶體管的源極經(jīng)低阻值電阻17接地。場效應(yīng)晶體管的源極還接到電壓跟隨器20的一個輸入端，此電壓跟隨器包含一運算放大器18和一個NPN晶體管19，晶體管19的集電極接到NPN晶體管21的發(fā)射極，并且經(jīng)電阻22和電容23接地。晶體管19的發(fā)射極通過電阻24接地。晶體管21的集電極接到前述電壓轉(zhuǎn)換器16的輸出端。電阻22和電容23之間的結(jié)點接到滯后比較器29的一個輸入端，此滯后比較器由電阻25、26、27和運算放大器28組成。滯后比較器29的輸出端接到晶體管21的基極，也接到緩沖放大器30的輸入端。因此由滯后比較器29提供的輸出信號(一脈沖信號)被放大，然后由計數(shù)器31計數(shù)。
在此實施例中，選擇電容器23，目的是使其溫度和老化-變異特性分別補(bǔ)償電池10的溫度及老化變異特性。更準(zhǔn)確地說，電容器23具有在室溫附近容量變得最大而在環(huán)境溫度從室溫附近升高或降低其容量減小的特性，如圖2的電容靜態(tài)容量的溫度特性所示。此圖示出了容量的相對變化 (△C)/(C) 隨溫度T的變化。此溫度特性相當(dāng)好地符合圖5所示的電池10的電能容量的溫度特性。例如，多層陶瓷電容器就適于用來做具有這種溫度特性的電容器。此外，電容器23的容量極好地隨著使用時間的推移逐漸減少，如圖3中電容靜態(tài)容量老化-變異特性所示。圖3示出了容量的相對變化 (△C)/(C) 隨使用時間t的變化。此特性相當(dāng)好地符合圖6所示的電池10的老化-變異特性。前述的多層陶瓷電容器也有類似圖3所示的老化-變異特性。
現(xiàn)在將闡述圖1所示電路的操作。
當(dāng)開關(guān)11被用戶閉合時，電壓轉(zhuǎn)換器12升高了電池10的輸出電壓，并把這個升高電壓送到場效應(yīng)晶體管15的柵極。因此，F(xiàn)ET15進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)驅(qū)動馬達(dá)13，這樣，馬達(dá)電流流過電阻17，則在電阻17兩端呈現(xiàn)的電壓通過電壓跟隨器20送到電阻24。因此，正比于通過馬達(dá)13的電流值的電流流過電阻24。如果假設(shè)晶體管21是處于截止?fàn)顟B(tài)，則電容23中的電荷通過流過電阻24的電流而放電，這樣，電容器23兩端的電壓以正比于此電流量值的速率減小。當(dāng)此電壓變得比滯后比較器29的閾值還低時，晶體管21進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，則電容器23就通過晶體管21和電阻22很快地充電。當(dāng)電容器23兩端的電壓超過比較器29的上限閾值時，晶體管21再一次進(jìn)入非導(dǎo)通狀態(tài)。只要開關(guān)11是閉合的，則上述操作反復(fù)進(jìn)行。
用這樣的方式，在比較器29的輸出端產(chǎn)生了具有相當(dāng)于馬達(dá)電流頻率的脈沖信號，然后此脈沖信號通過計數(shù)器31計數(shù)。在這種情況下，當(dāng)環(huán)境溫度約處于室溫時，如圖2電容器23的溫度特性所示，相同的馬達(dá)電流量的上述脈沖信號的頻率變得最低，而當(dāng)環(huán)境溫度從室溫增加或降低時，頻率增加。因此，從計數(shù)器31得到的數(shù)值就代表了電池10放電的能量數(shù)，其放電容量隨著環(huán)境溫度變化而得到了補(bǔ)償。
如前面所述，電容器23的靜態(tài)電容量隨使用時間的推移而逐漸減小。為此，即使馬達(dá)電流保持同樣的值，由于使用的周期數(shù)增加，則脈沖信號的頻率增加。因此，用計數(shù)器31的計數(shù)值表示電池10放電能量的數(shù)量，補(bǔ)償了由于老化-變異特性產(chǎn)生的電池10能量容量的減小。
圖4示出了上述實施例的改進(jìn)形式。
在圖4所示的測量電路中，在馬達(dá)13的電流通路內(nèi)沒有電阻。在FET15的源極和漏極之間出現(xiàn)的切換馬達(dá)電流的交變電壓被送到電壓跟隨器20。因為漏極到源極的電壓正比于馬達(dá)電流量，所以流經(jīng)電阻24的電流也就正比于馬達(dá)電流量。這個電路的其它部分的結(jié)構(gòu)和操作幾乎與圖1的電路一樣。應(yīng)該注意到，F(xiàn)ET15的漏-源極電壓的溫度特性最好考慮電容器23′的溫度特性來選擇。
在上述實施例中，只示出了測量電池放電能量的量的電路。但是，很明顯，依據(jù)本發(fā)明的電路也能用來測量充入電池的能量的量，例如，使電池10的充電電流通過圖1中的電阻17，并且更換一個電容器23，更換的電容器的溫度特性基本上補(bǔ)償電池10與溫度有關(guān)的充電特性。
在上述實施例中利用一個普通電容器代替電容器23，而用一個電阻替換電阻24，此替換電阻具有阻值在室溫附近變得最大的溫度特性，類似于這樣的做法來達(dá)到溫度補(bǔ)償也是可能的。
