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CN102200568B - 电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法 - Google Patents

电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法 Download PDF

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CN102200568B CN2011100486726A CN201110048672A CN102200568B CN 102200568 B CN102200568 B CN 102200568B CN 2011100486726 A CN2011100486726 A CN 2011100486726A CN 201110048672 A CN201110048672 A CN 201110048672A CN 102200568 B CN102200568 B CN 102200568B
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Abstract

本发明公开了一种电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法，该估算方法于该电池装置的放电运作中进行，该估算方法包含决定该电池装置的起始电量状态，决定该电池装置的放电电流，利用预测放电终点程序以决定对应于该放电电流的最后电量状态，以及根据该最后电量状态决定该剩余容量与该剩余使用时间。本发明所提供电池装置的最后电量状态、剩余容量与剩余使用时间的估算结果比现有技术所述较不受放电电流影响，故具有较小的估算误差，而且所需的递归计算量显著少于现有技术，即，可提供快速精确的估算运作。

Description

电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法
技术领域
本发明所要解决的技术问题是一种估算方法，特别是指一种电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法。
背景技术
随着科技的发展，电池已成为不可或缺的电力来源，广泛地用于多媒体产品、移动电话、及笔记本电脑等便携式电子装置中。一般而言，为了使用便利，电池装置通常具有电池电量检测功能以提供其剩余容量与剩余使用时间等信息给用户。公知电池电量检测技术基于内阻追踪演算法在稳定电流放电状态下追踪电池内阻变动，并利用相关数据库进行电池电压模拟以估算电池剩余容量(Remaining capacity；RM)，其估算误差可低于1％。然而，于电池开始使用时，可能已从充饱电量(DODcharge)放电至加载起始电量(DOD0)，即已损耗电量Qstart，其后电池剩余容量(RM)随电池负载电流释出电量Qpassed_charge而逐渐降低。图2所示的虚线显示电池开路电压(Open CircuitVoltage；OCV)随着电池放电深度(Depth of Discharge；DOD)的增加而递减的关系曲线。图2所示的实线显示电池连接负载后，通过电池剩余容量(RM)与充饱容量(Full Charge Capacity；FCC)计算所提供的电池加载电压随着电池放电深度而递减的关系曲线。请注意，电池开路电压于电池放电深度达到约100％才降低至放电终止电压(例如3V)，而电池加载电压于电池放电深度达到约95％就降低至放电终止电压。
对使用于笔记本电脑的电池而言，电池放电电流很难在供电笔记本电脑运作的电池放电过程中达到稳定状态。即，若在电池使用过程中，利用电池化学特性以估算剩余容量与剩余使用时间，则在不稳定供电状况下的电池放电电流会导致估算误差。如图1所示，公知电池电量检测技术在执行内阻追踪演算法的过程中，会因负载变动系数导致内阻追踪误差，从而增大电量估算误差。如图2所示，对应于放电终止电压(termination voltage)的放电深度(DOD)通过计算电池电压而估算，例如通过每4％DOD增量所计算的电池电压来估算。如上所述，图2的虚线与实线分别对应于电池开路电压(OCV)与电池加载电压，从起始候选DOD(例如0％)开始估计加载状况下的电池电压，只要所估计的电池电压大于放电终止电压，候选DOD就反复增量4％，直到所估计的电池电压递减至低于放电终止电压。在最坏状况下，需要迭代25次才能将误差降低至4％。至于若要以上述公知方法将误差降低至1％，则显著增加迭代次数，如此会导致高运算量并消耗更多电池能量，而且会降低估算速度。由上述可知，在公知方法的运作中，会因放电电流的变动而增大估算误差，而且需要执行高运算量的迭代程序才能精确估计剩余容量与剩余使用时间。
