CN102104259B - 一种可充电电池的电量检控方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可充电电池的电量检控方法和装置，该方法其步骤包括：检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；根据剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；根据当前内阻确定容量校准阈值电压；根据阈值电压和累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。该电量检控方法具有精度高、便于实现等优点。与此对应地，可充电电池的电量检控装置，包括检测模块、内阻更新模块、阈值电压校准模块以及电量校准模块，具有操作方便简单、测量精度高等优点。

Description

一种可充电电池的电量检控方法和装置

技术领域

本发明涉及电池检测与控制领域，具体地是涉及一种可充电电池的电量检控方法和装置。

背景技术

可充电电池广泛应用于便携式电子产品中，因其能够多次重复使用而具有使用效率高、节能环保的优点，但是在可充电电池持续使用和充放电循环次数增加的情况下，电池性能会逐渐退化，导致电池的容量会逐渐减少，从而会影响电池的工作状态，因此对电池电量的精确检测并调控是保证电子产品正常工作的重要因素之一。

目前，以Li、Fe等材料制作而成的可充电电池具有充电时间短、工作性能稳定、安全性好、使用寿命长的优点，是市场上的主流产品。根据Li、Fe等可充电电池的充放电情况以精确估算电池的电量主要采用如下的几种方案：

1、电压法。该方法以监测电池两端电压来间接估计电池的电量，原理在于同种型号的电池的开路电压和电量之间存在严格的对应关系。当电池处于电流为0的闲置状态的时候，直接测电池两端电压即为开路电压。该方法可以比较精确的估算电池电量，但是当电池处于充电或者放电等电流较大的状态时，无法测出电池开路电压，从而导致不能精确地估算电池电量，在实践中存在一定难度。

2、库仑法。该方法依据库仑定律和微积分原理，结合Li电池近似为1的充电效率，估算电池电量。

$Q=I\×t\⇒Q=\underset{0}{\overset{T}{\∫}}\mathrm{Idt}---\left(1\right)$

该方法中，只要时间间隔dt足够小，就能保证电量Q的检测精确度，电流测量方便，易于实现。但是，当经过多次循环的电流累积之后，误差将增大，并且电池使用环境发生变化后，电量也随之发生变化，这种方法无法适应这种变化，导致误差增大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的是要提供一种测量精度高且便于实现的可充电电池的电量检控方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种可充电电池的电量检控方法，其步骤包括：检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；根据剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；根据当前内阻确定容量校准阈值电压；根据阈值电压和累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。

本发明的有益效果在于，该可充电电池的电量检控方法同时兼顾电压法和库仑法的优点，以库仑法来累积电流，即使在无法测量开路电压时也可以估算电池电量，同时又利用电压来修正库仑法估算电池电量引起的误差，该方法具有测量精度高且便于实现等优点，具有广泛的应用前景。

与此对应地，本发明还提供了一种可充电电池的电量检控装置，其包括：检测模块，其用于检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；内阻更新模块，其用于根据剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；阈值电压校准模块，其用于根据当前内阻确定容量校准阈值电压；以及电量校准模块，其用于根据阈值电压和累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。该装置具有结构简单、便于操作且精度高等优点，有效地提高了对可充电电池电量的检测和控制的可靠性和稳定性。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是根据本发明实施例的电量检控方法的流程图；以及

图2是根据本发明实施例的电量检控装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。

根据本发明实施例的可充电电池的电量检控方法，大致流程如图1所示，其主要步骤包括：检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；根据剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；根据当前内阻确定容量校准阈值电压；根据阈值电压和累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。各步骤具体操作过程如下：

步骤S101：检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和变化电量更新当前时间段的剩余可用电量。

在监控充入或者放出电量的电量变化状态时，主要采用电流检测器、电压检测器、定时器和库仑计等。

其中，电流检测器由高精度的电流检测模块组成，提供精确的电流参量current，在充电状态时，电流为正，在放电状态时，电流为负。

电压检测器由高精度的电压检测模块组成，提供精确的电压参量voltage。

定时器由高精度的计时模块组成，可以提供精确的定时信号，固定时间隔为1s。

库仑计按照库仑法检测可充电电池当前时间段的变化电量，其根据定时器固定时间隔累加一次电流，该固定时间隔在本实施例中一般设计为1s，然后利用Q＝I*T的原理计算充入或流出电池的电量。

