TWI491901B - Battery metering method, metering device and battery-powered equipment - Google Patents
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Description
本發明關於電池供電設備，尤其關於一種電池電量的計量方法及計量裝置。
目前在手機、筆記本等可攜式電子裝置中，最常用的電池為鋰離子電池，而在這些設備的使用過程中，電池的電量狀態SOC(stage of charge)是一個很重要的物理量，它能夠讓使用者對剩餘的電量有一個客觀的瞭解。現有技術中存在多種計量電子裝置的電池電量的作法，如比較常用的電壓法，直接將電池輸出端電壓分成不同的區間並對應顯示不同的電量，即通過單一的電池電壓與電量的關係來計算剩餘電量。但是電池電壓與電量並不是絕對的對應關係，還會受到放電電流和工作溫度的影響。因此在這種情況下，很容易給予使用者錯誤的提示，甚至會出現誤警報、誤關機的情況。
另外比較常用的還有通過庫侖計計算充入電池的電量和放出電池的電量的方法以及阻抗跟蹤法等類比電路的方法。如專利200610150400.6中提出的一種利用庫倫計的
電量計量電路，其原理方塊圖如圖1所示，需要檢測電池組的放電電流和溫度，通過放大器電路放大後再經過校正電路和多個比較器輸入至多工器進行顯示。其中校正電路包括裝置141-149以及加法器152、154和156等多個元件。可見這種計量電路雖然採用的是多種資料模型的形式，但其類比電路的結構非常複雜，隨著使用次數的增加，庫侖計的誤差將越來越大，另外對於電池放電電流的多次測量也會產生累計的誤差，這些都將影響到電池電量的精度。
有鑑於此，本發明的目的在於提供一種電池電量計量方法以及計量裝置，以克服現有技術中的計量誤差較大和計量電路過於複雜的問題。
為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：依據本發明較佳實施例的一種電池電量計量方法，包括：檢測電池輸出端電壓和溫度；根據上一時刻的電池開路電壓得到與之對應的第一校正係數；根據電池溫度得到與之對應的第二校正係數；利用所述電池輸出端電壓、第一校正係數、第二校正係數、上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；
將即時的電池開路電壓轉換為電池電量進行顯示。
進一步的，包括下列步驟：根據所述電池開路電壓的變化速率判斷電池是否處於鬆弛狀態；當電池處於鬆弛狀態時，設置所述電池開路電壓等於所述電池輸出端電壓。
進一步的，包括下列步驟：對即時的電池開路電壓進行儲存，用以計算下一時刻的電池開路電壓。
進一步的，包括下列步驟：對電池進行測試，得到電池開路電壓與電池電量的對應關係，並據此將即時的電池開路電壓轉換為電池電量。
進一步的，包括下列步驟：對電池進行測試，得到所述第一校正係數與所述電池開路電壓的對應關係以及所述第二校正係數與所述電池溫度的對應關係。
依據本發明較佳實施例的一種電池電量計量裝置，包括：檢測裝置：用以檢測電池輸出端電壓和溫度；儲存裝置：根據儲存的資料得到與上一時刻的電池開路電壓對應的第一校正係數、與電池溫度對應的第二校正係數；計算裝置：根據所述電池輸出端電壓、第一校正係數、第二校正係數、上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；顯示裝置：將即時的電池開路電壓轉換為電池電量進行顯示。
較佳的，進一步包括一校準電路；所述校準電路與所述檢測裝置、計算裝置相連接，並根據電池開路電壓的變化速率判斷電池是否處於鬆弛狀態，並在電池處於鬆弛狀態時設置所述電池開路電壓等於所述電池輸出端電壓。
較佳的，所述儲存裝置對即時的電池開路電壓進行儲存，用以計算下一時刻的電池開路電壓。
較佳的，所述儲存裝置儲存表示電池開路電壓與電池電量的對應關係的資料以提供給顯示裝置；電池開路電壓與電池電量的對應關係通過對電池進行測試得到。
較佳的，所述儲存裝置儲存通過電池測試得到的表示電池開路電壓與第一校正係數的對應關係以及電池溫度與所述第二校正係數的對應關係的資料。
