CN102262216A - 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，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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。该电量检控方法具有精度高、便于实现等优点。与此对应地，本发明还公开了一种可充电电池的电量检控装置，包括检测模块、内阻压降更新模块、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

本发明解决的问题是现有技术中估算电池电量的方法测量精度比较低的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：一种可充电电池的电量检控方法，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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。

与现有技术相比本发明具有如下有益效果：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，运用电池内阻压降和容量修正阈值电压的关系，进一步实时更新电池满充可用电量和电池剩余可用电量；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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；内阻压降更新模块，其用于根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；阈值电压修正模块，其用于根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；电量校准模块，其用于根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。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

图1是本发明实施例的电量检控方法的流程图；

图2是本发明实施例电池开路电压对应绝对剩余容量百分比的关系曲线；

图3是本发明实施例电池不同放电电流下电池实际剩余电量对应的开路电压曲线；

图4是本发明实施例电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线；

图5是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

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量。

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VOL。

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实际剩余电量RC和电池放电电流累积DCR，表示电池放电开始到当前状态时已放出的电量；假设前一时间电池实际剩余电量，即当前时间段的实际剩余电量初始值为RC0，那么当前电池实际剩余电量为：

RC＝RC0+current*dt                      (1)

其中dt为一很小的时间间隔。

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DCR0，那么当前电池放电电流累积为：

DCR＝DCR0+|current|*dt                  (2)

电池绝对容量表示电池满充时绝对存在的容量，记为Qmax，并可得到当前时间段的电池实际剩余电量为：

RC＝Qmax-DCR                            (3)

步骤S102：根据电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降。

在步骤102中采用内阻压降更新模块，实时更新内阻压降；具体为根据电池实际剩余电量和电池绝对容量得到当前时间段的绝对剩余容量百分比；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压降。

首先计算当前时间段的绝对剩余容量百分比ASOC，公式为：

ASOC＝RC/Qmax                    (4)

查询电池开路电压OCV对应绝对剩余容量百分比ASOC的关系曲线，如图2所示，即OCV-ASOC曲线，利用其中OCV-ASOC曲线得到绝对剩余容量百分比ASOC对应的开路电压OCV(ASOC)，并计算当前内阻压降CEDP，利用公式为：

CEDP＝OCV(ASOC)-VOL              (5)

其中VOL由电压检测器提供精确的电压参量。

步骤S103：根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压。

步骤S103采用阈值电压修正模块完成，用于自动更新容量修正阈值电压；首先根据绝对剩余容量百分比对应的开路电压(图2)计算得到电池实际剩余电量对应的开路电压曲线，如图3中的OCV曲线；然后根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线和电池某一电流放电时的放电曲线得到电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线，如图4所示；接着根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线和电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线得到不同放电电流下电池实际剩余电量对应的电池两端电压曲线，如图3所示，图中仅示出了0.5C、1C、2C电流下的曲线，其中C表示为电池容量的数值。最后根据上述曲线确定不同内阻压降对应的容量修正阈值电压。

首先根据绝对剩余容量百分比对应的开路电压(图2)计算得到电池实际剩余电量对应的开路电压曲线，如图3中的OCV曲线；根据公式(3)和公式(4)可以得到：

DCR＝Qmax*(1-ASOC)             (6)

这样再结合图2所示的绝对剩余容量百分比对应的开路电压曲线可以得到电池实际剩余电量对应的开路电压曲线，如图3中的OCV曲线。

然后根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线并结合公式(7)得到电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线，如图4所示；

VOL＝OCV+current*Rb            (7)

由曲线可以看出当电池剩余容量较多时，内阻变化很小；当电池放电接近空状态时，电池内阻容量急剧增加。

接着根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线(图2)和电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线(图4)，并结合公式(7)得到不同放电电流下电池实际剩余电量对应的开路电压曲线，如图3所示，图中仅示出了0.5C、1C、2C电流下的曲线，其中C表示为电池容量的数值。