发明内容
依据本发明的实施例，公开一种电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法，该估算方法于该电池装置的一放电运作中进行，该估算方法包含：该电池装置决定该电池装置的一起始电量状态；该电池装置的一电量计数器决定该电池装置的一放电电流；该电池装置的一微处理器利用一预测放电终点程序以决定一对应于该放电电流的最后电量状态；以及该微处理器根据该最后电量状态决定该剩余容量与该剩余使用时间。
本发明所提供电池装置的最后电量状态、剩余容量与剩余使用时间的估算结果比现有技术较不受放电电流影响，故具有较小的估算误差，而且所需的递归计算量显著少于现有技术，即，可提供快速精确的估算运作。
附图说明
图1为公知电池的放电电流随时间变化的关系图，据以显示对应于负载变动与供电特性的电池负载电流。
图2为电压模拟示意图，用来说明根据现有技术计算对应于放电终点的放电深度。
图3显示依本发明一实施例的电池装置的功能方块图。
图4显示依本发明另一实施例的智能电池装置的功能方块图。
图5为电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法流程图。
图6显示依本发明一实施例的预测放电终点程序的流程图。
图7显示对应于不同放电电流的估计电池电压/电量状态的关系图。
图8显示对应于低放电电流、高放电电流及中放电电流等三种放电状况的最后电量状态估计的示意图。
图9显示典型的电池充电运作关系图，其中横轴为时间轴。
其中，附图标记说明如下：
30     电池装置
300    电池模块
310    电池管理集成电路
320    笔记本电脑充电连接器
330    保险丝
340    开关
350    电流传感电阻
360    系统管理总线
390    热敏电阻
395    发光二极管
40     智能电池装置
400    电池模块
410    自适应控制电路
411    控制电路
412    嵌入式闪存
413    微处理器
414    计时器
415            随机存储器
420            充电连接器
430            模拟前置处理电路
431            电压与温度测量模拟/数字转换器
432            电量计数器
440            开关
450            传感电阻
490            热敏电阻
50             流程
500～512       步骤
60             流程
600～622       步骤
IAVG           平均电流
ICHg           固定充电电流
Imax           最大电流
IPre-CHg       前置充电电流
Itermination   终止电流
OCV            开路电压
Qmax           额定容量
Si、Si-1       候选电量状态
SOCf、SOCfinal 最后电量状态
SOCi           起始电量状态
SOCmax         最高电量状态
SOCmin         最低电量状态
T              温度
trem           剩余使用时间
Vi        估计电池电压
Vmin      放电终止电压
Δ        范围
具体实施方式
为让本发明更显而易懂，下文依本发明电池装置的可快速精确估算剩余容量与剩余使用时间的估算方法，特举实施例配合附图作详细说明，但所提供的实施例并不用以限制本发明所涵盖的范围，而方法流程步骤编号更非用以限制其执行先后次序，任何由方法步骤重新组合的执行流程，所产生具有均等功效的方法，都为本发明所涵盖的范围。
