CN103048624A - 电池状态计测方法和电池状态计测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供电池状态计测方法和电池状态计测装置，无需等到开路电压稳定就能够事先预测出稳定的开路电压。所述电池状态计测装置具备：电压检测部，其用于检测从二次电池的充放电停止经过了一定时间（X1）时的二次电池的过渡开路电压（VC）；状态量检测部（温度检测部、充电率算出部、劣化率算出部），其用于检测经过一定时间时以前的二次电池的预定的状态量（充电率、劣化率、温度）；以及预测部（电压差算出部、电压算出部），其用于根据过渡开路电压、预定的状态量以及经过一定时间时之后的二次电池的稳定开路电压（VS）三者之间的关系，预测与电压检测部检测到的过渡开路电压和所述状态量检测部检测到的状态量对应的稳定开路电压。

Description

电池状态计测方法和电池状态计测装置
技术领域
本发明涉及计测二次电池的状态的技术。
背景技术
作为现有技术，公知有这样的电池剩余量运算装置：通过检测电池的开路电压并与该电池的开路电压-电池剩余量的数据进行比较，来求出该电池的剩余量（例如，参照专利文献1）。
专利文献
专利文献1：日本特开平3-180783号公报
但是，到二次电池的开路电压稳定为止的时间随着二次电池的周围温度、劣化率以及电阻值等条件而变动，因此，为了检测到稳定的开路电压，有时必须等待很长时间。在该情况下，会导致使用开路电压的检测值来对二次电池的剩余容量（剩余量）进行修正运算的机会减少，因此，剩余量的运算误差可能会增大。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供一种无需等到开路电压稳定就能够事先预测出稳定的开路电压的电池状态计测方法和电池状态计测装置。
为了达成上述目的，本发明的电池状态计测方法的特征在于，具备：
电压检测步骤，检测从二次电池的充放电停止经过了一定时间时的所述二次电池的过渡开路电压；
状态量检测步骤，检测经过所述一定时间时以前的所述二次电池的预定的状态量；以及
预测步骤，根据所述过渡开路电压、所述预定的状态量、以及经过所述一定时间时之后的所述二次电池的稳定开路电压三者之间的关系，预测与在所述电压检测步骤中检测到的过渡开路电压和在所述状态量检测步骤中检测到的状态量两者对应的所述稳定开路电压。
另外，为了达成上述目的，本发明的电池状态计测装置的特征在于，具备：
电压检测部，其用于检测从二次电池的充放电停止经过了一定时间时的所述二次电池的过渡开路电压；
状态量检测部，其用于检测经过所述一定时间时以前的所述二次电池的预定的状态量；以及
预测部，其用于根据所述过渡开路电压、所述预定的状态量、以及经过所述一定时间时之后的所述二次电池的稳定开路电压三者之间的关系，预测与所述电压检测部检测到的过渡开路电压和所述状态量检测部检测到的状态量两者对应的所述稳定开路电压。
这里，“从二次电池的充放电停止经过了一定时间时以前”可以是从二次电池的充放电停止时刻经过了一定时间的时刻，也可以是比从二次电池的充放电停止时刻经过了一定时间的时刻靠前的时刻。
根据本发明，无需等到开路电压稳定就能够事先预测出稳定的开路电压。
附图说明
图1是表示作为本发明的电池状态计测装置的一个实施方式的计测电路100的结构的方框图。
图2是表示放电停止前后的二次电池201的电池电压V与时间t之间的关系的电池特性的概要图。
图3是表示充电停止前后的二次电池201的电池电压V与时间t之间的关系的电池特性的概要图。
图4是针对温度T=25℃时的每个劣化率DR而实际测量二次电池201的放电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。
图5是针对每个温度T而实际测量没有劣化的二次电池201的放电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。
图6是针对温度T=25℃时的每个劣化率DR而实际测量二次电池201的充电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。
图7是针对每个温度T而实际测量没有劣化的二次电池201的充电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。
图8是表示稳定开路电压VS的计算例的流程图。
符号说明
10：电压检测部
20：温度检测部
30：ADC
40：运算部
41：充电率算出部
42：劣化率算出部
43：电压差算出部
44：电压算出部
50：存储器
60：通信部
70：电流检测部
100：计测电路
