CN105988086A - 电池余量预测装置及电池组 - Google Patents

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Abstract

本发明题为电池余量预测装置及电池组。提供低成本并且能够高精度预测充电池的电池余量的电池组。具备：测定电池的电池电压及电池温度的电压检测部；预测计算电池余量的运算部；以及控制运算部的控制部，包括递归地算出电池余量的电池余量预测流程和利用电池电流处于恒流状态的情况来推测电池特性的时效变化的时效变化推测流程。

Description

电池余量预测装置及电池组
技术领域
本发明涉及电池组，尤其涉及预测Li离子充电池等的电池余量的电池余量预测装置。
背景技术
充电池以便携设备为首，使用于很多装置，因而管理充放电的电池管理***是必需的。特别是当设备运转时需要正确知道运转时间，为此使用电池余量预测装置。
在图7示出具备现有的电池余量预测装置的电池组。现有的电池余量预测装置20具备：进行信号处理运算的CPU21；在信号处理运算时所使用的RAM22；用于检测以电平转换器26转换充电池7的1个单元的电池电压后的电池电压的ADC23；用于检测在检测充电池7的电流的电流读出电阻6产生的电压的ADC24；以及预先保持电池的特性数据等的非易失性存储器25。电池余量预测装置根据充电池7的电压和用库仑计数器由利用电流读出电阻6计测的充电池7的电流值求出的移动电荷量等，求出电池余量。高精度的余量预测需要充电池7的电压及电流的高精度的计测。
若特别关注电流计测，则电流读出电阻6要求电阻值为高精度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6789026号说明书
专利文献2：美国专利第6832171号说明书。
发明内容
发明要解决的课题
电池余量预测装置通过计测电池电压、电池电流等来进行电池余量预测计算。在电池余量预测计算中，利用电池的开路电压和表示电池的电池余量的充电状态SOC的电池固有的相关关系。进而，通过计测电池电流算出（库仑计数）来自电池的流出电荷量也能进行余量预测。在应用***用电池驱动的情况下，因电池的内部阻抗的影响而电池输出电压输出与电池开路电压不同的电压。
因而，由于在驱动时不能计测正确的电池开路电压，所以采用几种推测电池开路电压的方法。同时，通过计测流出电荷量的总量而完成余量预测。为此，必须进行电池电流的高精度的计测，为了高精度电流计测需要高精度且电流容许量大的高价的读出电阻。
另外，作为电池特性的电池的最大电池容量、电池内部阻抗随着使用而发生时效变化，能使用的电池容量会逐渐减少。为了进行正确的电池余量预测计算，需要在计算中反映最大电池容量、电池内部阻抗的变化，从而提出了对最大电池容量、电池内部阻抗的时效变化进行计测或者推测的方法。
在计测的方法中必须进行电池电流的计测。因而，仅由电池端子电压值进行余量预测的余量预测装置中，使用利用了电池特性的充放电循环数依赖性等的劣化模型。然而，时效变化的状况很依赖电池使用方法，因此难以预测正确的劣化，存在电池余量预测计算误差随着使用越来越大的课题。
本发明提供基于电池电压值的余量预测装置中，不进行电池电流计测也能正确地推测电池特性的时效变化的高精度余量预测装置。
用于解决课题的方案
本发明的电池余量预测装置具备：当消耗电流为恒流时测定电池特性，推测电池特性的时效变化的流程。
发明效果
依据本发明的电池余量预测装置，不需要电流读出电阻，基于检测的电池电压能够推测正确的电池特性的时效变化，可以持久性进行高精度电池余量预测。因而，能够提供尺寸小且低成本的电池组。
附图说明
图1是具备本实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。
图2是示出电池的等效电路模型的一个例子的电路图。
图3是本实施方式的电池余量预测装置中的电池特性的时效变化推测流程。