依據本發明較佳實施例的一種電池供電設備，包括充電電源、電池、用電設備，還包括依據本發明的任一項電池電量計量裝置；所述充電電源對電池進行充電以向用電設備提供電能；所述電池電量計量裝置用以計量並顯示電池電量。
經由上述的技術方案可知，與現有技術相比，本發明提供了一種用數位電路實現電量計量的方法，通過建立電池的等效模型並對電池進行一系列的測試，只需檢測電池輸出端電壓以及工作溫度再通過數位電路進行計算即可得到電池電量，電路實現比較簡單同時電壓檢測代替電流檢
測能夠進一步提高電量計量的精度。通過下文較佳實施例的具體描述，本發明的上述和其他優點更顯而易見。
S301‧‧‧檢測電池輸出端電壓V bat
和溫度
S302‧‧‧根據上一時刻的電池開路電壓得到與之對應的第一校正係數K1
S303‧‧‧根據電池溫度得到與之對應的第二校正係數K2
S304‧‧‧利用所述電池輸出端電壓、第一校正係數K1
、第二校正係數K2
、上一時刻的電池開路電壓以及與
上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓
S305‧‧‧將即時的電池開路電壓轉換為電池電量並進行顯示
500‧‧‧電池電量計量裝置
501‧‧‧檢測裝置
502‧‧‧儲存裝置
503‧‧‧計算裝置
504‧‧‧顯示裝置
601‧‧‧校準電路
為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的實施例，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據提供的附圖獲得其他的附圖。
圖1所示為依據現有技術的一種電池電量計量電路的原理方塊圖；圖2所示為電池的等效電路模型；圖3所示為依據本發明一實施例的電池電量計量方法的流程圖；圖4所示為電池的開路電壓與電池電量(OCV-SOC)的關係曲線；圖5所示為依據本發明一實施例的電池電量計量裝置的原理方塊圖；圖6所示為依據本發明又一實施例的電池電量計量裝置的原理方塊圖。
以下結合附圖對本發明的幾個較佳實施例進行詳細描
述，但本發明並不僅僅限於這些實施例。本發明涵蓋任何在本發明的精髓和範圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。為了使公眾對本發明有徹底的瞭解，在以下本發明較佳實施例中詳細說明了具體的細節，而對本領域技術人員來說沒有這些細節的描述也可以完全理解本發明。
目前國內外普遍採用電池的電量狀態SOC來描述電池電量，用以表示電池的剩餘能量。而電池的SOC除了用電設備的耗電，一般還受到電池內部壓降的影響，而電池的內部壓降與電池的溫度以及電池開路電壓的變化相關。參照圖2所示的電池的等效電路模型可以看出，電池的內部結構可以等效為兩個串聯的可控電壓源：電池的內部壓降V int
和電池開路電壓V ocv
(Open Circuit Voltage)，而電池輸出端電壓V bat
可以表示為兩個可控電壓源之和，即V bat
=V int
+V ocv
。
根據實際經驗以及資料擬合，所述電池內部壓降V int
和電池開路電壓V ocv
以及電池溫度的關係可以用第一校正係數K1
、第二校正係數K2
表示為式子(1)，其中所述第一校正係數K1
與電池開路電壓V ocv
具有對應關係，第二校正係數K2
與電池溫度具有對應關係：
將式(1)代入電池輸出端電壓公式中可得到以下關於電池開路電壓V ocv
的關係式：
將式子(2)進行離散化後，得到以下式子：
其中△t代表第k個取樣時刻與第(k-1)個取樣時刻之間的時間間隔。對式子(3)進行整理推導出：
由上面的式子關係可以看出，在已知即時的電池輸出端電壓V bat
、上一時刻的電池開路電壓V ocv
(k-1)的數值以及與之對應的第一校正係數K1
、與電池溫度對應的第二校正係數K2
的情況下，即可以計算出即時的電池開路電壓。
因此由上述電池等效電路模型的建立和分析可以得到電池電量的計量方法。參考圖3，所示為依據本發明的電池電量的計量方法的流程圖，其中包括以下步驟：S301：檢測電池輸出端電壓V bat
和溫度；S302：根據上一時刻的電池開路電壓得到與之對應的第一校正係數K1
；
S303：根據電池溫度得到與之對應的第二校正係數K2
；S304：利用所述電池輸出端電壓、第一校正係數K1
、第二校正係數K2
