CN100386643C - 二次电池剩余容量检测方法和电池组 - Google Patents

二次电池剩余容量检测方法和电池组 Download PDF

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Abstract

一种二次电池剩余容量检测方法，包含如下步骤：检测多个二次电池的温度；检测多个二次电池的电流和端电压；使这些温度、电流以及端电压数字化；从数字化的温度、电流和端电压计算电池极化电压；从计算的电池极化电压和检测的端电压二者计算初始电池电压；以及参考预先安排的剩余容量参考数据表以所述计算的初始电池电压为基础计算剩余容量率。

Description

二次电池剩余容量检测方法和电池组
技术领域
本发明涉及一种二次电池剩余容量计算方法和电池组，更具体地，涉及一种包含微型计算机的电池组中剩余容量计算方法以及电池组。
背景技术
目前，提供一种包含二次电池如锂离子二次电池的电子设备，例如作为便携式电子设备电源。在包含锂离子二次电池的电子设备中，检测完全充电以防止锂离子二次电池的过充电状态，同样地，从锂离子二次电池的端电压检测最终的放电电压以防止过放电状态。例如，设置电子设备提供控制以便当检测到最终的放电电压时使***停止。
作为如上所述的电子设备的充放电控制，提供例如一种利用锂离子二次电池端电压的剩余容量计算方法(下文将其称作电压方法)。
具体地，提供一种表达在放电时充电型电池端电压与剩余容量关系的技术，该技术参考图计算允许终止放电的容量(零容量)，并利用上述的零容量校正累积的剩余容量，以校正由电流积分、随充电型电池负载电流的容量改变和随退化的容量改变等引起的累计误差的效应，由此允许高精度检测剩余容量，同样利用通过另外包含放电电流的关系产生的三维图而允许零容量中的误差最小化，而且通过利用进一步包括退化特性的四维图还允许进一步提高剩余容量的检测精度(例如，见专利文献1)。[专利文献1]日本专利申请公开No.2001-281306
发明内容
然而，二次电池的端电压很大程度上随如流过连接的负载的电流、温度和退化等参数而进行波动，以致利用电压方法的更精确控制需要提供作为表的例如用于每个参数的参考值。
对于所有参数中每一个的表的安排需要许多表，其导致包含在微型计算机中的ROM(只读存储器)的浪费，导致难以随机增加表数量的问题。
而且，从利用实际参数已经评价的结果计算包含在表中的数据，以便在假设的环境下可保持高的精确度，反之产生的的问题是仅轻微地偏离实际参数就易于引起不希望的大误差。
而且，减少表的数量可降低存储容量，但导致指定为参照的参数数量降低，以致指定为交互表(inter-table)(交互条件)值的值需要用于内插参数的计算表达式。在存在需要进行参数之间内插的内插涉及如下问题：非常难以抑制由考虑参数相互作用进行的内插所引起的误差。
通常可利用为锂离子二次电池中剩余容量计算方法的电流积分方法是可采用的***以满足充电电量Q和放电电量Q两者相等的锂离子二次电池的特性。该方法允许二次电池在其制造后的最初阶段以高精确度计算剩余容量。
然而，测量误差、在长期保存条件下的自放电以及电池退化等效应使得需要消除累积电量的误差，即通过自制造后长时间逐渐失效或超过几百次的反复充电和放电的学习(learning)。此时，当测量端电压作为需要允许进行学习(learning)的校正参考数据时，在锂离子二次电池的情况下的学习通常发生在经过大放电电压改变的上一放电阶段。
然而，在到现在为止利用电流积分通过计算已经获得的分量以及以利用电压测量结果进行学习这样的方式通过误差消除而获得的分量之间的值的大波动频繁发生。特别地，在电池的情况下，如对于商用照相机采用的电池，其中在上一放电阶段中计算剩余放电时间的精确度被考虑为最重要的一点，在上一放电阶段进行学习涉及问题：自然不能高精确度计算上一放电阶段中的剩余放电时间。