图4是本实施方式的电池余量预测装置中的电池特性的时效变化推测流程的其他例子。
图5是示出电池简化后的等效电路模型的电路图。
图6是本实施方式的电池余量预测装置中的与电池简化后的等效电路模型对应的电池特性的时效变化推测流程的计测及算出部分的流程。
图7是具备现有的电池余量预测装置的电池组的框图。
具体实施方式
图1是具备本实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。
本实施方式的电池组具备：电池余量预测装置1、充电池7、充放电控制用的MOSFET8、充放电控制电路15和外部端子18及19。
电池余量预测装置1具备：电压检测部11、控制部16、进行电池余量预测计算等的运算部12、恒流源4和开关5。
本实施方式的电池组如以下那样连接。电池余量预测装置1连接在充电池7的两端。MOSFET8设在外部端子19。充放电控制电路15连接在充电池7的两端，输出端子与MOSFET8连接。在外部端子18及19连接有成为负载3的应用***。电压检测部11在输入端子连接有充电池7，输出端子与控制部16连接。控制部16与运算部12连接。恒流源4经由开关5与电池7连接。
恒流源4经由开关5作为电池7的负载连接。电压检测部11检测充电池7的端子电压，并向控制部16输出。控制部16和运算部12基于从电压检测部11得到的信息高精度地进行充电池7的电池余量的预测计算。在控制部16和运算部12中，执行高精度电池余量预测运算。进而，执行用于高精度余量预测的电池特性时效变化的推测流程。
本发明为了高精度预测电池的电池余量（充电状态SOC），提供具有正确推测电池特性的时效变化的方法的电池余量预测装置1。
图2是示出充电池7的等效电路模型的电路图。本模型由以下部分构成：电压源31，规定了最大电池容量Qmax，依赖于充电状态或电池温度而输出电池开路电压；以及构成电池内部阻抗的等效电路的电阻Rk和电容器Ck并联连接，该C－R并联电路串联连接M组，进而串联连接电阻的R0。
C－R并联电路示出充电池7的输出电压的过渡响应特性。C－R并联电路的连接个数依赖于所要求的模型精度，越增加连接个数就越容易高精度化。最大电池容量、电池内部阻抗随着电池的使用而发生变化。一般，最大电池容量减少，电池内部阻抗增大。因此，当进行电池余量预测计算时，若不考虑这些时效变化，则电池余量预测的误差随着电池使用经过时间而变大。因而，必须进行这些电池特性变化的计测或推测。
首先，基于充电池7的等效电路导出表示电池开路电压Vocv和电池端子电压VB的关系的关系式。将iL设为负载电流，建立微分方程式。若设施加到构成C－R的并联电路的Rk和Ck的电压为Δk（k≥1），则作为流过R1～RM的各电阻的电流iRk成为式1。
另外，将流过C1～CM的各电容器的电流作为iCk，表示为式2。
这些电流的合计等同于负载电流iL＝iRk＋iCk，因此得到以下的2式。
假设电池特性发生时效变化，若将这些等效电路参数Qmax、Rk、Ck的时效变化系数分别设为CQdg、CRdg、CCdg，则式3和式4成为以下的2个式。
此外，时效变化系数“1”是指没有时效变化。
负载电流iL能够以电池的充电状态SOC的变化、最大电池容量Qmax、和最大电池容量的时效变化系数CQdg用下式表示。充电状态SOC用某一时刻的电池容量与最大电池容量Qmax的比来表示。因此，在电池处于正常状态的情况下，0≤SOC≤1。在负的情况下相当于过放电状态，超过“1”的情况下相当于过充电状态。此外，电流以放电方向为正，能够由下述式表示。
向式7代入式5和式6，则得到式8和式9。
在此，将时效变化系数CRdg和CQdg的积设为Cdg，另外，假设电池内部阻抗的时间常数Rk·Ck的时效变化较小，则能够近似为CRdg·CCdg～1。考虑以上情况则式8、式9能简化为下式。
对本微分方程式进行求解时，若将微分方程式用将时刻表记为n、将单位时间设为tC并将前1时刻表记为n－1的差分方程式近似，则式10成为式12。
若由式12求出Δk，n，则成为式13。
