TWI451113B - Battery performance monitoring - Google Patents

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Description

電池性能監控
本發明一般相關評估電池狀況的領域，尤其相關例如機動車輛及船舶應用中，在蓄電池受到各樣負載及再充電順序約束的環境中，所使用電池的充電狀態及健康狀態的評估。
1.概述
大眾運輸車輛、商用卡車、軍用設備、船舶、飛機、電傳設備、電氣車輛、電腦系統及其他許多裝置的安全及可靠操作，需要整合在該等系統中的電池具備可預測及可靠的性能。本發明相關電池監控設備，尤其相關用以監控一或多個電池狀況的方法及裝置，尤其用以不斷地監控一或多個電池在使用中的性能特徵。
過去，監控此類應用中所用電池的狀況有所困難。此項困難的一方面相關與電池系統相關聯的許多變數，包括動態及不可預期的工作週期、負載、環境、連接、充電系統、電池年齡、電池與電池的互動等。除了與監控受此類變數約束的電池系統相關聯的困難外，在許多應用中方便地安裝一監控系統亦有困難。此困難相關該(或該等)電池位置與操作者位置相隔甚遠。例如，在一汽車中，該電池可位在引擎室內，而受惠於電池性能資訊的駕駛員(或該系統)則位在座艙內，此出現一接線問題，尤其若此一系統安裝於一先存在的車輛中。困難也與區分一恰好放電的良好狀況電池與一到達或接近使用壽命終點的電池相關聯。最後，電池是使用在要求不同監控技術的不同環境中；更特定地，監控需要在短時間吸引高電流的引擎啟動服務中使用的電池，與通常在較長時間吸引較少電流的"深週期"應用中使用的電池，適用不同技術。
更特定地，在許多電池應用中，例如，汽車及船舶應用，車 輛系統及駕駛員了解電池的充電狀態("SOC")(有時稱為充電程度)及電池的健康狀態("SOH")(有時稱為電池壽命)是有用且重要的。SOC常以百分比表示，以便在100% SOC的電池視為完全充電，及在0% SOC的電池視為完全放電。SOH亦通常以百分比表示，以便將呈現100% SOH的電池視為新電池，及在0% SOH的電池已達其有用壽命終點，僅能在完全充電儲存是新電池時所能儲存能量的一部分(通常設定在60%)。
尤其地，通稱為止起式車輛的一類汽車例如當該車輛遇紅綠燈減速或休止時自動關掉引擎。當車輛關掉引擎休止時，頭燈、空調、媒體設備等所有車輛系統是由電池供電。當駕駛想加速時，車輛自動命令引擎啟動，以便車輛能繼續行駛。此類車輛中的自動引擎控制系統(ECS)因該系統必須一直確保電池中仍有足夠能量以啟動引擎，因此需要極準確的SOC資訊。基於SOC資訊，ECS若判定仍有足夠電池能量，則將容許自動關閉引擎。同樣地，若SOC下降到一預設臨限值以下，即使駕駛未曾應用加速器，為將電池充電，ECS亦會命令引擎啟動。
SOH資訊亦重要，主要是當電池達到其有用壽命終點時便於容許前攝地更換電池，而非正在使用車輛時電池不便地故障。更特定地，SOH測量電池儲存能量的能力，其隨著電池年齡而減低。電池的SOH是藉由該電池在完全充電時能儲存的能量與是新電池時可儲存的能量相比較而得出。例如，具有100安培-小時(Ah)容量的新電池當完全充電時僅能儲存60Ah的能量時，可視為已達壽命終點(SOH=0%)。
因此，為一起止式車輛(及其他許多電池應用中)的適當操作，必須準確地評估SOH及SOC以確保電池一直包含足夠能量以適當作用在該系統中。
2.專用術語
電池的不同部分及相關工業以不同方式使用相同術語，尤其是"容量"；定義數個術語如下，以便清楚了解本發明。
目前能力("Ca")-一電池在任一已知時間所儲存能量的度量。
最大能力("Cm")-一電池在其整個壽命期間的任一點可儲 存最大能量的度量。
有效能力("Ce")-一電池在其壽命中的一已知點可儲存最大能量的度量。
生命終點能力("Ceol")-一電池在其有用壽命終點可儲存能量的度量。
因此，當一電池在高峰狀況中(通常是剛使用不久，如以下的討論)及完全充電時，其目前能力Ca等於其有效能力Ce，及此有效能力等於其最大能力Cm。