而且，当高精确度的计算剩余容量需要长时间时，学习应当在不导致任何错误的学习的情形来进行。然而，当以电压为基础设置学习数据时，很难能防止错误学习。这可归因于一个事实，即锂离子二次电池的端电压随温度进行电压波动，且由退化条件以及突然的负载波动等还引起大的电压波动。不可能允许微型计算机安全地获得这些参数。
因此，本发明已着手解决上述的问题，且具体地，是意图提供一种二次电池剩余容量检测方法，其目的是使表的容量最小化以存储在包含在微型计算机中的存储器中，手动总是计算连续的自然剩余容量，以便免于在内插时引起的误差以及与在转换参考表时产生的计算值步进无关，还提供一种电池组。
根据本发明的一个实施例，为了解决上述的问题，提供一种二次电池剩余容量检测方法，包括如下步骤：检测多个二次电池的温度，检测多个二次电池中每一个的电流和端电压，使温度、电流和端电压数字化，从数字化的温度、电流和端电压计算电池极化电压，从计算的电池极化电压和检测的端电压二者计算初始电池电压，参考预先安排的剩余容量参考数据表以计算的初始电池电压为基础计算剩余容量率，通过所述计算的剩余容量率的积分计算累积的放电率，以及不论何时所述计算的累积放电率达到预定值，就增加充放电计数值。
根据本发明的另一实施例，提供一种电池组，其包括：多个二次电池，检测多个二次电池温度的电池温度检测装置，检测多个二次电池中每一个的电流和端电压的电压电流检测装置，使温度、电流和端电压数字化的控制装置，该控制装置从数字化的温度、电流和端电压计算电池极化电压，从计算的电池极化电压和检测的端电压二者计算初始电池电压，以及参考预先安排的剩余容量参考数据表以计算的初始电池电压为基础计算剩余容量率，以及用于通过所述计算的剩余容量率的积分来计算累积放电率、并且用于不论何时所述计算的累积放电率达到预定值时就增加充放电计数值的装置。
如上所述配备电池温度检测装置、电压电流检测装置和控制装置，使电池温度、电流和端电压数字化(成为数字值或系数)，以允许只参考预先安排的剩余容量参考数据表计算剩余容量率。
根据本发明，温度、负载和退化特性等全都以系数(或数字值或数字化的)表达，以允许采用单个计算表达式满足计算，使得在扩展到其它类型的设备时省去了对于许多表估计充电和放电的需要。
根据本发明，将多个常规的现有电池电压-剩余容量率表统一成单个表允许其容量最小化，以便可获得微型计算机中存储容量的有效利用。
而且，根据本发明，即使某些特性系数是有误差的，仅需要对误差的系数再估计和再设置以确保容易执行再检查。
根据本发明，剩余容量计算基数全都以基于相对值的比率(百分比值)计算，且以以前计算的相对剩余容量率等为基础重新计算绝对值如剩余容量值，使得根本不必担心绝对值(剩余容量值)误差的累积。当测量误差和电池退化导致在满充电容量和测量的累积容量之间不一致时，而需要电流积分方法确保校正绝对值时，本发明消除了其校正的需要。
根据本发明，没有必要对计算的剩余容量实行校正，使得消除了由存在或不存在校正而产生的任何步进(stepping)以确保自然连续特性的结果总是可获得的。
根据本发明，以最终的放电电压为基础进行主要的电子设备的断路(breaking)，以便通过利用相似的电压方法计算剩余容量的***容易地提供与电子设备的匹配。
根据本发明，提供最终放电预测点，使得即使偏离IR电压降(电池极化电压)IRV值，当接近最终的放电电压时，也可以自然地进行偏离值的校正。
根据本发明，即使涉及放电期间的充电和闲置状态等，利用在放电时获得的相对剩余容量率进行的放电率积分允许正确地计数充放电循环。通过对于计算的相对充电率的利用，提供特征以允许与易受退化影响的状态(如高负载的状态)成正比地计数较高的累积放电率，使得可容易检测最初的二次电池退化。
根据本发明，关于二次电池退化，分开管理二次电池的内电阻和满充电容量(放电容量)的效应，因此其可独立地设置以便与特性相匹配。
根据本发明，提供与最初二次电池退化特性的匹配，使得即使在退化的条件下也可以跟随温度变化和负载波动等的恰当方式获得剩余容量精确度。