、上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；S305：將即時的電池開路電壓轉換為電池電量並進行顯示。
其中步驟S304中可以進一步包括：對計算得到的即時的電池開路電壓進行儲存，用以計算下一時刻的電池開路電壓。即儲存計算得到的第k個取樣時刻的電池開路電壓V ocv
(k)，用以計算第(k+1)個取樣時刻的電池開路電壓V ocv
(k+1)。
由此可以看出每一時刻的電池開路電壓均有上一時刻的電池開路電壓計算得到，而初始時刻的電池開路電壓即等於初始的電池輸出端電壓。
由於電池開路電壓與電池電量具有一定的對應關係，而這種關係可通過對電池進行測試得到其OCV-SOC關係曲線，如圖4所示的鋰電池OCV-SOC關係曲線圖。因此在步驟S305中，可以進一步包括以下方法：對電池進行測試，得到電池開路電壓與電池電量的對應關係，並將相應的資料以對照表的形式進行儲存，通過計算得知即時的電池開路電壓後通過查表即得到電池電量SOC的值。
依據本發明的電量計量方法還可以進一步包括：對電池進行測試，得到所述第一校正係數K1
與所述電池開路
電壓的對應關係以及所述電池溫度與所述第二校正係數K2
的對應關係，並將相應資料進行儲存；這樣在計算的過程中根據上一時刻的電池開路電壓以及檢測到的電池溫度，對照儲存的資料既可以得到用於即時計算的第一、第二校正係數K1
、K2
。
對於所述第一校正係數K1
和第二校正係數K2
的測試可以具體取樣如下做法：利用型號、性能、參數、製造工藝完全相同的同一批次的電池若干塊，將其置於恆溫箱中，利用高精度的萬用表檢測並記錄電池的充放電電壓和電流，對記錄的資料進行數位統計分析以得到所需資料。
電池長期處於閒置不用的鬆弛狀態後再重新使用電池時，需要對電池電量進行校準，較佳的校準方法可以採用下列步驟：
檢測電池開路電壓V ocv
的微分值是否小於一定的閾值，如果在一定的時間內，(一般為1.5小時~3個小
時)始終小於設定的閾值，即所述開路電壓的變化速率長時間保持在設定值以下，就判定電池處於鬆弛狀態，此時設置電池開路電壓等於電池輸出端電壓(V ocv
(k
)=V bat
(k
))，以對電池電量的計量進行校準，保證電池從鬆弛狀態轉變為工作狀態的初始時刻，電量顯示更加精準。
由以上說明可以看出：本發明提供了一種用數位電路實現電量計量的方法，通過建立電池的等效模型並對電池
進行一系列的測試，只需檢測電池輸出端電壓以及工作溫度再通過數位電路進行計算即可得到電池電量，電路實現比較簡單同時無需檢測放電電流。
另外，本發明還提供一種電池電量計量裝置，圖5中用電設備的供電電池與電池電量計量裝置500相連接，所述電池電量計量裝置包括：檢測裝置501：用以檢測電池輸出端電壓V bat
和溫度；儲存裝置502：接收所述檢測裝置501提供的電池溫度的資訊，並根據儲存的資料得到與上一時刻的電池開路電壓對應的第一校正係數K1
以及與電池溫度對應的第二校正係數K2
；計算裝置503：接收所述檢測裝置501提供的電池輸出端電壓V bat
，並根據儲存裝置502提供的第一校正係數K1
、第二校正係數K2
和上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；顯示裝置504：與所述計算裝置503相連接，將即時的電池開路電壓轉換為電池電量進行顯示。
其中所述計算裝置503和儲存裝置502可以實現資料的雙向傳輸，所述計算裝置503將計算得到的即時的電池開路電壓的資料傳輸至所述儲存裝置502進行儲存，在計算下一時刻的電池開路電壓時再由所述儲存裝置502傳輸至所述計算裝置503。
其中所述顯示裝置504還與所述儲存裝置502相連
接，所述儲存裝置502儲存通過電池測試得到的電池開路電壓與電池電量的對應關係的資料(OCV-SOC關係曲線)並提供給所述顯示裝置504，以將電池開路電壓轉換為電池電量。
進一步的，所述儲存裝置502儲存通過電池測試得到的表示所述第一校正係數與所述電池開路電壓的對應關係以及電池溫度與所述第二校正係數的對應關係的資料(具體測試方法已經在前文有所介紹，不再贅述)，將資料以對照表的形式儲存，以為計算裝置提供計算參數。
圖6所示的電池電量計量裝置，是在圖5所示實施例的基礎上加入了一校準電路601，其與所述檢測裝置501和計算裝置503相連接，用以在電池長期處於閒置不用的鬆弛狀態再重新使用時對電池電量進行校準。