另一方面，若将式11近似于差分方程式，则成为式14。
若将式13代入式14，则求得式15。
基于前1时刻的时刻n－1的充电状态SOCn－1和Δk，n－1、以及时刻n下的电池端子电压VBn，由式15求出时刻n的充电状态SOCn，能够进行余量预测。进行计算时，需要已知时效变化系数Cdg。即便最大电池容量、电池内部电阻每一个的时效变化系数未知，如果能知道它们的积的时效变化系数，就能进行反映时效变化的电池余量预测计算。
作为与下一时刻n＋1的式15对应的式，求得式16。
对式16中Δk，n代入式13则表示为式17。
可考虑利用时刻n下的式15、时刻n＋1下的式17，求出时效变化系数。在此，电流值即便是未知的也可以假定电池电流处于恒定的状态。通过该假定，能够设为时刻n和时刻n＋1下的电池余量的变化相等。即，成为SOCn＋1－SOCn＝SOCn－SOCn－1。
由此，式17成为式18。
若式15和式18分别变形则将式19成为式20。
若式19除以式20，则成为式21。
通过恒流的假定，成为SOCn＋1＝2·SOCn－SOCn－1。将该关系适用于式21，关于SOCn进行求解，求得时刻n下的充电状态SOCn。返回式16而关于Cdg进行求解，则由式22表示。
时效变化系数Cdg通过向式22代入由式21作为SOCn求出的值而求得。
虽然最大电池容量Qmax及电池内部电阻Rk的各个时效变化系数为未知，但能求得它们的积即时效变化系数Cdg，可以进行正确的余量预测。
为了知道最大电池容量、电池内部电阻的各个时效变化系数，作为电池电流不仅需要知道恒流性而且需要知道电流值。如果该电流值作为iC已知，最大电池容量和其时效变化系数能由式23表示。
由本式，能够从式24求出最大电池容量的时效变化系数CQdg。
另一方面，电池内部电阻的时效变化系数能够按照式25求出。
如以上方法，通过利用电池电流为恒流的情况，能够知道时效变化。进而已知电流值的情况下，能够知道最大电池容量、电池内部电阻的各自的时效变化。
由于需要使电池电流恒定，所以通过使该状态能够设定，从而求出时效变化系数。为了设定，首先，判定应用***处于停止或待机状态、即应用***的电流接近“0”的状态，在该状态下，激活内置于电池余量预测装置1的已知的恒流源，从而能够使电流值成为已知的恒流放电状态，并且能够用上面叙述的方法来求出时效变化系数。
接着，考察电池的充电状态，在对电池进行充电的情况下，几乎所有的充电期间为恒流充电状态。仅在接近满充电的状态下与恒流充电不同，但是至少在恒流充电状态下，能够容易知道电池余量的增减变化和电池电压值是否在所期望的电压范围。探测处于该状态的情况，能够用前面叙述的方法求出时效变化系数。充电电流值因充电装置而不同，但是充电电流值被规定。在此情况下，通过与从电池余量预测计算上算出的电流值进行比较，能够知道以何种规定电流值充电，能够利用该充电电流值求出最大电池容量、电池内部电阻的各个的时效变化系数。
将以上的方法示于图3。图3是本实施方式的电池余量预测装置1中的电池特性的时效变化推测流程。
步骤S1中，以标志Flag＿a判定是否实施用于知道电池的时效变化的电池特性推测流程。Flag＿a可以考虑通过来自电池余量预测装置1外的控制，或者根据是否满足设于电池余量预测装置1内的各种条件、例如从前次起的特性推测经过时间、充放电循环数等，自动建立标志Flag＿a。在建立了Flag＿a的情况下（在本例中设为“1”），进入步骤S2。
步骤S2中，判定电池电流是否大致为“0”。由从电池余量预测计算算出的电池开路电压OCVj和此时的电池端子电压VBj的差电压进行判定。根据该差电压是否比所期望的电压δ小来进行判定。若该差电压小于δ，则进入步骤S3。
步骤S3中，内置于电池余量预测装置1的恒流源（电流iC）作为电池负载而连接或者激活。
步骤S4中，恒流源激活后，恒流源等的动作稳定为止，待机既定时间。此外，根据情况也可以没有待机时间。
步骤S5中，计测时刻n及n＋1下的电池电压VBn、VBn＋1、电池温度Tn、Tn＋1。