图3显示依本发明一实施例的电池装置30的功能方块图。电池装置30可设置于一壳体内，并可电连接于一笔记本电脑，据以供电该笔记本电脑的内部电路与装置(例如硬盘与液晶显示装置)。如图3所示，电池装置30可包含设置于该壳体内的一具多个电池单元的电池模块300、一电池管理集成电路310、及一笔记本电脑充电连接器320。笔记本电脑充电连接器320可电连接于电池模块300的一正极端与一负极端间。在图示实施例中，笔记本电脑充电连接器320通过保险丝330与开关340而电连接于电池模块300的正极端，并通过电流传感电阻350而电连接于电池模块300的负极端。电池电量检测与状态信息以及控制信号可通过系统管理总线360而在电池管理集成电路310与笔记本电脑充电连接器320间传输。电池模块300可较佳地提供从12V至17V的电压范围的直流电源以供电该笔记本电脑，但也可提供具更高或更低电压的直流电源以供电该笔记本电脑。
电池模块300可为所述电池单元基于串并联任何耦接方式组合而成，就图3所示的实施例而言，电池模块300由4颗电池单元串联组合而成。电池管理集成电路310可通过控制保险丝330与开关340的运作以避免发生过电流及/或过电压事件而损坏该笔记本电脑。开关340可为一晶体管，其具有一电连接于电池管理集成电路310的控制端。电池管理集成电路310另可电连接于电流传感电阻350的两端，据以检测是否发生过电流事件。电池管理集成电路310另可电连接于热敏电阻390的一端，从而运用热敏电阻390来检测工作温度，进而随工作温度变化来调节直流电源的输出。此外，电池管理集成电路310可用来控制多个发光二极管395，据以提供电池状态给该笔记本电脑的用户。所述发光二极管395的输出光可通过该壳体或直接呈现电池状态给用户。
图4显示依本发明另一实施例的智能电池装置40的功能方块图。如图4所示，智能电池装置40可包含一电池模块400、一自适应控制电路410、一充电连接器420、一模拟前置处理电路430、一开关440、一传感电阻450、以及一热敏电阻490。自适应控制电路410可包含一微处理器413、一嵌入式闪存412、一计时器414、一随机存储器(Random Access Memory；RAM)415、以及一控制电路411。模拟前置处理电路430可包含一电压与温度测量模拟/数字转换器431与一电量计数器432。电量计数器432的功能运作类似于积分式模拟/数字转换器。
电池模块400为由多个电池单元基于串并联任何耦接方式组合而成，就图4所示的实施例而言，电池模块400由4颗电池单元串联组合而成。自适应控制电路410可用来控制开关440的导通/截止状态(闭合/断开状态)，据以控制电池模块400与一外部电子装置间通过充电连接器420的选择性连接或断开运作。微处理器413可送出一信号至控制电路411，使控制电路411可根据该信号控制开关440的导通/截止状态。电压与温度测量模拟/数字转换器431可具有一电连接于热敏电阻490的第一输入端，据以接收对应于电池模块400的工作温度的一温度信号。电压与温度测量模拟/数字转换器431还可具有一电连接于电池模块400的第二输入端，据以接收电池模块400所输出的一电压电平。电压与温度测量模拟/数字转换器431可将该电压电平与该温度信号分别转换为一数字电压信号与一数字温度信号，该数字电压信号与该数字温度信号可被传送至微处理器413。电量计数器432可具有一电连接于传感电阻450的第一端的第一输入端，及一电连接于传感电阻450的第二端的第二输入端。电量计数器432可检测传感电阻450的一电压降，并执行正比于流经传感电阻450电流的该电压降对时间的积分处理，从而进行数字化转换以产生一正比于流经传感电阻450的电荷电量的电池充电信号。电量计数器432还包含一电连接于微处理器413的输出端，用来将该电池充电信号输出至微处理器413。嵌入式闪存412可储存电池充电化学特性、使用过程记录、固件及数据库，其中使用过程记录可包含性能老化/衰退数据。
图5为电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法流程图。图5所示的估算方法的流程50可用来估算上述电池装置30或智能电池装置40的剩余容量与剩余使用时间。在一实施例中，估算方法的流程50可通过自适应控制电路410来执行。如图5所示，电池装置于执行放电运作中(步骤500)，测量电池电压、电流及温度(步骤502)。从而根据所测量的电压、电流及温度，通过预测放电终点(shooting End of Discharge；shooting EOD)程序以决定最后电量状态SOCf与平均电流IAVG(步骤504)。在电池装置执行放电运作前，另先测量电池开路电压OCV与温度(步骤506)，并根据所测量的开路电压OCV与温度，通过一对照表(Look-up Table)以决定起始电量状态SOCi(步骤508)。如此就可根据最后电量状态SOCf、起始电量状态SOCi及平均电流IAVG以计算剩余容量RM与剩余使用时间trem(步骤510)，并将剩余容量RM与剩余使用时间trem输出(步骤512)。剩余容量RM与剩余使用时间trem可根据下列公式(1)与(2)计算，其中Qmax为预设的额定容量。