所述校準電路601根據電池的開路電壓的變化速率判斷電池是否處於鬆弛狀態，所述開路電壓的變化速率長時間保持在設定值以下，就判定電池處於鬆弛狀態，此時所述校準電路根據檢測裝置501提供的電池輸出端電壓，對計算裝置輸出的電池開路電壓進行設置，使其等於所述電池輸出端電壓(V ocv
(k
)=V bat
(k
))，以對電池電量的計量進行校準，保證電池從鬆弛狀態轉變為工作狀態的初始時刻，電量顯示更加精準。
本發明還提供一種電池供電設備，包括充電電源、電池、用電設備以及依據本發明的任一合適的電池電量計量裝置；所述充電電源對電池進行充電以向用電設備提供電
能；所述電池電量計量裝置用以計量並顯示電池電量。由此可見包括依據本發明的電池電量計量裝置的供電設備也在本發明的保護範圍之內。
另外，還需要說明的是，在本文中，術語“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設備不僅包括那些要素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設備所固有的要素。
對所提供的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所提供的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。
Claims (11)
- 一種電池電量計量方法，其特徵在於，包括：檢測電池輸出端電壓和溫度；根據上一時刻的電池開路電壓得到與之對應的第一校正係數；根據電池溫度得到與之對應的第二校正係數；利用該電池輸出端電壓、第一校正係數、第二校正係數、上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；將即時的電池開路電壓轉換為電池電量進行顯示。
- 根據申請專利範圍第1項所述的電池電量計量方法，其中，進一步包括：根據該電池開路電壓的變化速率判斷電池是否處於鬆弛狀態；當電池處於鬆弛狀態時，設置該電池開路電壓等於該電池輸出端電壓。
- 根據申請專利範圍第1項所述的電池電量計量方法，其中，進一步包括：對即時的電池開路電壓進行儲存，用以計算下一時刻的電池開路電壓。
- 根據申請專利範圍第1項所述的電池電量計量方法，其中，進一步包括：對電池進行測試，得到電池開路電壓與電池電量的對應關係，並據此將即時的電池開路電壓轉換為電池電量。
- 根據申請專利範圍第1項所述的電池電量計量方 法，其中，進一步包括：對電池進行測試，得到該第一校正係數與該電池開路電壓的對應關係以及該第二校正係數與該電池溫度的對應關係。
- 一種電池電量計量裝置，其特徵在於，包括：檢測裝置，用以檢測電池輸出端電壓和溫度；儲存裝置，根據儲存的資料得到與上一時刻的電池開路電壓對應的第一校正係數、與電池溫度對應的第二校正係數；計算裝置，根據該電池輸出端電壓、第一校正係數、第二校正係數、上一時刻的電池開路電壓以及與上一時刻的時間間隔計算即時的電池開路電壓；顯示裝置，將即時的電池開路電壓轉換為電池電量進行顯示。
- 根據申請專利範圍第6項所述的電池電量計量裝置，其中，進一步包括一校準電路；該校準電路與所述檢測裝置、計算裝置相連接，並根據電池開路電壓的變化速率判斷電池是否處於鬆弛狀態，並在電池處於鬆弛狀態時設置該電池開路電壓等於該電池輸出端電壓。
- 根據申請專利範圍第6項所述的電池電量計量裝置，其中，該儲存裝置對即時的電池開路電壓進行儲存，用以計算下一時刻的電池開路電壓。
- 根據申請專利範圍第6項所述的電池電量計量裝置，其中，該儲存裝置儲存表示電池開路電壓與電池電量 的對應關係的資料以提供給顯示裝置；電池開路電壓與電池電量的對應關係通過對電池進行測試得到。
- 根據申請專利範圍第6項所述的電池電量計量裝置，其中，該儲存裝置儲存通過電池測試得到的表示電池開路電壓與第一校正係數的對應關係以及電池溫度與該第二校正係數的對應關係的資料。
- 一種電池供電設備，包括充電電源、電池、用電設備，其特徵在於，包括申請專利範圍第6至10項中任一項所述的電池電量計量裝置；該充電電源對電池進行充電以向用電設備提供電能；該電池電量計量裝置用以計量並顯示電池電量。
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