如上所述，用依據(jù)本發(fā)明的測量電路，檢測電路中流過電池的電流，并依據(jù)檢測電流的積分結(jié)果來測量充電和放電的能量，決定積分時間常數(shù)的電路元件要選擇得具有這樣的溫度特性，即它的溫度特性能補(bǔ)償電池的溫度特性。這樣，不需要用專門的溫度傳感器做單獨的溫度補(bǔ)償就可以非常精確地測量充電和放電的能量。
此外，通過調(diào)整電路，以使電路元件具有補(bǔ)償電池老化-變異特性的老化-變異特性，則非常精確地測量充放電能量也是可能的。
權(quán)利要求
1.一種測量電池能量容量的電路包括檢測流過電池電流的檢測裝置，以及積分檢測裝置輸出信號的積分電路；依據(jù)積分電路的輸出測量電池容量的測量電路特征在于確定所述的積分電路的積分時間常數(shù)的電路元件實質(zhì)上具有補(bǔ)償該電池容量的溫度特性的溫度特性。
2.一種測量電池電能容量的電路包括檢測流過電池電流的檢測裝置，以及積分檢測裝置輸出信號的積分電路，依據(jù)積分電路的輸出測量電池容量的測量電路其特征在于確定所述的積分電路積分時間常數(shù)的電路元件實質(zhì)上具有能補(bǔ)償該電池容量的老化-變異特性的老化-變異特性。
3.一種測量電池電能容量的電路包括檢測流過電池電流的檢測裝置，以及積分檢測裝置輸出信號的積分電路，依據(jù)積分電路的輸出測量電池容量的測量電路其特征在于確定所述的積分電路積分時間常數(shù)的電路元件實質(zhì)上具有能補(bǔ)償該電池容量的溫度特性的溫度特性以及實質(zhì)上能補(bǔ)償該電池容量的老化-變異特性的老化-變異特性。
4.依據(jù)權(quán)利要求1、2或3的測量電池容量的電路其特征在于所述的電路元件是容性元件。
5.依據(jù)權(quán)利要求4的測量電池容量的電路，其中所述的檢測裝置包括一個與所述電池串聯(lián)的電阻，所述的積分電路使所述的容性元件依據(jù)該電阻兩端的電壓被充電或放電。其中，所述的測量電路還包括將所述的容性元件兩端的電壓與予定值作比較的比較裝置，以使所述的容性元件依據(jù)比較的結(jié)果被充電或放電，以及對所述的容性元件的充-放電周期進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)裝置。
6.依據(jù)權(quán)利要求4的測量電池容量的電路，其中所述的檢測裝置包括一與所述電池串接的半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述積分電路使所述的容性元件依據(jù)半導(dǎo)體開關(guān)元件的兩端電壓被充電或放電，并且其所述的測量電路還包括將該容性元件兩端的電壓與予定值進(jìn)行比較以使該容性元件根據(jù)比較結(jié)果被充電或放電的比較裝置，以及對該容性元件的充-放電周期進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)裝置。
7.依據(jù)權(quán)利要求1、2或3的電池容量測量電路，其特征在于所述的電路元件是電阻性元件。
8.依據(jù)權(quán)利要求7的電池容量測量電路，其中所述的檢測裝置包括一與該電池串接的電阻，所述積分電路通過所述的電阻性元件，根據(jù)該電阻兩端的電壓使電容器被充電或放電，并且其中所述的測量電路還包括將所述的電容兩端的電壓與予定值進(jìn)行比較，以使該電容器依據(jù)比較結(jié)果被充電或放電的比較裝置，以及對所述電容器充-放電周期進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)裝置。
9.依據(jù)權(quán)利要求7的電池容量測量電路，其中所述的檢測裝置包括與所述電池串接的一半導(dǎo)體開關(guān)元件，所述積分電路依據(jù)該半導(dǎo)體開關(guān)元件兩端的電壓，經(jīng)過所述的電阻性元件，使所述的電容被充電或放電，并且其中所述的測量電路還包括將所述電容器兩端的電壓與予定值進(jìn)行比較，使所述的電容器依據(jù)比較的結(jié)果被充電或放電的比較裝置，和對所述電容器充-放電周期進(jìn)行計數(shù)的計數(shù)裝置。
全文摘要
測量電路包括具有補(bǔ)償可充電電池放電容量的溫度和老化-變異特性的電容器23。當(dāng)開關(guān)11閉合時，電池10驅(qū)動馬達(dá)13，利用電阻17上的電壓檢測通過電池10的電流。電壓跟隨器20放大該電壓并激勵電阻24，使電容器23的電荷就按通過電阻24的電流大小所確定的速率放電。滯后比較器29對電容器23兩端的電壓與預(yù)定值進(jìn)行比較，根據(jù)比較結(jié)果控制晶體管21的開/關(guān)狀態(tài)。29的輸出脈沖由計數(shù)器31計數(shù)，該計數(shù)表示了電池10的剩余能量。
文檔編號G01R31/36GK1039660SQ8910405
公開日1990年2月14日 申請日期1989年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1988年6月14日
發(fā)明者菱木輝男 申請人:菲利浦光燈制造公司