200：电池组
201：二次电池
202：保护模块
203：保护电路
300：电子设备
具体实施方式
下面，参照附图对用于实施本发明的方式进行说明。
图1是表示作为本发明的电池状态计测装置的一个实施方式的计测电路100的结构的方框图。计测电路100是计测二次电池201的剩余量状态的集成电路（IC）。作为二次电池201的具体例，可列举锂电池、镍氢电池等。
二次电池201内置于电池组200中，该电池组200内置或者外挂于电子设备300中。作为电子设备300的具体例，可列举移动终端（移动电话、便携游戏机、信息终端、音乐或影像的便携播放器等）、游戏机、计算机、头戴送受话器（head set）、照相机等电子设备。二次电池201经负载连接端子5、6向电子设备300供电，并能够利用与负载连接端子5、6连接的未图示的充电器进行充电。
电池组200内置有二次电池201、以及经电池连接端子3、4与二次电池201连接的保护模块202。保护模块202是具有保护电路203和计测电路100的电池保护装置，保护电路203用于保护二次电池201避免过电流、过充电、过放电等异常状态。
计测电路100具备电压检测部10、温度检测部20、电流检测部70、AD转换器（ADC）30、运算部40、存储器50以及通信部60。
电压检测部10检测二次电池201的两极间的电池电压，并将与其电压检测值对应的模拟电压输出到ADC30。
温度检测部20检测二次电池201的周围温度，并将与其温度检测值对应的模拟电压输出到ADC30。温度检测部20将计测电路100或者电子设备300的温度作为二次电池201的周围温度检测出来。温度检测部20也可以检测二次电池201自身的温度，还可以检测电池组200内的温度。
电流检测部70检测二次电池201的充放电电流，并将与充放电电流值对应的模拟电压输出到ADC30。电流检测部70可以检测流经二次电池201的负极与负载连接端子6之间的负侧电源路径的电流，也可以检测流经二次电池201的正极与负载连接端子5之间的正侧电源路径的电流。
ADC30将从电压检测部10、温度检测部20和电流检测部70分别输出的模拟电压转换为数字值，并输出到运算部40。
运算部40，根据由电压检测部10检测到的二次电池201的电池电压、由温度检测部20检测到的二次电池201的温度、以及预先存储于存储器50的用于决定二次电池201的电池特性的特性数据，来估计出二次电池201的剩余量状态等电池状态。由电流检测部70检测到的二次电池201的充放电电流也可以用于估计二次电池201的电池状态。运算部40具有充电率算出部41、劣化率算出部42、电压差算出部43、以及电压算出部44。对于这些算出部的说明将在后文叙述。作为运算部40的具体例，可以列举微型计算机等运算处理装置，作为存储器50的具体例，可以列举EEPROM等能够改写的非易失性存储器。
通信部60是用于对内置于电子设备300的控制部301传送二次电池201的剩余量状态等电池状态的接口。作为控制部301的具体例，可以列举执行电子设备300的预定的控制动作的CPU、用于控制二次电池201的充放电的充放电控制IC等。控制部301根据从计测电路100取得的二次电池201的剩余量状态等电池状态，来执行向使用者显示二次电池201的剩余量状态等预定的控制动作。
接下来，对二次电池201的电池特性进行说明。
图2是表示放电停止前后的二次电池201的电池电压V与时间t之间的关系的电池特性的概要图。图3是表示充电停止前后的二次电池201的电池电压V与时间t之间的关系的电池特性的概要图。t0表示二次电池201的放电或者充电的停止时刻，V0表示充放电停止时刻t0时的二次电池201的电池电压。t0以后的充放电停止状态下的二次电池201的电池电压（即，开路电压）由于二次电池201的内部状态的影响而随着时间的经过增加或者减小，到二次电池201的开路电压收敛到稳定值为止，例如，需要大约20个小时的时间。
这里，将从充放电停止时刻t0经过了一定时间X1的时刻tC时的二次电池201的开路电压定义为过渡开路电压VC，将从tC经过了一定时间X2的时刻tS时的二次电池201的开路电压定义为稳定开路电压VS，将VC与VS之间的电压差定义为ΔV。X1、X2均是固定不变的时间。另外，X2是充分大于X1的值，以使得开路电压的每单位时间的变化量收敛到预定值（例如，10mV）以下时的开路电压为稳定开路电压VS。
图4是针对温度T=25℃时的每个劣化率DR而实际测量二次电池201的放电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。图5是针对每个温度T而实际测量没有劣化的二次电池201的放电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。图4、5的充电率SOC、劣化率DR和温度T是在从二次电池201的放电停止时刻t0经过了一定时间X1的时刻tC检测或算出的值。