隨著時間經過，一電池的有效能力Ce相對於其最大能力Cm而減少；Ce與Cm的關係稱為電池的健康狀態("SOH")。當一電池的有效能力Ce等於其生命終點能力Ceol時即視為超出使用期限。Ceol可隨意地設定，如設定成0.6 Cm。為以百分比表示SOH，以便當Ce=Cm時SOH=100%，當Ce=Ceol時SOH=0%，因此Ce-Ceol除以Cm-Ceol及乘以100。
在任一已知時間，一電池可部分地放電，以便其目前能力Ca有點小於其有效能力Ce；Ce與Ca的關係稱為電池的充電狀態("SOC")。如上述，SOC可由Ca/Ce x 100以百分比表示。
3.先前技藝說明
電池測試的領域已極為活躍，且已研發出許多不同技術用以評估一電池狀況的各種方面。為說明各種解決方法的缺點，首先將此藝採用的主要解決方法簡短分類如下，以便可立即明白在本發明較佳實施例中所使用電池評估技術的有利點。
用以評估一電池狀況各種不同方面的傳統方法包括：
1.建立一預設預期電壓放電曲線以用於該電池，測量電池電極端子之間的電壓，及比較測量的電壓與預設電壓放電曲線，用以判定電池的充電狀態(SOC)。此稱為"電壓感測"。
2.施加一重負載到該電池，及測量橫跨其電極端子的電壓降。此方法稱為"負載測試"。
3.建立一參考點以用於一電池中儲存的能量，測量隨著時間經過流進流出電池的電流，通常藉由測量橫跨一分流電阻或線圈的電壓 降，及接著與該參考點比較而估計出總剩餘能量。此方法常稱為"庫侖計數"或"電流積分"，通常使用一"VIT(電壓-電流-溫度)感測器"執行此方法。
4.藉由施加一時變小幅度交流電(AC)信號到一電池一段時間以測量該電池的"動態電導"，及測量該電壓響應，及接著基於測量結果計算該電池的"動態電導"；可參考橫跨該電池的電壓以校正此值，採用此值表示該電池充電狀態。參閱Champlin的美國專利號3,909,708及4,912,416。
以上首先提到的電壓感測方法有許多缺點。首先，每一電池型號的電壓曲線是唯一的，因此該參考曲線必須特定地匹配到單一電池型號。第二，實際放電剖析曲線隨著電池年齡而改變。第三，放電剖析曲線是基於負載大小而改變。最後，測量的電壓將重大地受到應用到該電池的負載(或充電器)的影響。例如，應用大負載的一完全充電電池將顯示一低電壓，以致將誤認為該電池在放電。
以上在第二點說明的"負載測試"方法，通常實施在先前技藝中，除了其他缺點外，尚有需要自電池吸引重大電流、干擾測量準確度與放電及可能損壞電池的缺點。
以上在第三點提到的電流分流、"VIT"，或"庫侖計數"方法亦有許多缺點。更重要地，此方法未直接測量電池中的能量位準，而僅監控進出電池的能量流動，及使用此資料以測量與一預錄參考值的背離。即使經過數個放電/再充電週期，由於無法測量或準確估計電池充電及放電的相關聯無效率，作為結果的能力估計大幅且迅速地漂離電池中的實際能量。實施此方法的裝置亦巨大且笨重，難以安裝及連接。
更特定地，上述"止起式"車輛需要極準確有關其電池SOC的資訊，已使用VIT感測器來努力。如上述，VIT感測器測量流進流出電池的電流，通常藉由測量橫跨一高度準確分流電阻的電壓降，同時亦測量溫度。此資料傳送到車輛電腦或由該感測器分析，及藉由稱為電流積分或庫侖計數的過程來評估SOC。為達成有用的SOC結果，該感測器或車輛電腦必須包括大量有關該電池及電池江如何充電放電的細節。需要此細節是因必須一直調整電流積分的結果以用於對電池中儲存能量具大衝擊的數個因子，但電流感測器無法測量該等因子。此類因子可包括電池尺寸、溫度 敏感度、速率能力及其他因子。即使具有此類細節，隨著時間經過VIT感測器及電流積分過程內在地容易累積誤差。雖然VIT感測器在一測量週期的開始可提供高度準確SOC標示，但誤差累積且在10或20個放電週期後誤差會變大，且常隨著電池年齡而變糟。