本发明的剩余容量检测方法应用到包含微型计算机的电池组，使得总是能获得连续的自然剩余容量计算值，而没有导致微型计算机存储容量的浪费，也不受随如环境条件和退化的情况而改变的影响。
附图说明
图1是用于说明根据应用本发明获得的电池组的一个实施例的方块图。
图2A和图2B是用于说明有关本发明控制的流程图。
图3是用于说明根据应用本发明获得的电池组的无负载状态的特性图。
图4是用于说明根据应用本发明获得的电池组的放电状态(负载连接状态)的特性图。
图5是用于说明锂离子二次电池应用到本发明的方块图。
图6是用于说明温度系数应用到本发明的特性图。
图7是用于说明循环数应用到本发明的特性图。
图8是用于说明剩余容量计算应用到本发明的特性图。
池组19的正极侧连接正极端子20，而其负极侧通过电阻18连接负极端子21。具体地，正极端子20连接参考电压，而负极端子21接地。形成二次电池组19的多个二次电池的每一个例如为锂离子二次电池。电阻18为电流检测电阻。
串联连接的电阻14和热敏电阻15以及串联连接的电阻16和热敏电阻17介于正极端子20和地之间。电阻14和热敏电阻15之间的连接点以及电阻16和热敏电阻17之间的连接点连接微型计算机12。
用于与外部通信采用的通信端子22、23和24从连接负极端子21的微型计算机12伸出。微型计算机12连接EEPROM(电可擦除和可编程只读存储器)13。EEPROM13连接参考电压和负极端子21。
连接正极端子20的电压电流检测电路11连接形成二次电池组19的多个二次电池的正极和负极侧，并且还连接电阻18的相对两端。电压电流检测电路11还连接微型计算机12。
具体地，对于锂离子二次电池的使用，一定要提供保护电路。然而，由于保护电路与本发明没有直接关系，因此省略图1中保护电路的结构。
电压电流检测电路11包含能够检测多个二次电池中每一个端电压的电压放大器以及通过由电阻18引起电压降的放大来检测电流的放大器。而且，可将由微型计算机12选择的二次电池的端电压作为模拟信号从电压电流检测电路11供给微型计算机12。同样地，还将由电压电流检测电路11检测的电流作为模拟信号供给微型计算机12。
在微型计算机12中，利用包含在微型计算机中的A/D转换功能将自电压电流检测电路11供给的端电压和电流数字化(为数字值)。在微型计算机12中，由于温度的改变热敏电阻15的阻值改变，使得将借助电阻电压划分获得的模拟电压供给参考电阻。利用包含在微型计算机12中的A/D转换功能使来自热敏电阻15的电压数字化以允许检测衬底温度。
同样地，在微型计算机12中，由于温度的改变热敏电阻17的阻值改变，使得将借助电阻电压划分获得的模拟电压供给参考电阻。利用包含在微型计算机12中的A/D转换功能将来自热敏电阻17的电压数字化以允许检测二次电池组19的电池温度。当检测的衬底温度和检测的电池温度之间的差超过规定值时，微型计算机判断热敏电阻15和17之一处于断开状态，然后可控制电池组停止。
而且，程序存储在微型计算机12中，以便进行规定的控制，并且以供给的数据为基础进行算术处理。微型计算机还包括剩余容量参考数据表存储部件，使得参考包含的表计算剩余容量。
即使二次电池组19进入过放电状态也希望保持的如退化系数和循环数的数据，存储在EEPROM13中。
参考图2A和2B的流程图现在描述上述实施例的控制。在步骤S1中，利用包含在微型计算机中的A/D转换功能将来自电压电流检测电路11的端电压和电流、来自热敏电阻15的衬底温度以及来自热敏电阻17的电池温度数字化。
在步骤S2中，从数字化的电流来判断负载是否连接到电池组。当判断连接了负载时，则控制移动到步骤S4。相反，当判断没有连接负载时，换句话说，没有施加负载，则控制移动到步骤S3。当判断时在进行充电时，还判断连接了负载，且控制移动到步骤S4。具体地，如果存在阈值，输入的电流值不大于阈值时，则判断保持无负载状态。相反，当输入的电流值超过阈值时，则通过由电流符号判断电流方向来判断是否在进行充电或放电。
