TW201640132A - 電池殘量預測裝置以及電池包 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種雖為低成本但可高精度預測充電電池的電池殘量的電池包。一種電池殘量預測裝置，藉由第一運算流程來預測電池的殘量，該第一運算流程是基於測定出的電池電壓及電池溫度、與根據電池殘量變化算出的電流值及電池內部電阻，來回歸計算出電池開路電壓與電池殘量。而且，提供一種電池殘量預測裝置，亦藉由第二運算流程來預測所述電池的殘量，該第二運算流程是在採用電池負載進行規定期間的恆電流放電後，基於恆電流放電開始前的電池殘量、恆電流放電即將停止之前的電池電壓、與恆電流放電停止後的已穩定的電池電壓，來計算出電池容量與電池內部電阻。

Description

電池殘量預測裝置以及電池包
本發明是有關於一種電池包（battery pack），尤其是有關於一種對Li離子（ion）充電電池等的電池殘量進行預測的電池殘量預測裝置。
充電電池被用於以可攜式機器為代表的多種裝置中，需要對充放電進行管理的電池管理系統。尤其在機器工作時需要更準確地知曉電池的工作時間，因此使用電池殘量預測裝置。
具備以往的電池殘量預測裝置的電池包如圖5所示。以往的電池殘量預測裝置20具備：中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）21，進行信號處理運算；隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）22，用於信號處理運算時；類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）23，用於對以位準（level）轉換器26將充電電池7的1電芯（cell）量的電池電壓進行轉換後的電池電壓進行檢測；ADC 24，用於對在檢測充電電池7的電流的電流感測（sense）電阻6中產生的電壓進行檢測；以及非揮發性記憶體（non-volatile memory）25，預先保持有電池的特性資料等。本電池殘量預測裝置根據充電電池7的電壓、與由庫侖計（Coulomb counter）自使用電流感測電阻6所計測的充電電池7的電流值而求出的移動電荷量等，來求出電池殘量。對於高精度的殘量預測，需要充電電池7的電壓及電流的高精度計測。 尤其，若著眼於電流計測，則電流感測電阻6要求高精度的電阻值。 現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：美國專利第6789026號說明書
[發明所欲解決之課題]     具備以往的電池殘量預測裝置20的電池包為了進行高精度的電池殘量預測，需要高精度且電流容許量大的電流感測電阻6。因此存在電流感測電阻6昂貴且尺寸大的問題。 [解決課題之手段]
本發明的電池殘量預測裝置為了解決所述問題而採用了以下結構。 一種電池殘量預測裝置，藉由第一運算流程來預測電池的殘量，該第一運算流程是基於測定出的電池電壓及電池溫度、與根據電池殘量變化算出的電流值及電池內部電阻，來回歸計算出電池開路電壓與電池殘量。而且，一種電池殘量預測裝置，亦藉由第二運算流程來預測所述電池的殘量，該第二運算流程是在採用電池負載進行規定期間的恆電流放電後，基於恆電流放電開始前的電池殘量、恆電流放電即將停止之前的電池電壓、與恆電流放電停止後的已穩定的電池電壓，來計算出電池容量與電池內部電阻。 （發明的效果）
根據本發明的殘量預測裝置，可基於檢測出的電池電壓來進行高精度的電池殘量預測，因此不需要電流感測電阻。因而，能以小尺寸且低成本來提供電池包。
圖1是具備第一實施形態的電池殘量預測裝置的電池包的方塊圖。第一實施形態的電池包具備電池殘量預測裝置1、充電電池7、充放電控制用的金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）8、充放電控制電路15、與外部端子18及外部端子19。 電池殘量預測裝置1具備電壓檢測部11、控制部16以及進行殘量預測等的運算部12。