假设第1s检测到current＝100mA，第2s检测到current＝-200mA，第3s检测到current＝820mA，那么经过3s后库仑计检测到充入的电量为100-200+820＝720mAs＝0.2mAh。

该库仑计只会改变电池剩余可用电量RemainingCapacity和电池放电电流累积DischargeCapacity，假设前一时间电池剩余可用电量，即当前时间段的剩余可用电量初始值为RemainingCapacity0，那么当前电池剩余可用电量为

Re mainingCapacity＝Re mainingCapacity0+current      (2)

若处于有效放电模式，即该放电的起始点是满电量状态，直至当前无充电状态为止或者空闲状态发生，假设此前时间电池放电电流累积为DischargeCapacity0，那么当前电池放电电流累积为

DischargeCapacity＝DischargeCapacity0+|current|        (3)

若处于近似满充状态，该近似满充状态定义为voltage＞FCV，且current＜FCI，其中FCV为电池接近满充电压，表示电池快充满电时的电压，其小于电池充满时的电压，FCI为电池接近满充电流，表示电池快充满电时的电流，其大于电池充电截止电流，则当前放电电流累积为

DischargeCapacity＝DischargeCapacity0-|current|        (4)

假设时间间隔为1s，剩余容量的单位为mAh，电流单位为mA，那么上述公式应该修正为

Re mainingCapacity＝Re mainingCapacity0+current/3600    (5)

DischargeCapacity＝DischargeCapacity0+|current|/3600    (6)

步骤S102：根据剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻。

在步骤S102中采用内阻检测器以实时监测电池内阻的变化，并更新内阻Rb。首先根据当前时间段的满充可用电量和当前时间段的剩余可用电量计算当前时间段的绝对剩余容量百分比；然后根据绝对剩余容量百分比对应的开路电压计算出所述当前内阻。

首先计算当前时间段的绝对剩余容量百分比ASOC，公式为：

ASOC＝1-(FullCharg eCapacity-Re mainingCapacity)/Q max    (7)

其中，Q_max为电池满充时绝对存在的容量。

查询电池开路电压、绝对剩余容量百分比和特定温度对应下内阻的对应关系表格，即OCV-ASOC-Rb表格，利用其中OCV-ASOC表格得到绝对剩余容量百分比ASOC对应的开路电压OCV(ASOC)，近似计算出电池当前内阻Rb，计算方法为

Rb＝(OCV(ASOC)-voltage)/|current|        (8)

为保证计算精度，current必须足够大。

步骤S103：根据当前内阻确定容量校准阈值电压。

步骤S103采用阈值电压自动更新模块来完成，用于自动更新阈值电压ThreVol6，首先计算当前时间段电池内阻的老化系数；然后根据老化系数计算当前时间段放电截止时的绝对剩余电量百分比；接着由放电截止时的绝对剩余电量百分比计算放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比；最后由放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比计算容量校准阈值电压。具体而言：

首先根据绝对剩余容量百分比与电池内阻Rb的对应关系ASOC-Rb表格查表确定当前状态绝对剩余容量百分比对应的电池内阻Rb(ASOC)，并计算当前时间段电池内阻的老化系数Ra为

Ra＝Rb/Rb(ASOC)                    (9)

其中，Rb为当前内阻检测器更新后的内阻，Rb(ASOC)为当前ASOC状态下查表所得的新电池内阻。

然后采用逐次逼近的迭代方法确定放电截止时的绝对剩余电量百分比，记为ASOC0，假若当前时间段绝对剩余电量百分比为ASOC1，那么将ASOC＝ASOC1-n％代入以下公式

OCV(ASOC)-|current|×Ra×Rb(ASOC)            (10)