在步骤S3中，参考如图3的电池电压-剩余容量率表所示出的无负载时放电曲线31获得剩余容量率。在包含在微型计算机中的剩余容量参考数据表存储部分中预先放置电池电压-剩余容量率表。在如上所述无负载状态的情况下，在稳定状态提供电池电压-剩余容量率关系，使得参考图3中示出的电池电压-剩余容量率表，可从检测的端电压直接计算剩余容量率。接下来，控制移动到步骤S13。
另一方面，对于在负载电流或充电电流流动时的电池电压，显示出相当不同的剩余容量。因此，即使参考图3的电池电压-剩余容量率表中示出的无负载时的放电曲线31，也不能从如从电压电流检测电路11供给的端电压值获得精确值。事实上，在从无负载时放电曲线31向下移动的条件下提供放电时放电曲线32(在负载连接时的时间处)。在15V电池电压的情况下，例如，如果在进行放电则获得约90％的剩余容量，而在无负载施加时获得的剩余容量约为60％。
由二次电池内电阻引起的电压降为如下原因，即以在连接负载时检测的电池电压为基础未参考剩余容量率。锂离子二次电池的内电阻高于其它二次电池，例如镍铬(NiCd)二次电池和镍氢(NiMH)二次电池。因此，在连接负载时内或在充电时出现高的电压降(以下称作电池极化电压IRV)。还涉及随着周围环境温度和退化状态等电池极化电压IRV的大波动的效应。
电池极化电压IRV给定为在连接负载44时通过允许自二次电池43的电流45流过从而在锂离子二次电池41的内电阻42中出现的电压降，如图5所示。因此，假设锂离子二次电池41的检测的端电压为Vo，例如通过从二次电池43的初始电池电压OCV减去电池极化电压IRV分量可以得到端电压Vo。而且，充电时的电流45在放电时电流流动的相反方向流动，使得由电池极化电压IRV分量加上二次电池43的初始电池电压OCV获得端电压Vo。
因此，根据表达式(1)表示在放电时(在连接负载时)锂离子二次电池41的每一个的端电压Vo，而在充电时根据表达式(2)表示。
Vo＝OCV-IRV    ......(1)
Vo＝OCV+IRV    ......(2)
这里，通过在放电方向将加号赋值到电流值且在充电方向将减号赋值到电流值，根据以下的表达式(3)可以得到表达式(1)和表达式(2)。这使单一计算表达式能适用于满足对于充电时和放电时两者的计算。
Vo＝OCV-IRV   ......(3)
而且，从上述的表达式(3)推出以下的表达式(4)。
OCV＝Vo+IRV   ......(4)
因此，即使在步骤S2中判断连接了负载，也可以借助利用上述的表达式(4)的电池极化电压IRV的加法或减法，参考具有来自检测的端电压Vo的无负载时放电曲线的电池电压-剩余容量率表来获得剩余容量率，而不管充电或放电时。
然而，当计算电池极化电压IRV时，需要将电压降分量的标准值设定为常量。如上所述，这是因为电池极化电压IRV经受随环境温度和退化条件等的大波动。接着，从通过容许电流在最初状态瞬间流动而产生的电压降(电池极化电压)可以计算的值规定为电池Imp标准值，假设周围温度为25度。
电池Imp标准值＝IRV/I    ......(5)
利用上述表达式(5)获得的计算值是具有规定为室温的25度温度的最初状态的电池标准值。因此，还通过以规定为“1”的值表示25度的室温来预置作为系数处理的温度特性。
在上述实施例中，参考包含在微型计算机12中的温度系数表(见图6)，从热敏电阻17获得的二次电池组19-电池温度来计算温度系数。即使在中间温度，还通过计算从其有关值内插获得的值找到温度系数。根据表达式(6)和表达式(7)可以得到温度系数的计算表达式。这里，假设直流Imp为极化电压/电流，换句话说，在出现1(A)电流流过时的电压降低分量(在放电时)或电压升高分量(在充电时)。
直流Imp＝(无负载时电压-每个温度环境下的放电电压)/电流                                         ......(6)
温度系数＝直流Imp/在25度时的直流Imp    ......(7)