第一實施形態的電池包以下述方式連接。 電池殘量預測裝置1連接於充電電池7的兩端。MOSFET 8被設置於外部端子19與充電電池7的負極之間。充放電控制電路15連接於充電電池7的兩端，輸出端子連接於MOSFET 8。在外部端子18及外部端子19上，連接有作為負載3的應用系統（application system）。電壓檢測部11的輸入端子上連接有充電電池7的正極，輸出端子連接於控制部16。控制部16的輸出端子連接於運算部12。
電壓檢測部11檢測充電電池7的端子電壓及溫度，並輸出至控制部16。控制部16例如具備計時器（timer）電路、RAM或非揮發記憶體等記憶裝置等。運算部12基於控制部16的資訊及控制，來高精度地對充電電池7的電池殘量進行預測計算。即，電池殘量預測裝置1執行圖2所示的高精度殘量預測運算流程，從而高精度地預測計算充電電池7的電池殘量。
第一實施形態的電池殘量預測裝置以下述方式進行動作，從而高精度地預測充電電池7的電池殘量。 圖2是第一實施形態的電池殘量預測裝置的電池殘量預測運算流程。在電池安裝時等的初始狀態下，充電電池7的電池殘量不明。因而，在步驟S1及步驟S2中計算出充電電池7的電池殘量的初始值SOCo。
在步驟S1中，利用電壓檢測部11來檢測充電電池7的電池端子電壓VBo及電池溫度To。假設充電電池7中無電流流動，則此時的電池端子電壓VBo等於電池開路電壓OCV。
電池的開路電壓OCV、電池殘量（充電狀態）SOC與電池溫度T視電池的種類而存在規定關係，式1表示該關係。   OCV=focv(SOC,T)      （1）   其中，式1的focv(SOC,T)難以用函數來表示，因此例如以預先測定所得的數值表（table）來定義。
在步驟S2中，設電池開路電壓為VBo、電池溫度為To，根據式1計算出電池殘量的初始值SOCo。 在步驟S3中，對時間tc進行計數。並且，每隔時間tc而執行步驟S4以後的電池殘量預測運算。
在步驟S4中，利用電壓檢測部11來檢測充電電池7的電池端子電壓VBn及電池溫度Tn。 在步驟S5中，根據前次的電池殘量SOCn-1與在步驟S4中檢測出的電池電壓VBn和電池溫度Tn，計算出當前的電池殘量SOCn、開路電壓OCVn、電池電流In。
作為必須規定為電池特性的特性，除了式1中假定的特性以外，還有電池內部阻抗（impedance）Rzb與電池容量Qmax。該些特性是在製造初期便帶有的固有特性。作為內部阻抗特性，假定式2。   Rzb=fzb(SOC,T)         （2）   若設此時刻的電池電流為In，則電池端子電壓VBn與此時刻的開路電壓由以下的關係式來表示。
focv(SOCn,Tn)-VBn=In·fzb(SOCn,Tn)          （3）   式3表示：電池開路電壓focv(SOCn,Tn)與電池端子電壓VBn的差電壓（左邊），等於因電池電流In與電池內部阻抗fzb(SOCn,Tn)造成的電壓降（右邊）。若考慮此時的電流In是將tc時間前至當前時刻為止的電荷移動量除以時間tc所得者，則可由式4來表示。
In=-(SOCn-SOCn-1)·Qmax/tc        （4）   右邊的分子是殘量的變化與電池容量Qmax之積，表示移動電荷量。再者，將電流從電池輸出的方向設為正。式3與式4必須同時成立，將電池電流In與殘量SOCn設為未知的變量，可作為聯立方程式的解而求出。因而，無須實際計測電池電流便可預測電池殘量。
藉由在步驟S5中執行以上的運算，分別計算出電池殘量SOCn、開路電壓OCVn（≡focv(SOCn,Tn)）、電池電流In。在步驟S6中，將該些計算出的各數值寫入保持於RAM或非揮發記憶體等記憶措置中。藉由反覆執行以上的步驟S3～步驟S6，從而進行殘量預測。