若上述公式(10)计算的结果大于电池剩余可用电量为0％时电池两端的电压ThreVol0，那么继续将ASOC＝ASOC1-(n+n)％，也就是令n＝n+n代入上式，重复上述迭代步骤直至出现上式计算的结果小于ThreVol0，那么此时的ASOC即是ASOC0。

其中，调整步长n为正数，n越大，则ASOC0精度越低，计算复杂度越低；n越小，则精度越高，但计算复杂度也就越高。

接着，确定剩余可用电量为6％时电池两端的电压ThreVol6对应的绝对剩余电量百分比ASOC6。由于可充电电池在实际使用过程中，如果放电至0％后才充电将极大地影响电池性能并降低电池使用寿命，因此本发明实施例选用剩余电量降低到6％为启动充电的临界值，有助于保持电池处于较佳的工作状态。通过如下公式计算ASOC6为

ASOC6＝ASOC0+(1-ASOC0)×0.06            (11)

最后更新ThreVol6并将其作为容量校准阈值电压，方法如下

ThreVol6＝OCV(ASOC6)-Ra×Rb(ASOC6)×|current|        (12)

步骤S104：根据阈值电压和累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。

实时更新可充电电池的实际电量通过容量校准器来完成。容量校准器将会根据阈值电压和累积变化电量并结合电池电压voltage自动校准电池剩余可用电量RemainingCapacity以及电池满充可用电量FullChargeCapacity，以作为下一个检测时间段的初始值，更新的过程具体为：

在充电状态时，判断电池第一次进入近似满充状态，校准RemainingCapacity和DischargeCapacity为

Re mainingCapacity＝FullCh arg eCapacity-NearFCC        (13)

Disch arg eCapacity＝NearFCC                            (14)

其中，NearFCC表示电池当前状态和充满电状态之间的容量差，即电池近似满充电量。

在放电状态时，当voltage第一次达到电池剩余可用电量为6％时电池两端的电压ThreVol6，也就是容量修正阈值电压，则校准FullChargeCapacity，校准方法如下

FullChargeCapacity＝DischargeCapacity/0.94            (15)

校准完FullChargeCapacity，再校准RemainingCapacity为

Re mainingCapacity＝FullCh arg eCapacity-DischargeCapacity    (16)

然后定义电池老化系数AS为电池老化后满充可用电量FullChargeCapacity和新电池设计容量DesignCapacity的百分比，计算方法为

AS＝FullCh arg eCapacity/DesignCapacity                (17)

在放电状态，当RemainingCapacity＜＝0.06*FullChargeCapacity，且voltage＞ThreVol6，则校准RemainingCapacity，校准方法如下

Re mainingCapacity＝FullCh arg eCapacity×0.06        (18)

若电池连续处于闲置状态2小时以上，即无充放电情况发生持续2小时以上，则每15分钟更新一次RemainingCapacity，方法为将voltage作为开路电压代入电池开路电压和绝对剩余容量百分比的对应关系OCV-ASOC表格，查表得到该开路电压对应的绝对剩余电量百分比，记为ASOC(voltage)，则

Re maingCapacity＝FullCh arg eCapacity-(1-ASOC)×Qmax    (19)

步骤S104的计算结果将作为下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。随着时间的推移，重复执行步骤S101至步骤S104就可以实现对可充电电池电量的实时检测和控制，从而可以使可充电电池保持比较稳定的工作状态，提高使用效率，延长使用寿命。

图2示出了根据本发明的电量检控装置的结构。该电量检测装置包括检测模块1、内阻更新模块2、阈值电压校准模块3和电量校准模块4等。其中，检测模块1采用库仑计以利用库仑法检测变化的电量，并采用电流检测器、电压检测器和定时器等来提取可充电电池的各种状态参数。内阻更新模块2主要采用内阻检测器以更新电池的内阻。阈值电压校准模块3主要用于根据电池的老化情况来重新确定该可充电电池的阈值电压。电量校准模块4主要采用容量校准器以校准电池实际可用满充电量和实际可用剩余电量。

考虑到该电量检控装置在进行检测和控制的过程中通常需要进行大量的数值计算，因此在检测模块1、内阻更新模块2、阈值电压校准模块3和电量校准模块4中均设置有计算单元以及用于存储数值计算结果的存储单元。