另外，具有内电阻效应的因素也包括退化，且关于退化，类似地，还利用预测量的数据计算系数。然而，如由表达式(8)和图7中所示，以直线形提供退化系数，而不同于温度系数。因此，在上述实施例中，将退化系数增加规定的循环的增量，具体地，例如为50循环增量，而没有分开提供用于退化系数的表。退化系数的最初值也为“1.00”。
退化系数＝退化系数+常量(系数增量)      ......(8)
如上所述，根据以由预估算获得的规定数据为基础，以系数形式表示温度和退化特性。接着，以下描述控制计算剩余容量率。在步骤S2中，判断进行放电或充电，并控制移动到步骤S4。
在步骤S4中，利用上述的表达式(6)和表达式(7)计算温度系数。在步骤S5中，利用表达式(9)计算由图8中参考数字81示出的电池极化电压IRV。
IRV＝电池Imp标准值(常量)×温度系数×退化系数×电流值
                                       ......(9)
在步骤S6中，利用上述表达式(4)通过使用检测的端电压来计算由图8中参考数字82示出的初始电池电压(二次电池43的端电压)OCV。
在步骤S7中，参考来自计算的电池电压OCV的电池电压-剩余容量率表，从无负载时放电曲线31获得由图8中参考数字83示出的剩余容量率。然而，该剩余容量率给出为无负载时放电位置，换句话说，为暂时的剩余容量率，使得有必要进行处理以计算要在考虑负载的条件下获得的相对充电率。
在步骤S8中，从检测的电流方向判断是否在进行放电。当判断在进行放电时，则控制移动到步骤S9。相反，当判断在进行充电时，则控制移动到步骤S20。
在步骤S9中，计算由图8中参考数字84示出的最终放电预测点。例如，在硬碳型锂离子二次电池的情况下，放电容量随着负载条件大大地改变。因此，在上述实施例中，计算最终的放电预测点以获得全部的电池放电容量，即可放电容量率，其中全部的电池放电容量表示二次电池在现有负载状态中如何可放电。使用以下计算方法：通过将最终的放电电压加上如通过利用计算的电压来参考电池电压-剩余容量率表的表达式(10)所示的先前计算的电压降IRV，来计算最终放电时电压(二次电池43的端电压)OCV。
最终的放电时电压OCV＝最终的放电电压+IRV    ......(10)
在步骤S10中，如表达式(11)所示，从100％无负载时电池容量减去最终的放电预测点，并计算由图8中参考数字85示出的可放电容量率。
放电容量率＝100％-最终的放电预测点         ......(11)
在步骤S11中，如表达式(12)所示，从暂时的剩余容量率和最终的放电预测点计算可放电剩余容量率，并通过获得的可放电剩余容量率值除以全部的可放电容量率来计算由图8中参考数字86示出的相对的剩余容量率。
相对的剩余容量率＝(暂时的剩余容量率-最终的放电预测点)/可放电容量率                                         ......(12)
当进行充电时，从利用上述的表达式(4)计算的电池电压OCV，参考电池电压-剩余容量率表中所示的无负载连接时放电曲线31，在步骤S20中获得相对剩余容量率。锂离子二次电池的充电***涉及恒流和恒压充电，使得不同于放电时，在充电时不进行最终放电预测点的计算(步骤S9、可放电容量的计算(步骤S10)以及相对的剩余容量的计算(步骤S11)。而且，对于充电时的充电容量，假设参考容量为100％。
在步骤S12中，从计算的相对剩余容量率计算剩余容量。如由表达式(13)所示，计算通过从表达式(11)获得的可放电容量率乘规定的参考容量值可获得的可放电容量。然后，如由表达式(14)所示，通过从表达式(12)获得的相对剩余容量率乘在先计算的可放电容量可以计算剩余容量。
可放电容量＝参考容量值×可放电容量率/100    ......(13)
剩余容量＝可放电容量×相对剩余容量率/100    ......(14)