如上所述，根據本發明的實施形態，無須實際檢測電池電流便可預測電池殘量，因而，不再需要以往為了檢測電池電流所需的高精度電流感測電阻，從而可實現成本降低、安裝尺寸降低。
圖3是表示具備第二實施形態的電池殘量預測裝置的電池包的另一例的方塊圖。 殘量預測裝置2具備已知的設為電池負載的恆電流源4以及開關（switch）5。而且，殘量預測裝置2包含：控制部17，具備對已知恆電流源進行通斷（ON/OFF）控制的開關5的控制功能等；以及運算部13，亦使用已知恆電流源的通斷資訊來進行殘量預測運算。本發明的實施形態的目的在於亦一併提供對電池容量的下降或電池內部阻抗的增加等經年變化進行預測的手段。
第二實施形態的電池殘量預測的運算流程除了圖2的電池殘量預測運算流程以外，還具備圖4所示的電池特性預測運算流程。作為執行電池特性預測運算流程的條件，須處於作為電池負載的應用系統停止或者休眠（sleep）狀態等極低消耗電流狀態下，在電池電流小於所需電流的狀態下執行。
以下，對電池特性預測運算流程進行說明。 步驟S1中，判定是否執行電池特性預測。為了判斷電池特性預測的執行可否啟動，監視執行旗標（flag）Flag，當檢測到旗標豎立（本例中為Flag=1）時啟動電池特性預測運算。
在步驟S2中，求出在電池殘量預測運算流程中計算出的開路電壓OCVj與所檢測出的電池端子電壓VBj的電壓之差，判定該差是否為所需的電壓δv以下，在為以下的時刻，前進至下個步驟S3。
在步驟S3中，將|OCVj-VBj|≦δv的時刻的電池殘量SOCj保持於RAM等記憶裝置中。並且，連接殘量預測裝置2中具備的已知的恆電流源4以作為電池7的負載，電池7因恆電流源4而以恆電流Idi進行放電。
在步驟S4中，對所期望的恆電流放電時間(k·tc)的經過進行監視，當檢測到時，前進至步驟S5。 在步驟S5中，將放電即將停止之前的電池端子電壓VB(k·tc) 、電池溫度T(k·tc) 保持於RAM等記憶裝置中。並且，從電池7切斷已知的恆電流源4。
在步驟S6中，對恆電流源4切斷後的開路電壓OCVm與電池端子電壓VBm的差電壓（=|OCVm-VBm|）進行監視，判定該電壓之差是否為所需的電壓δv2以下，在為以下的時刻前進至下個步驟S7。 在步驟S7中，將所述差電壓達到所需電壓δv2以下的時刻的電池殘量SOCm、開路電壓OCVm、電池溫度Tm保持於RAM等記憶裝置中。
在步驟S8中，基於電池殘量SOCj、恆電流值Idi、恆電流放電時間k·tc、電池端子電壓VB(k·tc) 、電池溫度T(k·tc) 、電池殘量SOCm、開路電壓OCVm、電池溫度Tm，計算出作為電池特性的電池容量、電池內部阻抗。 以下詳述步驟S8中的電池特性計算方法。
首先，對於電池容量的計算進行說明。 恆電流Idi下的恆電流放電開始前、放電停止後的電池殘量分別作為SOCj、SOCm而計算出。該電池殘量的變化源於恆電流放電引起的電荷移動，因此若設電池容量為Qrmx，則成為式5。
Idi·k·tc=(SOCj-SOCm)·Qrmx        （5）   式5的左邊是以恆電流Idi放電k·tc的時間的電荷量，等於式5右邊的電池殘量的變化與電池容量之積。因而，經年變化後的電池容量Qrmx可作為式6而計算出。   Qrmx=Idi·k·tc/(SOCj-SOCm)      （6）
接下來，對於電池內部阻抗的計算進行說明。 若設恆電流放電即將停止之前的電池端子電壓為VB(k·tc) 、此時的電池開路電壓為OCV(k·tc) 、電池內部阻抗為Rz，則其關係由式7來表示。   OCV( k·tc) -VB(k·tc) =Idi·Rz        （7）   式7的左邊是電池開路電壓與電池端子電壓的差電壓，該差電壓等於因恆電流Idi與電池內部阻抗Rz造成的電壓降。
此外，若使用恆電流放電停止後的電池殘量SOCm、恆電流放電即將停止之前的電池溫度T(k·tc) 、及電池開路電壓OCV與殘量SOC、溫度T依存性數式OCV=focv(SOC,T)，則恆電流放電即將停止之前的電池開路電壓OCV(k·tc) 可作為式8而計算出。   OCV( k · tc) =focv(SOCm,T(k·tc) )       （8）   根據式7與式8，可利用式9來求出電池內部阻抗Rz。