除了容易累積誤差的問題外，因校正演算法的特定本質，不可能單純地將一VIT感測器應用在任何應用中的任一電決，及期望取得有用的SOC或SOH資訊。此等缺點使VIT感測器技術限制到感測器已程式化的極特定應用中。此等限制對提供具許多不同電池的許多設備型號的汽車製造商及其他設備製造商形成問題，此外，顧客會以許多不同方式使用產品，及可相關感測器校準成以修配廠可取得的不同電池型號作用而更換該電池。在各情況中，VIT技術是無法準確地測量SOC。
以上最後提到的"AC信號"或"動態電導"方法亦有重大缺點。最重大的缺點是，當電池在使用中時，將常連接到數個負載或充電器，產生雜訊或具有對施加AC信號作出反應的成分。因此，測量的電壓響應將包括與連接到該電池的裝置元件相關聯的重大扭曲。此缺點令此方法極難在正使用一電池時，用以準確地判定該電池的狀況。
先前技藝包括許多指向電池監控及評估的專利。數個示範解決方法揭露如下：Tsuju的美國專利號6,072,300相關於一大電池組的個別電池的特徵。由電池電壓估計出內部電阻。參閱第5欄第32至38行。
Fakruddin的美國專利號5,027,294亦基於電壓測量指出電池狀況的特徵。
Arai的美國專利號6,201,373說明用以測量一電池充電狀態(SOC)的一電路，但自身並非一電池狀況評估元件。電壓及電流皆加以取樣。
Hirzel的美國專利號5,381,096亦相關於SOC測量。
Satake的美國專利號6,531,875教示基於一連串測量的推斷以評估一電池的開放電路電壓。
Disser等人的美國專利公開號2003/0067221 A1說明用於汽車的電壓調節器電路結構。
Yokoo的美國專利號5,828,218說明一估計方法，用以基於一電池放電期間的放電電流及電壓以估計該電池的殘餘容量。
Munson的美國專利號5,900,734說明一電池監控系統，其中該電池電壓與一固定參考值比較，當該電池電壓小於該參考值時提供一警示。
Bramwell的美國專利號5,721,688及6,097,193討論各種測量一電池內部電阻及/或阻抗的方法，包括施加一小AC信號到該電池，及使用一惠斯通(Wheatstone)橋接器或相等物以測量內部電阻，參閱第1欄第40至48行。Bramwell主張的方法包括，當車輛不動時，每隔一段時間藉由自一電池發出或消除的一已知量電流以測量該電池阻抗的數個步驟。
Turner等人的美國專利號6,249,106說明用以防止一電池放電超出一預設點的電路。Yorksie等人的美國專利號3,852,732指向同一目的。Finger等人的美國專利號4,193,026指向測量一電池的SOC，是藉由將一表示該電極端子電壓減少的信號積分運算到一臨限值以下。
Reher等人的美國專利號5,130,699說明用以監控一電池的裝置，其藉由每隔一定時間測量電極端子電壓，比較測量值與一預設值，及依該結果而在一移位暫存器中設定一旗標以監控該電池。當一預設數量的旗標指示一電壓不足狀況時提供一警示。
Sato等人的美國專利號5,193,067揭露藉由測量一預設電流放電期間的電壓，或藉由測量在一預設電壓放電期間的電流，以判定一電池的內部阻抗。
Slepian的美國專利號5,764,469說明當電池電壓下降到一預設位準以下時中斷一車輛的電子設備。
Gollomp等人的美國專利號6,424,157論及由開放電路電壓(OCV)測量電池SOC的困難，原因是此測量需要斷開該電池的連接。Gollomp反而教示靜止電壓(QV)的監控，如在車輛不動時每隔30分鐘測量一次，參閱第9欄第18至50行。當QV下降到一預設點以下時可提供一警示信息，參閱第11欄第28至39行。Gollomp亦教示引擎啟動期間電壓及電流的監控(參閱第6圖)。此資料儲存在記憶體中，參閱第12欄第48至 50行，及用以判定內部電阻(IR)及偏極電阻(PR)。Gollomp亦教示隨著時間經過監控SOC及QV以判定電池何時將無法啟動汽車，參閱第3圖，第14欄第22行至第16欄第36行。Gollomp亦教示儲存電池的第一個IR值，或某一後續值以用於"未來使用"，如隨著時間經過判定IR變化。同樣隨著時間經過監控PR，參閱第17欄第12行至第18欄第35行。該結果是為初發電池故障或與連接等相關的某問題提供警告。在連續啟動期間可監控此等資料，參閱申請專利範圍第1項。