步骤S6中，除了在步骤S5得到的电池电压和电池温度之外，还根据由电池余量预测计算得到的时刻n－1下的充电状态SOCn－1和电池等效电路模型内内部电压Δk，n－1递归地算出用于时效变化系数的算出的时刻n下的充电状态SOCn。在该算出中使用式21。
在执行该计算时，假定作为电池特性式而预先准备的关系式。将电池开路电压的充电状态SOC及电池温度T依赖性、电池等效电路的电池阻抗的充电状态SOC及电池温度T依赖性，以Vocv＝focv（SOC，T）、Rk＝fRk（SOC，T）（k≥0）、Ck＝fCk（SOC，T）（k≥1）进行假定。
这些式在不能以代数表示的情况下，定义为数值表。将这些适用于式21，则能由式26表示。
在此，设为τk（SOCn，Tn）≡fck（SOCn，Tn）·fRk（SOCn，Tn）。
本式以SOCn＋1＝2·SOCn－SOCn－1为条件，递归地算出充电状态SOCn。
步骤S7中，基于由步骤S6求出的充电状态SOCn，算出电池特性的各自的时效变化系数Cdg、CQdg、CRdg。算出时所使用的电池电流为内置于电池余量预测装置1的已知的恒流源4的电流iC。
步骤S8中，对重复从步骤S5到步骤S7的流程的次数计数到N。
步骤S9中，将内置于电池余量预测装置1的恒流源4从电池7切断或者去激活。
步骤S10中，算出各时效变化系数的平均值。
步骤S11中，更新用于电池余量预测计算的最大电池容量、电池内部阻抗。
最后的步骤S12中，清除电池特性推测Flag＿a（在本例中“0”），结束本流程。
如以上说明的那样，依据本发明的利用恒流源4的电流iC正确推测电池特性的时效变化的方法，能够提供能够高精度地预测电池余量的电池余量预测装置1。
此外，以上说明的流程中，具备恒流源4，并用利用其电流iC来求出电池特性的时效变化系数。以下利用图4的电池特性的时效变化推测流程，对求出不具备恒流源4的电池余量预测装置1的电池特性的时效变化系数的方法进行说明。即，电池余量预测装置1不具备恒流源4及开关5。
步骤S1中，以标志Flag＿b判定是否实施用于知道充电池7的时效变化的电池特性推测。Flag＿b可以考虑通过来自电池余量预测装置1外的控制，或者，根据是否清除设于电池余量预测装置1内的、例如从前次起的特性推测时间、充放电循环数等的条件，自动建立Flag＿b。在建立Flag＿b的情况下（在本例中设为“1”），进入步骤S2。
步骤2中，判定是否处于充电状态。充电状态SOC能由电池余量预测计算求出，但是在处于充电状态的情况下，充电状态SOC会增加，因此能够从充电状态SOC的变化判定是否处于充电状态。或者，也可以通过来自电池余量预测装置1的外部的控制设定为充电状态。若判定为充电状态，则进入步骤S3。
步骤S3中，选择充电电流的恒流值。充电电流有因充电装置而不同的情况，但是按每个充电装置进行规定。可以考虑将在电池余量预测计算过程中求出的电流与多个充电装置的规定电流值进行比较，选择接近的规定电流值作为充电电流iC。
步骤S4～S7与图3的步骤S5～S8同样，因此省略说明。
步骤S8中，算出电池特性的时效变化系数的平均值。
步骤S9中，更新用于电池余量预测计算的最大电池容量、电池内部阻抗。
步骤S10中，清除标志Flag＿b（在本例中，Flag＿b＝“0”）而结束流程。
如以上说明的那样，通过本发明的利用充电电流正确地推测电池特性的时效变化的方法，也能提供能够高精度地预测电池余量的电池余量预测装置1。
此外，至此为止的流程基于图2所示的一般的电池等效电路模型进行了推测计算，但是利用图5所示的简化的电池等效电路模型，也能推测表示电池特性的时效变化的时效变化系数。简化的电池等效电路模型仅设一组并联连接的C－R电路。
在式5和式6中，若M＝1，则得到式27和式28。
由式28对Δ1进行求出，并向式27代入并加以整理，则成为式29。
以时刻n和时刻n－1对式29的微分方程式进行差分近似，则能由式30表示。