本发明提供的电量检控方法根据Li、Fe等可充电电池充电效率几乎为1的充放电特性，利用库仑计实时监控充入或放出电池的电量，实时更新电池实际电量情况，再根据Li、Fe等可充电电池开路电压与容量一一对应的关系，实时更新电池当前内阻，然后依据当前情况下电池内阻的老化情况，即当前绝对剩余容量百分比情况下电池内阻与刚出产时的比值，精确估计电池放电截止时的绝对剩余容量百分比，确定容量校准阈值电压，最后根据这个阈值电压自动校准电池实际可用满充电量与实际可用剩余电量。该方法结合了电压法和库仑法的优点，以库仑法来累积电流，即使无法测量开路电压时也可以估算电池电量，同时又利用电压来修正库仑法估算电池电量引起的误差，具有测量精度高且便于实施的优点。

以上所披露的仅为本发明的优选实施例，当然不能以此来限定本发明的权利保护范围。可以理解，依据本发明所附权利要求中限定的实质和范围所作的等同变化，仍属于本发明所涵盖的范围。

Claims (9)

1.一种可充电电池的电量检控方法，其特征在于，包括以下步骤：

检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和所述变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；

根据所述剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；

根据所述当前内阻确定容量校准阈值电压；

根据所述容量校准阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值；

所述确定容量校准阈值电压步骤包括：

计算当前时间段电池内阻的老化系数；

根据所述老化系数计算当前时间段放电截止时的绝对剩余电量百分比：

由所述放电截止时的绝对剩余电量百分比计算放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比；

由所述放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比计算容量校准阈值电压。

2.根据权利要求1所述的可充电电池的电量检控方法，其特征在于，所述检测可充电电池当前时间段的变化电量采用库仑法检测。

3.根据权利要求1所述的可充电电池的电量检控方法，其特征在于，所述更新电池当前内阻步骤包括：

根据所述当前时间段的满充可用电量和所述当前时间段的剩余可用电量计算当前时间段的绝对剩余容量百分比；

根据所述绝对剩余容量百分比对应的开路电压计算出所述当前内阻。

4.根据权利要求1所述的可充电电池的电量检控方法，其特征在于，所述根据所述老化系数计算当前时间段放电截止时的绝对剩余电量百分比步骤采用迭代法进行逐次逼近。

5.一种可充电电池的电量检控装置，其特征在于，包括：

检测模块，其用于检测可充电电池当前时间段的变化电量，以更新累积变化电量，并根据当前时间段的剩余可用电量初始值和所述变化电量更新当前时间段的剩余可用电量；

内阻更新模块，其用于根据所述剩余可用电量和当前时间段的满充可用电量更新电池当前内阻；

阈值电压校准模块，其用于根据所述当前内阻确定容量校准阈值电压，所述阈值电压校准模块包括：计算当前时间段电池内阻的老化系数的单元；根据所述老化系数计算当前时间段放电截止时的绝对剩余电量百分比的单元；由所述放电截止时的绝对剩余电量百分比计算放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比的单元；由所述放电至剩余6％电量时的绝对剩余电量百分比计算容量校准阈值电压的单元；以及

电量校准模块，其用于根据所述阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的满充可用电量和剩余可用电量初始值。

6.根据权利要求5所述的可充电电池的电量检控装置，其特征在于，所述检测模块包括采用库仑法检测所述变化电量的库仑计。

7.根据权利要求6所述的可充电电池的电量检控装置，其特征在于，所述检测模块还包括电流检测器、电压检测器和用于提供定时信号的定时器。

8.根据权利要求5所述的可充电电池的电量检控装置，其特征在于，所述检测模块、所述内阻更新模块、所述阈值电压校准模块和所述电量校准模块包括用于数值计算的计算单元。

9.根据权利要求8所述的可充电电池的电量检控装置，其特征在于，所述检测模块、所述内阻更新模块、所述阈值电压校准模块和所述电量校准模块还包括用于存储数值计算结果的存储单元。

Images