Kchao的美國專利號5,751,217說明用以估計電池阻抗的方法及電路，其表明僅適用於完全充電的電池，參閱第3欄第49至55行及第4欄第12行，及其意欲合併到一電池充電器中。相較之下，本發明的裝置未侷限於完全充電的電池，及可合乎經濟地作為一獨立式單元或安裝在一車輛中。
如上述，亦習知由一電池"動態電導"(意即其內部"動態電阻"的倒數)的測量以評估該電池的狀況，藉由施加一時變小幅度AC信號到該電池一段時間及測量該電壓響應，及接著基於該響應而計算該電池的"動態電導"；此值可參考橫跨該電池的電壓加以校正，採用該值表示電池的充電狀態。參閱Champlin的美國專利號3,909,708及4,912,416。然而，此方法並不適合在一般有電子"雜訊"的汽車環境中測量在使用的一電池的動態電導。
Bertness的美國專利號6,633,165藉由監控一電池的數個特定參數，以解決一電池的"健康不穩狀態"及"健康保留狀態"的測量，根據上述Champlin專利所測量的動態電導明顯較佳。
本發明人之一的Huang的美國專利號6,791,464，該文件以引用方式併入本文中，說明一機動車輛電池狀況的評估，是藉由在該啟動器提供大量負載時，監控啟動期間橫跨該電池的電壓。在啟動期間達到的最小電壓可與一預設值比較以評估該電池的狀況。
美國專利號6,704,629的發明人亦是Huang，該文件亦以引用方式併入本文中。根據Huang的'629專利中揭示的方法，其可視為上述習知"負載測試"技術的改進，一較大已知負載在一極短時間施加到一電池。 測量與該極短瞬間負載相關聯的電壓變化及電流流量。自施加該已知負載期間的電壓變化及電流流量可直接算出該電池的直流(DC)內部電阻。因該DC內部電阻與該電池內剩餘能量直接相關，因此此方法直接測量電池能力。此方法亦排除與連接的設備相關聯的雜訊失真效應，及因此比AC信號方法更大大有用。
共同讓渡的美國專利號7,212,006的發明人亦是Huang，此參考文件亦以引用方式併入本文中，該專利相關於藉由測量一電池內部電阻(IR)以監控該電池狀況的方法及裝置。該方法涉及測量橫跨該電池的無負載電壓及一已知負載，連接該負載，測量該負載電壓，及基於測量結果以判定IR。該方法能測量一電池安裝在一操作上的車輛時的內部電阻，意即，不管一方面存在電荷來源如交流發電機，及另一方面存在負載。
共同讓渡申請中的美國專利申請案序號11/984,669，名稱為"藉由測量一電池內部電阻以監控該電池狀況之方法及裝置"，此參考文件以引用方式併入本文中，發明人亦是Huang，該專利申請案說明相關專利號7,212,006中揭示以評估一電池IR的技術的進一步改良。此方法涉及連接橫跨該電池的不同已知負載，測量該負載及數個電池電壓，及藉此判定IR。本文中揭露的一些方法及儀器需要測量一電池在充電期間及充電後的IR，較佳利用美國專利申請案序號11/984,669中揭示的技術來實施該測量，以下將詳加討論。
如上述，用於電池評估的現有技術及設備仍有許多可改進的部分。
因此，本發明的一目的為提供一種低成本電池監控器，其可立即使一現有車輛改型翻新，及能將電池狀態資訊通訊給例如駕駛員，或通訊到一遠距位置如一車隊經理的辦公室等，以使前攝式測量能在需要時採用。
本發明的另一目的為提供一種儀器以提供用於SOC的一準確值，該儀器為自行校準式，以便不易受到長期漂移的影響。本發明的再一目的為提供能"自行學習"該電池特性的此一儀器，避免安裝時必須輸入該 電池特性。
本發明的另一目的為提供此一種可另外提供一電池SOH標示的儀器，以便可預測初發電池故障及藉以避免。
本發明的另一目的為提供一種用以判定一電池SOH的儀器，其將提供該電池狀況的一準確評估，無關乎該電池的SOC，及不需手動輸入類似規格的一較新電池的額定特性以用於比較，此一儀器在評估用過的電池以用於保證聲明或類似情形時最有用。
本發明的另一目的為提供一"智慧型"電池充電器，意即，能準確評估一電池狀況的電池充電器，以據此調整該等充電參數，在適當時機進一步提供一輸出，指明該電池已達其有用壽命終點。