Rz=(focv(SOCm,T(k·tc) )-VB(k·tc) )/Idi         （9）   在步驟S9中，使步驟S8中求出的經年變化後的電池容量與電池內部阻抗反映到用於殘地殘量預測的電池特性資料中。 在步驟S10中，伴隨電池特性預測運算的結束，將預測執行旗標Flag重置（reset）（本例中為Flag=0）。
如以上所說明般，根據第二實施形態的電池殘量預測裝置，亦可預測電池特性的經年變化，因此可持續地進行高精度的殘量預測，由於不進行電流檢測亦可實現，因此不需要以往的電流感測電阻，在低成本化、安裝尺寸降低方面具有效果。
1、2‧‧‧殘量預測裝置
3‧‧‧負載
4‧‧‧恆電流源
5‧‧‧開關
6‧‧‧電流感測電阻
7‧‧‧充電電池
8‧‧‧MOSFET
11‧‧‧電壓檢測部
12、13‧‧‧運算部
15‧‧‧充放電控制電路
16、17‧‧‧控制部
18、19‧‧‧外部端子
20‧‧‧電池殘量預測裝置
21‧‧‧CPU
22‧‧‧RAM
23、24‧‧‧ADC
25‧‧‧非揮發性記憶體
26‧‧‧位準轉換器
Idi‧‧‧恆電流
S1～S10‧‧‧步驟
圖1是具備第一實施形態的電池殘量預測裝置的電池包的方塊圖。 圖2是第一實施形態的電池殘量預測裝置的電池殘量預測運算流程。 圖3是具備第二實施形態的電池殘量預測裝置的電池包的方塊圖。 圖4是第二實施形態的電池殘量預測裝置的電池特性預測運算流程。 圖5是具備以往的電池殘量預測裝置的電池包的方塊圖。
1‧‧‧殘量預測裝置
3‧‧‧負載
7‧‧‧充電電池
8‧‧‧MOSFET
11‧‧‧電壓檢測部
12‧‧‧運算部
15‧‧‧充放電控制電路
16‧‧‧控制部
18、19‧‧‧外部端子

Claims (3)

  1. 一種電池殘量預測裝置，計測電池的電壓，以預測所述電池的殘量，所述電池殘量預測裝置的特徵在於包括： 電壓檢測部，對所述電池的電池電壓及電池溫度進行測定； 運算部，基於所述電池電壓及所述電池溫度來預測計算電池殘量；以及 控制部，控制所述電池殘量預測裝置的動作及所述運算部， 所述電池殘量預測裝置藉由如下運算流程來預測所述電池的殘量，所述運算流程是基於測定出的所述電池電壓及所述電池溫度、與根據電池殘量變化算出的電流值及電池內部電阻，來回歸計算出電池開路電壓與所述電池殘量。
  2. 一種電池殘量預測裝置，計測電池的電壓，以預測所述電池的殘量，所述電池殘量預測裝置的特徵在於包括： 電壓檢測部，對所述電池的電池電壓及電池溫度進行測定； 運算部，基於所述電池電壓及所述電池溫度來預測計算電池殘量； 控制部，控制所述電池殘量預測裝置的動作及所述運算部；以及 恆電流源，作為所述電池的負載， 所述電池殘量預測裝置藉由第一運算流程與第二運算流程來預測所述電池的殘量， 所述第一運算流程是基於測定出的所述電池電壓及所述電池溫度、與根據電池殘量變化算出的電流值及電池內部電阻，來回歸計算出電池開路電壓與所述電池殘量， 所述第二運算流程是在連接所述恆電流源來作為所述電池的負載而進行規定期間的恆電流放電後，基於所述恆電流放電開始前的電池殘量、所述恆電流放電即將停止之前的電池電壓、與所述恆電流放電停止後的已穩定的電池電壓，來計算出電池容量與所述電池內部電阻。
  3. 一種電池包，其特徵在於包括： 電池及負載電流控制用的金屬氧化物半導體場效電晶體，串聯連接於連接負載的第一及第二外部端子之間； 控制電路，連接於所述電池的兩端，監視所述電池的狀態，並控制所述金屬氧化物半導體場效電晶體；以及 如申請專利範圍第1項或第2項所述的電池殘量預測裝置，連接於所述電池的兩端，預測所述電池的殘量。
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