为了根据式30求出电池特性的时效变化系数，与前面的假定同样地假定恒流放电或者恒流充电。通过该假定，能够使得iL，n＝iL，n－1，因此成为式31。
将由式32表示的电流iL，n代入式31，则成为式33。
若根据上述式也关于时刻n＋1建立式，则能由式34表示。
通过恒流的假定，使得SOCn－SOCn－1＝SOCn＋1－SOCn，式33除以式34则成为
根据恒流的假定，式36成立。
利用以上的式35和式36并通过递归方法来算出时刻n下的充电状态SOCn。利用所求出的充电状态SOCn，能够由下述式分别求出电池特性的时效变化系数Cdg、CQdg、CRdg。
将以上的方法示于图6。图6的步骤Sa～Sc与图3中的步骤S4～S7、图4中的步骤S4～S6对应。
该流程的特征是在步骤Sb中，基于时刻n及时刻n＋1下的电池电压VBn、VBn＋1和电池温度Tn、Tn＋1和时刻n－1下的充电状态SOCn－1求出时刻n下的充电状态SOCn。
依据以上那样的流程，即使使用简化的电池等效电路模型，也能推测表示电池特性的时效变化的时效变化系数。
如以上说明的那样，依据本发明的正确推测电池特性的时效变化的方法，能够提供能够高精度预测电池余量的电池余量预测装置1。
另外，电池余量预测计算以及电池特性的时效变化推测计算由于用2进制数计算来进行，所以通过将运算时间间隔设为2N（N：整数）秒，容易谋求减少计算的逻辑规模，具有集成电路装置化时减小集成电路的芯片尺寸的效果。
标号说明
1 　电池余量预测装置
4 　恒流源
7　 充电池
11 　电压检测部
12 　运算部
15 　充放电控制电路
16 　控制部
30、40　电池等效电路。

Claims (11)

1.一种电池余量预测装置，计测电池的电压及温度而预测电池的余量，其特征在于，具备：
测定所述电池的电池电压及电池温度的电压检测部；
基于所述电池电压及所述电池温度而预测计算电池余量的运算部；以及
控制所述电池余量预测装置的动作及所述运算部的控制部，
所述电池余量预测装置具备：
基于测定的所述电池电压及电池温度和电池等效电路中的电池的内部阻抗而递归地算出电池余量的、预测计算电池的余量的电池余量预测流程；以及
利用电池电流处于恒流状态的情况而推测电池特性的时效变化的时效变化推测流程。
2.如权利要求1所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述电池等效电路具备：
输出电池开路电压的电压源；
与所述电压源串联连接的第1电阻；以及
内部阻抗，与所述第1电阻串联连接，具备电阻和电容器并联连接的阻抗元件。
3.如权利要求2所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述时效变化推测流程中，
判断电池特性是否处于计测可能状态，
判断所述电池处于充电状态的情况，
计测第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度，
基于计测的所述第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度、从所述第1时刻起所述单位时间前的电池余量、和施加在所述阻抗元件的电压，递归地算出所述第1时刻下的电池余量，
利用所述电池余量推测电池特性的时效变化系数，
判断是否执行了所述时效变化系数的推测既定次数，
算出所述时效变化系数的平均值，
由所述时效变化系数的平均值算出电池特性的时效变化，更新所述电池特性的时效变化的推测值。
4.如权利要求2所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述电池余量预测装置中，
具备作为电池负载的恒流源，当判定为以电池动作的***的动作电流处于既定电流以下的状态时，激活所述恒流源并在所述电池电流成为恒流状态之后，测定所述电池电压及电池温度，推测所述电池特性的时效变化。
5.如权利要求4所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述时效变化推测流程中，