本發明的其他目的將說明如下。
本發明揭示用以判定一電池狀況的現有技術(如上述Huang的美國專利案及申請案)藉以通訊給一使用者(例如，通訊給個人車輛的所有人，或通訊給一車隊的服務經理)或車輛作業系統的該等方法中，及用以評估該電池狀況的該等方法中兩者的改進。本發明亦相關於車輛性能及狀況資料通訊給使用者，意即除了電池狀況資料本身外。本發明亦相關於根據本發明的一電池監控器與一電池充電器的整合，以便可實現最適化電池充電。
本發明亦相關於數種方法及裝置，藉此可先在一"自行學習"步驟中判定該電池的特性，及然後藉此可在一"自行校準"過程中準確地追蹤一電池的SOC。此外，不需輸入有關該電池額定特性的資料，同樣可準確判定該電池的SOH。
本發明亦相關於本發明人已作出的一重要發現，有關可分析一電池的內部電阻以評估其狀況的方式。更特定地，本發明人已發現一完全充電電池在正充電時測量的內部電阻不同於該電池完全充電時但在充電後測量的該值。此外，已發現該內部電阻的此二值之間的差表示該電池的狀況(SOH)。又更特別地，已發現一完全充電電池在充電期間所測量與充電後所測量的內部電阻差異，與一新電池相比，用於一狀況差的電池的差異較大。因此，本發明相關於一種利用此發現以評估一電池狀況的儀器及對 應方法。
12‧‧‧連接線
14a、14b、14c、14d、16a、16b、16c、16d‧‧‧週期
Cm‧‧‧最大能力值
Ce‧‧‧有效能力
Ca‧‧‧目前能力
SOC‧‧‧充電狀態
SOH‧‧‧健康狀態
BL‧‧‧損失的
DoD‧‧‧最大放電深度
△ce‧‧‧有效能力的變化率
Cex‧‧‧在時間x判定的有效能力值
Ceol‧‧‧電池壽命終點的能力
OBD‧‧‧車內安裝診斷
ECU‧‧‧中央處理器
feol‧‧‧壽命終點因子
dd‧‧‧放電深度因子
40、42、44、46、48、50、52、54、55、56、58、60、62、64‧‧‧步驟
Cd‧‧‧電池能力的最小值
20‧‧‧電池
22、24‧‧‧電極端子
26‧‧‧充電程度及電池壽命感測器區段
28‧‧‧充電器區段
30‧‧‧負載管理區段
32a、32b、32n‧‧‧負載
Vg1、Vg2、Vg3、Vg4‧‧‧電壓
Cc‧‧‧穩定值
Cn‧‧‧充電後的電導
81、82、83、85、86、93、94、95、96、97、98、99、100、101、102、103、104、105、105A、106、107、108、109、110、111、112、113、114、115、116、117、118‧‧‧步驟
84‧‧‧電池
C‧‧‧電導
L‧‧‧專特值
Cm‧‧‧最大能力值
MCU‧‧‧系統微處理器控制單元
Cdod‧‧‧最大放電程度深度
Ci‧‧‧實際電流放電
T‧‧‧時間間隔
104‧‧‧方塊
SF‧‧‧標度因子
160‧‧‧裝置
161‧‧‧穩壓電路
162‧‧‧MCU(微處理器控制單元)
163‧‧‧負載電阻值R
165‧‧‧瞬間電流控制電路
167‧‧‧I/O(輸出入)單元
Q1、Q2‧‧‧電晶體
B‧‧‧電池
VLR、VLL‧‧‧負載電壓
I‧‧‧電流
VBR、VBL‧‧‧電壓
r‧‧‧內部電阻
C‧‧‧電導
168‧‧‧控制線
171‧‧‧開關SW1
G‧‧‧充電器
170‧‧‧其他能量源
172‧‧‧服務負載L
176‧‧‧電壓感測連接
174‧‧‧分流電阻
170‧‧‧充電源
第1圖，包括第1(A)及1(B)圖，分別顯示一圖表，顯示隨著時間經過在一電池的可用能力中的典型變化，繪示本發明的元件有效地自行學習及自行校準的方式，及在本發明的一實施例中提供的一電池"燃料計量器"顯示的四個示範圖示；第2圖示意地顯示在一示範汽車環境中根據本發明的一電池管理系統的一可能實施方式；第3圖示意地顯示實施本發明的方法的一示範演算法用以評估一電池的狀況，繪示該方法的自行學習屬性；第4圖以方塊圖顯示一整合式電池監控及充電系統；第5圖以一理想化座標圖說明一典型幾乎新的電池隨著時間經過的橫跨電壓及內部電導，繪示該電池正充電時及完全充電但在充電後在電壓及內部電導中的變化；第6圖同樣是座標圖說明一電池