在步骤S13中，计算累积的放电率以计数充电/放电循环。如由表达式(15)所示，从在先检测时获得的相对剩余容量和现在检测时获得的计算的相对剩余容量率之间的差计算Δ剩余容量率，上述计算以这种方式实现：提前存储在先检测时获得的相对容量率。然后，如由表达式(16)所示，通过上述剩余容量率的积分计算累积的放电率。
Δ剩余容量率＝在先测量时的相对剩余容量率-现在的相对剩余容量率
                                           ......(15)
累积的放电率＝累积的放电率+Δ剩余容量率    ......(16)
在步骤S14中，判断计算的累积放电率是否不小于100％。当判断累积的放电率不小于100％时，控制移动到步骤S15。相反，当判断累积的放电率小于100％时，流程图结束。在以下的处理中，采用不论何时累积的放电率达到100％时使循环数增值的方法，由此即使涉及放电过程中的充电和闲置的状态等，也可以正确地进行循环计数以保证可容易检测初始电池退化。
在步骤S15中，循环数加1。在步骤S16中，使累积的放电率复位。
在步骤S17中，判断循环数是否达到50的倍数。当判断循环数达到50的倍数时，则控制移动到步骤S18。相反，当判断循环数还没有达到50的倍数时，则结束该流程图。
在步骤S18中，加上由上述表达式(8)获得的退化系数。在步骤S19中，减去锂离子二次电池的参考容量。步骤S18和S19的控制是对于如下事实所必需的处理，即锂离子二次电池的退化具有不仅降低内电阻而且降低放电容量的特性，如上所述。然后，结束流程图。
在上述实施例中，二次电池组19由串联连接的多个二次电池构成。可选地，二次电池组19可以为并联连接的多个二次电池或串联和并联连接的多个二次电池。
在上述实施例中，不论何时循环数达到50的倍数，进行退化系数的增加和参考容量的减去。可替代地，用于退化系数的增加和参考容量的减去的循环数并不限于50的倍数。

Claims (6)

1.一种二次电池剩余容量检测方法，包括如下步骤：
检测多个二次电池的温度；
检测所述多个二次电池中每一个的电流和端电压；
使所述的温度、所述的电流以及所述的端电压数字化；
从所述数字化的温度、电流和端电压计算电池极化电压；
从所述计算的电池极化电压和所述检测的端电压计算初始电池电压；
参考预先安排的剩余容量参考数据表以所述计算的初始电池电压为基础计算剩余容量率；
通过所述计算的剩余容量率的积分计算累积的放电率；以及
不论何时所述计算的累积放电率达到预定值，就增加充放电计数值。
2.根据权利要求1的二次电池剩余容量检测方法，其中所述计算所述电池极化电压的步骤包含：
计算最终的放电预测点；
在负载被连接到电池的条件下获得全部的电池放电容量，以及
计算相对的剩余容量率。
3.根据权利要求1的二次电池剩余容量检测方法，所述方法还包括：
不论何时所述的充放电计数值达到预先指定的值，就增加退化系数并减去参考容量。
4.一种电池组，包括：
多个二次电池；
用于检测所述多个二次电池温度的电池温度检测装置；
用于检测所述多个二次电池中每一个的电流和端电压的电压电流检测装置；
控制装置，该控制装置用于使所述的温度、所述的电流和所述的端电压数字化，从所述数字化的温度、电流和端电压计算电池极化电压，从所述计算的电池极化电压和所述检测的端电压两者计算初始电池电压，并参考预先安排的剩余容量参考数据表、以所述计算的初始电池电压为基础来计算剩余容量率；以及
用于通过所述计算的剩余容量率的积分来计算累积放电率以及用于不论何时所述计算的累积放电率达到预定值时就增加充放电计数值的装置。
5.根据权利要求4的电池组，其中：
所述的控制装置计算最终的放电预测点，在负载被连接到电池的条件下获得全部的电池放电容量，并且计算相对的剩余容量率。
6.根据权利要求4的电池组，还包括：
不论何时所述充放电计数值达到预先指定的值时，用于增加退化系数，以及减去参考容量的装置。
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