RM＝(SOCi-SOCf)×Qmax/100…公式(1)
trem＝RM/IAVG…公式(2)
请参阅图6、图7与图8。图6显示依本发明一实施例的预测放电终点程序的流程图。图7显示对应于不同放电电流的估计电池电压/电量状态(State of Charge；SOC)的关系图，其中Dsg-V表示电池放电时的电压，Chg-V表示电池充电时的电压。图8显示对应于低放电电流、高放电电流及中放电电流等三种放电状况的最后电量状态SOCfinal估计的示意图。图6所示的预测放电终点(shooting EOD)程序的流程60可应用于上述流程50的步骤504。当流程60所示的预测放电终点程序开始执行时(步骤600)，可从一存储装置所储存的一对照表读取最大电流Imax与放电终止电压Vmin(步骤602)，并定义预测范围(shooting boundary)为介于一最低电量状态SOCmin与一最高电量状态SOCmax间的范围(步骤604)。最低电量状态SOCmin可设为0％，而最高电量状态SOCmax可设为电量状态S0，如图7所示，电量状态S0为当负载电流等于最大电流Imax且估计电池电压Vi等于放电终止电压Vmin时的电量状态。放电终止电压Vmin可为电池模块400的最低电池操作电压。步骤606用来根据最低电量状态SOCmin与最高电量状态SOCmax以定义一范围Δ为SOCmax-SOCmin，进而于步骤608将候选电量状态Si设为Δ/2(若SOCmin＝0则S1＝S0/2)，并根据从存储装置的对照表读取的内阻R以计算对应于候选电量状态Si的估计电池电压Vi(步骤612)。随电量状态与温度而变动的内阻R可从对照表的内阻R相对于电量状态SOC与温度T的对照关系而读出。一般而言，对照表提供内阻R相对于电量状态与温度的离散参数值的对照关系。因此，从对照表读取的内阻R可为对应离散温度T与候选电量状态Si的最接近匹配值。于流程60的运作中，电池模块400的电池电压V、放电电流I及温度T可被持续测量。若范围Δ小于或等于预设误差临界值(例如1％)，此时的候选电量状态Si即被认定是最后电量状态SOCfinal(步骤620)，并结束流程60(步骤622)。
于另一实施例中，流程60可被变更如下。放电电流I可通过欧姆定律而转换为对应于放电终止电压Vmin的放电终止内阻Rmin＝Vmin/I。根据所测量的温度，微处理器413可运用类似预测放电终点程序从对照表搜寻在范围Δ(如上述定义SOCmax-SOCmin)内对应于放电终止内阻Rmin的最逼近的电量状态。即，通过先计算放电终止内阻Rmin，流程60可直接将放电终止内阻Rmin与储存于对照表的内阻值作比较，而不需执行复杂运算以决定对应于候选电量状态的电池电压。
估计电池电压Vi可根据内阻R与放电电流I的相乘而产生。若范围Δ大于预设误差临界值，且估计电池电压Vi小于放电终止电压Vmin，则范围Δ更新为|Δ|/2(步骤614)。若范围Δ大于预设误差临界值，且估计电池电压Vi大于放电终止电压Vmin，则范围Δ更新为-|Δ|/2(步骤616)。在上述任一种状况下(步骤614或步骤616)，均将i的数值加1(步骤618，i＝i+1)。于i递增(步骤618)后，候选电量状态Si递减Δ/2(步骤610，Si-＝Si-1-Δ/2)。步骤610、612、614、616与618形成递归程序的迭代循环，如图8所示。通过此递归程序所决定的最后电量状态SOCfinal的误差小于预设误差临界值(步骤620)。在流程60决定最后电量状态SOCfinal的递归程序运作中，迭代循环的执行次数由SOCmax-SOCmin范围大小与预设误差临界值所决定。举例而言，若预设误差临界值为1％，且SOCmax-SOCmin范围在33％与64％间，则迭代循环需执行6次(6＝log2(64))，同理，对应于SOCmax-SOCmin范围在17％与32％间的迭代循环的执行次数为5次，对应于SOCmax-SOCmin范围在9％与16％间的迭代循环的执行次数为4次，其余同理类推。由上述可知，增加预设误差临界值可减少迭代循环的执行次数，反之，减少预设误差临界值则会增加迭代循环的执行次数。此外，减少SOCmax-SOCmin范围可减少迭代循环的执行次数，反之，增加SOCmax-SOCmin范围则会增加迭代循环的执行次数。