在接近其有用壽命終點時取樣的電壓及內部電導；第7圖以一簡化流程圖說明根據本發明評估一電池狀況的一方法中的該等步驟；第8圖是對應到第7圖的較詳細流程圖；第9圖顯示可與第4及5圖相比的另一座標圖，繪示在充電及放電週期期間在電池電導及電壓變化中的更多細節；第9A圖顯示如第9圖中在充電及放電週期期間電導相對於時間的座標圖，亦顯示該積分電流流量；第10圖是可與第3圖相比的流程圖，示意地顯示一示範演算法，用以利用該積分電流流量及一電池電導中的變化以評估該電池狀況，繪示該元件的自行學習及自行校準屬性；及第11圖以示意圖顯示用於實施本發明的一儀器的一電路。
本發明數個較佳實施例的以下說明基本上包括美國專利臨時申請案序號60/935,017的內文，雖然已作出數個更正及澄清，但本完整發明仍主張該文件的優先權。以下將詳細討論進一步的發現及後續作出的相關改進。臨時申請案序號60/935,017及與其一起提出申請的附錄以引用方式併入本文中。此外，本申請人保留對本文中揭示的任何細目提出額外申請專利範圍的權利，及不主張為屬於本發明的最初申請項目。
獨立式引擎啟動電池監控器
在本發明的一概念中，提供一種監控一引擎啟動電池的獨立式裝置及方法。一監控元件實體地固定在一電池上，及以電連接到該等電極端子上，以便該元件可在該電池的剩餘壽命中不斷地監控該電池。意欲以可移動方式連接該元件，以便在一電池壽命終點，可移除該元件及連接到另一電池。
該元件包括一測試電路，在引擎啟動期間用以監控該電池，及可實施Huang的美國專利號6,791,464的教示，該文件以引用方式併入本文中。該測試電路結構自動地偵測每一引擎啟動順序的開始，及在每一引擎啟動順序前及期間不斷地監控該電池的電壓。該電路結構配置成在一夠高速率取樣該電壓(通常在20赫與1千赫之間)，以便可辨識一引擎啟動順序期間在電壓中的變化，自不斷監控的電壓中辨識出一或多個關鍵性能參數，及與該測試電路的一記憶體中儲存的一或多個參考值比較。算出一電池性能結果，以該一或多個關鍵性能參數與該一或多個儲存參考值的函數表示。提供相關該電池性能結果的一輸出。
例如，一關鍵性能參數是一引擎啟動順序期間測量的最低電壓，此值可與一參考值比較，及表示為一百分比值，表示該電池啟動該引擎的能力。在直接連接到該監控元件如安裝在該電池上或接近該電池的一顯示器上，可用數字或符號顯示該輸出。該輸出亦可用聲音通訊，例如當用於一引擎啟動的電池性能結果低於一儲存臨限值極限時，可提供一聲音警示。該輸出可無線地通訊到車輛座艙中的一顯示元件。本發明的此等實施例可立即實施在一修配廠產品中，以下將進一步討論。一弱性能啟動指標亦可觸發一待儲存診斷碼，用以後續通訊到一分開的診斷估計工具，如 車內安裝的一診斷碼讀取機，如所有現代汽車及其他特定車輛中所提供；通常此將需要在製造時安裝本發明的監控器。
該測試電路結構在其最簡化形式中包括一接線連接到該電池的一正極端子，一接線連接到該電池的一負極端子，一取樣電路連接到該二接線，可取樣該電池的(數個)電參數，一微處理器連接到該取樣電路，及一輸出入元件連接到該微處理器。該等接線可為多導體接線如開爾文連接或單導體接線。
此藝習知該取樣電路可包括類比至數位(A/D)轉換器，需將類比資料轉換成由一微處理器使用的數位資料，以執行想要的分析。此藝亦習知微處理器可用以控制該取樣電路，分析該取樣電路的資料，儲存資料到記憶體中，及透過一輸出入元件傳輸資料。該輸出入元件可為一數位或類比顯示器、印表機、可攜式記憶體，任何實體或非實體(無線)資料傳送系統，或其他任何通用以觀看或傳達資料的元件。
如以下進一步的討論，根據上述Huang的其他專利及申請案的教示，同一元件或一同樣配置及連接的元件，亦可包括一構件用以施加一電流到該電池，或用以施加一負載到該電池，以測量該電池或數個相關深週期電池的狀況的其他方面。
具車(機)內安裝感溫器的啟動電池監控器
習知電池容量隨溫度而變化，為提供合適補償以用於此效應，在本發明的另一實施例中，該監控元件再配備有一感溫器。該感溫器可包括在該電池表面安裝的測試電路中，或位在該等接線端子，其連接該測試電路到該等電池電極端子。該感溫器測量周圍溫度及提供溫度資訊到該測試電路結構。該測試電路結構產生一調整的電池性能結果，以溫度與電池性能結果的函數表示。