最后根据上述各曲线确定不同内阻压降CEDP对应的容量修正阈值电压EDV；容量修正阈值电压EDV表示电池剩余可用电量为6％时电池两端电压，根据不同放电电流下电池实际剩余电量对应的开路电压曲线(图3)可以得到电池剩余可用电量为6％的电池两端电压，再根据电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线(图4)，得到相应电流下内阻的压降。这样便得到不通电流下不同内阻压降CEDP对应的容量修正阈值电压EDV，以Li电池为例，可以得到下表：

CEDP/mV	0	50	100	150	200	250	300	350	400	450	500
												EDV/mV	3620	3658	3550	3525	3490	3470	3450	3440	3410	3375	3350

步骤S104：根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。分以下几种情况：

A、电池处于充电状态时：

若处于近似满充状态，该近似满充状态定义为VOL＞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，则更新电池剩余可用电量RM如下

RM＝FCC-NearFCC                     (8)

其中FCC为电池满充可用电量，表示电池充满电直至放电达到截止电压时，电池可以放出的电量；NearFCC为电池近似满充电量：表示电池当前状态和充满电状态之间的容量差。

否则更新电池剩余可用电量RM如下

RM＝RM0+current*dt                  (9)

其中RM0是前一时间电池剩余可用电量

B、电池处于放电状态时

若电池两端电压第一次小于EDV，则校准电池满充可用电量FCC和电池剩余可用电量RM如下

FCC＝DCR/0.94                      (10)

RM＝FCC*0.06                       (11)

由以上可得到RM＝0.06*DCR/0.94      (12)

否者更新RM如下

RM＝RM0-|current |*dt

C、电池处于闲置时

若电池连续闲置2小时以上，则每2小时更新一次剩余容量，更新方法如下：

检测电池两端电压VOL，由于电池闲置，电流为0，则电池两端电压VOL＝开路电压OCV；将电池两端电压VOL带入开路电压OCV和绝对剩余容量ASOC对应曲线的关系表格，得到当前电压状态的绝对剩余容量

ASOC＝ASOC(VOL)                    (13)

然后更新电池剩余可用电量RM如下

RM＝RC-(Qmax-FCC)

  ＝Qmax*ASOC-(Qmax-FCC)

  ＝FCC-(1-ASOC)*Qmax            (14)

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5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、内阻压降更新模块2、阈值电压修正模块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。内阻压降更新模块2主要根据电池实际剩余电量和电池绝对容量得到当前时间段的绝对剩余容量百分比，根据绝对剩余容量百分比对应的开路电压计算出当前内阻压降，以此更新电池的内阻压降。阈值电压修正模块3主要用于根据不同的曲线关系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满充可用电量和电池剩余可用电量。

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、内阻压降更新模块2、阈值电压修正模块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压降，然后根据内阻压降和容量校准阈值电压的关系表格确定容量校准阈值电压，根据这个阈值电压自动校准电池实际可用满充电量与电池剩余可用电量。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。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；

根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；

根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；

根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。

2.根据权利要求1所述的一种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所述的一种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压降的步骤包括：

根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量得到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压降。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的一种可充电电池的电量检控方法，其特征在于：所述确定容量修正阈值电压步骤包括：

根据所述绝对剩余容量百分比对应的开路电压得到电池实际剩余电量对应的开路电压曲线；

根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线和电池电流放电时的放电曲线得到电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线；

根据电池实际剩余电量对应的开路电压曲线和电池实际剩余电量对应的电池内阻曲线得到不同放电电流下电池实际剩余电量对应的电池两端电压曲线。

根据上述曲线确定不同内阻压降对应的容量修正阈值电压。

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，并根据电池绝对容量和累积变化电量得到当前时间段的电池实际剩余电量；

内阻压降更新模块，其用于根据所述电池实际剩余电量和电池绝对容量更新电池当前内阻压降；

阈值电压修正模块，其用于根据所述当前内阻压降确定容量修正阈值电压；

电量校准模块，其用于根据所述容量修正阈值电压和所述累积变化电量校准下一时间段的电池满充可用电量和电池剩余可用电量。

6.根据权利要求5所述的一种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所述的一种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所述的一种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、所述阈值电压修正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所述的一种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、所述阈值电压修正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。

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