相较于现有技术需要执行N次迭代循环以决定最后电量状态SOCfinal，在流程60决定最后电量状态SOCfinal的递归程序运作中，迭代循环的执行次数仅约log2(SOCmax-SOCmin)。于最后电量状态SOCfinal被决定后，剩余容量RM与剩余使用时间trem可根据上述步骤510而决定。
图9是显示典型的电池充电运作关系图，其中横轴为时间轴。如图9所示，对应于一电池装置(例如上述电池装置400)的充电运作包含一定电流充电阶段与一定电压充电阶段。于定电流充电阶段中，先施加一前置充电电流IPre-CHg将电池装置充电至一第一电压(例如3.0伏特/电池单元)，然后再施加一固定充电电流ICHg将电池装置充电至一第二电压(例如4.2伏特/电池单元)，接着施加递减的结尾电流以保持电池装置的固定电压，直到结尾电流降低至终止电流Itermination就完成充电运作。请注意，在上述流程50，60中，电池装置400的内阻R于充电运作时被测量。由于充电运作时所施加的充电电流比放电运作时(即使用电池装置时)的放电电流更为稳定，所以储存于对照表的对应于每一电量状态与每一温度的内阻值数据较为精确，从而根据流程60所决定的最后电量状态SOCfinal也较为精确。
综上所述，在本发明流程50，60的运作中，所提供电池装置的最后电量状态、剩余容量与剩余使用时间的估算结果显然比现有技术较不受放电电流影响，故具有较小的估算误差，而且所需的递归计算量显著少于现有技术，即，可提供快速精确的估算运作。
虽然本发明已以实施例公开如上，然其并非用以限定本发明，任何本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种变更与润饰，因此本发明的保护范围当视权利要求所界定的为准。
以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (5)

1.一种电池装置的剩余容量与剩余使用时间的估算方法，该估算方法于该电池装置的一放电运作中进行，其特征是，包含：
决定该电池装置的一起始电量状态；
决定该电池装置的一放电电流；
利用一预测放电终点程序以决定一对应于该放电电流的最后电量状态；以及
根据该最后电量状态决定该剩余容量与该剩余使用时间；
其中利用该预测放电终点程序以决定对应于该放电电流的该最后电量状态的步骤包含：
建立一包含对应于温度与电量状态的离散内阻值的对照表；
设定一放电终止电压；
根据该放电终止电压与该电池装置的一最大放电电流以设定一最高电量状态；
根据对应于一候选电量状态的该放电电流与该内阻值决定对应于该候选电量状态的一电池电压，其中该候选电量状态在该最高电量状态减去一最低电量状态的一范围内；
将该范围半分为一半范围；
于该电池电压小于该放电终止电压时，降低该候选电量状态，其中该候选电量状态的降低量等于该半范围；
于该电池电压大于该放电终止电压时，增加该候选电量状态，其中该候选电量状态的增加量等于该半范围；以及
于该范围小于或等于一预设误差临界值时，选择该候选电量状态作为该最后电量状态。
2.如权利要求1所述的估算方法，其特征是，决定该电池装置的该放电电流的步骤包含：
于该放电运作中，测量从该电池装置流出的一电流；以及
利用该电流随时间变动的平均值以产生该放电电流。
3.如权利要求1所述的估算方法，其特征是，建立包含对应于所述温度与所述电量状态的所述内阻值的该对照表的步骤包含：
设定对应于所述电量状态的多个离散状态点；
于该电池装置的一充电周期内的各该离散状态点上，测量一电池电压、一电池电流及一电池温度；
于各该离散状态点上，将该电池电压除以该电池电流以计算出对应于各该离散状态点的内阻值；以及
将对应于各该离散状态点与各该电池温度的内阻值储存于该对照表。
4.如权利要求1所述的估算方法，其特征是，根据该最后电量状态决定该剩余容量与该剩余使用时间的步骤包含：
决定该剩余容量为额定容量×(起始电量状态-最后电量状态)/100。
5.如权利要求4所述的估算方法，其特征是，根据该最后电量状态决定该剩余容量与该剩余使用时间的步骤还包含：
决定该剩余使用时间为电池剩余容量/平均电流。
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