具故障預測功能的啟動電池監控器
在本發明的另一實施例中，所述監控元件配備有一記憶體，用以儲存數值以用於超過一連續引擎啟動順序的一或多個關鍵性能參數。該測試電路結構比較超過一連續引擎啟動順序的數個關鍵性能參數，及計算該一或多個關鍵性能參數的一變化率。該測試電路結構判定一剩餘有用 壽命值，其以該等關鍵性能參數的變化速率與一或多個儲存臨限值的函數表示。計算該剩餘有用壽命值以作為剩餘啟動數或作為剩餘時間量。該剩餘有用壽命值顯示在連接到該監控元件的一顯示器上。此一計算的示範公式如下：一示範關鍵參數值(例如，在該啟動順序期間達到的最小電壓)的變化率：△Sv=(Svx-Svx+n)/n，其中：Sv=啟動性能值
Svx=用於啟動x的啟動性能值
Svx+n=用於啟動x+n的啟動性能值
n=介於Svx與Svx+n的啟動次數
此變化率值△Sv可用以預測一未來啟動性能值將需要多少次啟動("N")以達到一儲存的臨限值；例如，藉由如此有效地監控該啟動順序期間的電壓最小值("Svx")，可估計該電池何時將達到該電池將無法啟動該引擎的點("Svmin")，公式如下：N=(Svx+n-Svmin)/△Sv
不使用該啟動次數N作為預設測量的增加，一極類似公式可使用時間作為測量的增加。依此，可隨著時間經過算出該啟動性能值，及該電池的剩餘有用壽命可用一未來時間量表示，而非啟動次數。
在兩式子中，Svx可為單一引擎啟動的啟動性能值，或多個引擎啟動值的平均。同樣，Svx+n可為單一引擎啟動的啟動性能值，或多個引擎啟動值的平均。藉由使用多次啟動的平均以建立一啟動性能值，可使數個引擎啟動值之間不歸因於該電池性能衰退的小變化減到最小，及可改進預測的準確度。
更特定地，由於在引擎溫度、電池溫度與引擎潤滑作用中的差異，可發生在啟動性能值中的變化。除了隨著時間經過平均數個啟動性能值外，尚有一方法使啟動性能值中的變化減到最小，即基於一較大組數值中記錄的數個最低啟動性能值而作出數個剩餘有用壽命標示。此為一有用且實際可行的方法，原因是當狀況有困難時，例如當電池及引擎皆是冷 卻狀態且潤滑作用不良時，一電池將幾乎總會故障，如寒冷早晨的第一次啟動。與當天引擎及電池因使用已暖機後如第二次啟動等較容易狀況相關聯的啟動性能值相比，與此類困難啟動狀況相關聯的啟動性能值是整體電池狀況的一更重要預報器。
因此，在本發明的一實施例中，一記憶體儲存最差的啟動性能值，亦儲存最近的啟動性能值，及能將此等值兩者與一參考臨限值比較以判定整體電池健康。依此，該元件可指出整體電池健康及電池在最近啟動時的性能。兩值可同時在一類比顯示器上標出，提供使用者一看即知重大啟動性能資訊。
用以判定一電池剩餘有用壽命的關鍵性能值可包括電池電極端子電壓、DC內部電阻、動態電導、動態阻抗，及隨電池年齡改變及使用的其他任何參數。
獨立式儲存電池能力監控器
在本發明的另一概念中，提供一種監控一電池儲存能量的獨立式裝置及方法。雖然並非如此受限，但與上述藉由啟動電池所經歷的短期負載相比，本發明的此概念在該電池(或連接以形成一電池庫的的數個電池)用於如供應大致連續負載的"深週期"用途中尤其有用。此實施例中的元件可如上述實體地及以電連接到一電池，及配置成自動及不斷地測量該電池的一或多個參數，由測得的參數再計算數個電池參數，及提供表示電池能力的一輸出。該輸出可包括該電池定義如上的一或多個健康狀態(SOH)、其可用能力容量Ca及其有效能力Ce的評估及通訊(經由顯示或其他方式，將討論如下)。如以下詳細的討論，此等參數可通訊到一相關電池充電器，及用以控制該充電器，以便依一方式使電池充電最適化，而非其他可能方式。
該等如此測量或計算的參數可包括(但不限於)如下：溫度、電壓、DC內部電阻，動態電導、動態阻抗及電流。藉由隨著時間經過常常測量或計算此等參數，例如每60秒一次，該裝置可評估使用者極感興趣的性能參數，如流進流出電池的電流，該電池的充電狀態及健康狀態。依此，例如該容量監控器可有效地作為一"燃料計量器"使用，不管是正在充電、放 電或休止，在任何時間判定該電池中的可用能量。