判断电池特性是否处于计测可能状态，
在处于计测可能状态的情况下，以所述恒流源为电池负载，
计测既定时间的经过，
在经过既定时间后，计测第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度，
基于计测的所述第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度、从所述第1时刻起所述单位时间前的电池余量、和施加在所述阻抗元件的电压，递归地算出所述第1时刻下的电池余量，
利用所述电池余量推测电池特性的时效变化系数，
判断是否执行了所述时效变化系数的推测既定次数，
在执行了所述既定次数的情况下，将所述恒流源从所述电池断开，
算出所述时效变化系数的平均值，
由所述时效变化系数的平均值算出电池特性的时效变化，更新所述电池特性的时效变化的推测值。
6.如权利要求1所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述电池等效电路的内部阻抗串联连接了多个所述阻抗元件。
7.如权利要求6所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述时效变化推测流程中，
判断电池特性是否处于计测可能状态，
判断所述电池处于充电状态的情况，
计测第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度，
基于计测的所述第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度、和从所述第1时刻起所述单位时间前的电池余量，递归地算出所述第1时刻下的电池余量，
利用所述电池余量推测电池特性的时效变化系数，
判断是否执行了所述时效变化系数的推测既定次数，
算出所述时效变化系数的平均值，
由所述时效变化系数的平均值算出电池特性的时效变化，更新所述电池特性的时效变化的推测值。
8.如权利要求6所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述电池余量预测装置中，
具备作为电池负载的恒流源，当判定为以电池动作的***的动作电流处于既定电流以下的状态时，激活所述恒流源并在所述电池电流成为恒流状态之后，测定所述电池电压及电池温度，推测所述电池特性的时效变化。
9.如权利要求8所述的电池余量预测装置，其特征在于，
所述时效变化推测流程中，
判断电池特性是否处于计测可能状态，
在处于计测可能状态的情况下，以所述恒流源为电池负载，
计测既定时间的经过，
在经过既定时间后，计测第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度，
基于计测的所述第1时刻的电池电压及电池温度和从所述第1时刻起单位时间后的电池电压及电池温度、和从所述第1时刻起所述单位时间前的电池余量，递归地算出所述第1时刻下的电池余量，
利用所述电池余量推测电池特性的时效变化系数，
判断是否执行了所述时效变化系数的推测既定次数，
在执行了所述既定次数的情况下，将所述恒流源从所述电池断开，
算出所述时效变化系数的平均值，
由所述时效变化系数的平均值算出电池特性的时效变化，更新所述电池特性的时效变化的推测值。
10.如权利要求1所述的电池余量预测装置，其特征在于，
进行电池余量预测运算的时间间隔设为2N秒，其中N为整数。
11.一种电池组，其特征在于，具备：
在连接负载的第一及第二外部端子之间串联连接的用于电池及负载电流控制的MOSFET；
与所述电池的两端连接、监视所述电池的状态而控制所述MOSFET的控制电路；以及
与所述电池的两端连接、预测所述电池的余量的权利要求1至10的任一项所述的电池余量预测装置。
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