另一方面，图6是针对温度T=25℃时的每个劣化率DR而实际测量二次电池201的充电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。图7是针对每个温度T而实际测量没有劣化的二次电池201的充电停止后的充电率SOC和电压差ΔV之间的关系得到的曲线图。图6、7的充电率SOC、劣化率DR和温度T是在从二次电池201的充电停止时刻t0经过了一定时间X1的时刻tC检测或算出的值。
根据图4、5、6、7可知，电压差ΔV具有随着充电率SOC、劣化率DR以及温度T等状态量S而变化的特性。
因此，根据预先实际测出的图4、5、6、7所示的关系，预先导出决定了电压差ΔV与状态量S之间的关系的电池特性，计测电路100的运算部40能够根据该预先导出的电池特性计算出与状态量S的检测值对应的电压差ΔV。例如，决定了电压差ΔV与状态量S之间的关系的电池特性能够通过近似式或者表等来确定。算出了电压差ΔV之后，运算部40将由电压检测部10在时刻tC检测到的开路电压作为过渡开路电压VC计测出来，由此，根据运算式
VS=VC+ΔV···（1）
能够算出时刻tS的稳定开路电压VS。即，运算部40能够在比时刻tS靠前的时刻tC预测出时刻tS的稳定开路电压VS。另外，从图2、图3可以明确：在式子（1）中，为了算出充放电停止后的稳定开路电压VS，只要在VC上加上ΔV即可（ΔV可取正值或负值）。
接下来，对确定电池特性的近似式进行说明，所述电池特性决定了电压差ΔV与状态量S之间的关系。关于该近似式，在图4、5、6、7中，以将电压差ΔV收敛时的SOC或ΔV急剧变化时的SOC设定为区分点，针对所设定的区分点间的每个区间预先导出所述近似式为宜。
电压差ΔV根据在温度25℃下实际测出的图4、6所示的关系，针对预先区分的每个SOC区间，例如，能够表示为
ΔV=a2×SOC2+a1×SOC+a0···（2）
其中，ai为系数（i=0、1、2）
此时，从图4、6所示的曲线图可知，各ai相对于劣化率DR大致具有二次特性，因此，例如能够表示为
ai=ai2×DR2+ai1×DR+ai0···（3）
其中，aij为系数（i=0、1、2，j=0、1、2）。
这样，运算部40的电压差算出部43能够根据式子（2）、（3）算出与充电率算出部41算出的充电率SOC和劣化率算出部42算出的劣化率DR对应的、25℃时的电压差ΔV。
另外，根据针对劣化率DR=0%的二次电池201实际测出的图5、图7，电压差ΔV具有温度特性。从图5、7所示的曲线图可知，式子（3）内的各系数aij相对于温度T具有大致一次特性，因此，例如能够表示为
aij=aij1×T+aij0···（4）。
其中，aijk为系数（i=0、1、2，j=0、1、2，k=0、1）
这样，运算部40的电压差算出部43能够根据式子（2）（3）（4）算出与充电率算出部41算出的充电率SOC、劣化率算出部42算出的劣化率DR以及温度检测部20检测出的温度三者对应的、电压差ΔV。
因此，运算部40的电压算出部44通过将这样算出的电压差ΔV和由电压检测部10检测到的过渡开路电压VC代入式子（1），能够算出稳定开路电压VS。
另外，式子（2）（3）（4）只是一个例子。在式子（2）（3）的情况下，近似为二次多项式，在式子（4）的情况下近似为一次多项式，但是可以近似为其他函数式。另外，也可以根据充电率SOC、劣化率DR以及温度T等变量的数值范围来变更近似式或者近似式的各项的系数。另外，也可以在预测放电停止后的开路电压和预测充电停止后的开路电压的情况下，变更近似式或者近似式的各项的系数。这样，二次电池201的按照每个种类而不同的电池特性等来选定适当的模型函数即可。这样的近似式的系数或者用于决定该系数的系数以预先存储在存储器50中为宜。
接下来，对运算部40进行的稳定开路电压VS的算出例进行说明。
图8是表示稳定开路电压VS的算出例的流程图。运算部40使用充电率算出部41、劣化率算出部42、电压差算出部43、以及电压算出部44在每次二次电池201的充放电停止时重复执行图8的流程图所示的例行程序。
在步骤S10中，运算部40将由电压检测部10检测到的时刻tC的开路电压作为过渡开路电压VC计测出来。例如，运算部40将由电流检测部70检测到的充放电电流值低至零或零附近的预定值以下的时刻设定为充放电停止时刻t0。运算部40将在从充放电停止时刻t0经过了一定时间X1的时刻tC由电压检测部10检测到的开路电压计测为过渡开路电压VC。
在步骤S20中，充电率算出部41例如使用由电压检测部10检测到的二次电池201的电池电压值与由电流检测部70检测到的充放电电流值，来算出二次电池201的充电率SOC。二次电池201的充电率SOC的算出可以使用现有的任意的算出方法。劣化率算出部42例如将二次电池201当前的满充电容量相对于二次电池201的初始满充电容量的比例作为二次电池201的劣化率DR算出来。二次电池201的劣化率DR的算出可以使用现有的任意的算出方法。温度检测部20检测二次电池201的温度。
在步骤S30中，电压差算出部43根据式子（2）（3）（4）算出与在步骤S20中算出或检测出的充电率SOC、劣化率DR和温度T三者对应的电压差ΔV。
在步骤S40中，电压算出部44根据式子（1）使用在步骤S10中检测到的过渡开路电压VC和在步骤S30中算出的电压差ΔV，来算出稳定开路电压VS。
因此，根据图8，无需等到二次电池201的开路电压稳定就能够事先预测出稳定的开路电压。
另外，由于能够在稳定前预测出稳定后的开路电压，因此，对剩余容量进行修正运算的机会能够增加。另外，由于能够考虑充电率SOC、劣化率DR以及温度T等状态量来预测稳定的开路电压，因此，能够根据例如决定了开路电压与充电率之间的关系的表来算出正确的充电率SOC。另外，由于稳定开路电压的算出时间的缩短和算出精度的提高，使用二次电池的产品使用者比例提高。并且，运算部40在根据稳定开路电压VS算出的充电率SOC与利用别的算出方法算出的充电率SOC（例如，根据积分容量算出的充电率SOC）之间存在预定值以上的差的情况下，判断为二次电池201有异常。
以上，对本发明的优选的实施例进行了详细说明，但是本发明并不限定于上述的实施例，只要不脱离本发明的范围，能够对上述实施例加以各种变形、改良和置换。
例如，本发明的电池状态计测装置不限于搭载于电池组200的保护模块202的基板上的情况。例如，也可以搭载于通过二次电池201而工作的电子设备300内的基板上。另外，本发明的电池状态计测方法也可以组合到由电子设备300内的控制部301处理的软件中。
另外，使用于稳定开路电压VS的算出的状态量S（充电率SOC、劣化率DR、以及温度T等）优选为与过渡开路电压VC相同时刻tC的值，但是也可以是比tC靠前的时刻的尽可能最新的值（例如，充放电停止时刻t0以后且比时刻tC靠前的时刻的值）。
另外，使用于稳定开路电压VS的算出的状态量S只要是在与电压差ΔV之间具有相关关系的状态量，则也可以是充电率SOC、劣化率DR、温度T以外的任意的状态量。

Claims (7)

1.一种电池状态计测方法，其特征在于，具备：
电压检测步骤，检测从二次电池的充放电停止经过了一定时间时的所述二次电池的过渡开路电压；
状态量检测步骤，检测经过所述一定时间时以前的所述二次电池的预定的状态量；以及
预测步骤，根据所述过渡开路电压、所述预定的状态量、以及经过所述一定时间时之后的所述二次电池的稳定开路电压三者之间的关系，预测与在所述电压检测步骤中检测到的过渡开路电压和在所述状态量检测步骤中检测到的状态量两者对应的所述稳定开路电压。
2.根据权利要求1所述的电池状态计测方法，其特征在于，
所述预测步骤具有：
电压差算出步骤，根据所述过渡开路电压与所述稳定开路电压之电压差、同所述预定的状态量之间的关系，来算出与在所述状态量检测步骤中检测到的状态量对应的、所述电压差；以及
电压算出步骤，使用在所述电压检测步骤中检测到的过渡开路电压和在所述电压差算出步骤中算出的电压差，算出所述稳定开路电压。
3.根据权利要求1或2所述的电池状态计测方法，其特征在于，
所述预定的状态量是所述二次电池的充电率、温度和劣化率中的至少一个。
4.一种电池状态计测装置，其特征在于，具备：
电压检测部，其用于检测从二次电池的充放电停止经过了一定时间时的所述二次电池的过渡开路电压；
状态量检测部，其用于检测经过所述一定时间时以前的所述二次电池的预定的状态量；以及
预测部，其用于根据所述过渡开路电压、所述预定的状态量、以及经过所述一定时间时之后的所述二次电池的稳定开路电压三者之间的关系，预测与所述电压检测部检测到的过渡开路电压和所述状态量检测部检测到的状态量两者对应的所述稳定开路电压。
5.一种电池保护装置，其特征在于，具备：
权利要求4所述的电池状态计测装置；以及
保护所述二次电池的保护电路。
6.一种电池组，其特征在于，具备：
权利要求4所述的电池状态计测装置；以及
所述二次电池。
7.一种设备，其特征在于，
所述设备具备权利要求4所述的电池状态计测装置，
所述设备以所述二次电池为电源。
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