用以測量該等電池參數的電路結構及方法較佳的是美國專利號6,704,629或7,212,006所揭示者，及最佳的是上述2007年11月20日提出申請的美國專利申請案序號11/984,669所揭示者，用以測量一電池內部電導。用以判定該電池能力(即SOC及SOH)的電路結構可實施以下說明的新穎"ABMS"電池分析方法。必要時，提供此等能力的數個元件亦可合併上述該引擎啟動電池監控器者。
ABMS一具記憶體以用於自動學習及預測能力的電池能力監控器
根據本發明的另一概念，由數個測得參數算出一關鍵電池參數的一電池能力監控器配置有記憶體及處理電路結構，以便能自數個測得參數得出數個電池性能屬性，及用以判定及預測數個關鍵性能參數。一此類關鍵電池性能參數為電池能力，其可自電池的DC內部電阻的測量得出。更特定地，電池的DC內部電導(即其DC內部電阻的數學倒數)是一有用參數，其與電池能力成正比增加。除非特別說明，否則"DC內部電阻"及"DC內部電導"二詞在本申請書全文中視為同等。除了以下說明用以測量該電池內部電導的較佳方法外，亦可使用其他用以測量電池內部電阻或電導的準確方法。以下說明一汽車電池監控系統("ABMS")的一實施例，其提供新穎電池分析功能；雖然在本文中當作最適用於汽車應用加以說明，但當然未侷限於此實施例。
更特定地，當一電池隨著時間經過重複地充電及放電，DC內部電導首先隨著新電池性能初始增加而增加，及接著隨電池年齡而減低。當電池在任何特定週期中放電或充電時，DC內部電導亦有所不同。因此，為適當地指出電池的健康狀態(SOH)，其表示電池老化時的整體狀況，及其充電狀態(SOC)，其表示電池瞬間能力(即立即可用能量)，需要區分例如較新但較放電的電池與較舊但完全充電的電池，原因是兩者可呈現完全相同的內部電導值。換言之，僅測量一電池的內部電導不足以提供有關電池SOH及SOC兩者的準確資訊。
上述Champlin的專利(及類似意思的許多其他者)指出內部 電導表示一電池的SOH，及藉由測量電池的開放電路電壓以實現用於不完全SOC的補償，及使用此電壓表示電池充電狀態。然而，此方法僅可用在該電池與所有充電或負載源頭斷開的情況，意即，若電池與車輛(或其他負載)斷開；此在該元件上是高度不想要的限制。
根據本發明的一概念，當電池在一般服務中重複放電及再充電時，重複地判定表示其能力的一電池參數。電池在各充電/放電週期中完全充電時達到的最大值稱為Ce，其有效能力。如上述，電池的瞬間能力，稱為Ca，表示目前可用能量。Ce隨著時間經過會隨電池老化以一可預期逐漸方式減少，因此Ca自完全充電值Ce的明顯背離可視為表示電池目前部分地放電。因此Ca是電池正瞬間儲存能量的準確標示，及Ce表示在其壽命週期中的任何已知點能儲存的能量，無關乎新電池時能儲存的能量Cm。亦如上述，Ca與Ce的關係表示電池的瞬間SOC，而Ce與Cm的關係表示其SOH。藉由Ce/Cm與用於SOH的一預設最小值比較，或同等地藉由Ce與一預設值比較，根據本發明此概念的監控器可用以提供電池達到其有用壽命終點的準確標示。
廣泛地說，根據本發明此概念的ABMS操作如下。每隔一段時間評估一電池參數，通常是其DC內部電導，較佳使用上述以引用方式併入的Huang專利及申請中申請案所揭示的技術，得出Ca。Ca的數個測量在以下討論的數個可能方式之一中儲存及處理以判定Ce。將電池的整個壽命中由Ce達到的最大值當作Cm及加以儲存。可每隔同一時間同樣算出Ce/Cm及Ca/Ce的比率，及用以提供使用者有關SOH及SOC的資訊，其可適當地用於預測及因此避免初發電池故障。以下討論的第3圖以進一步細節提供實施此等功用的一示範演算法。由本發明的監控器提供的資訊亦可用以辨識因附屬設備引起的困難，如一不作用的充電系統，或在車輛操作週期中在一不適當點出現一負載，表示短路或類似情形，及亦可用以使電池充電最適化。
所述本發明裝置藉由儲存達到Ce最大值以作為Cm的事實，具有如下的內在優勢。新電池通常提供額定地"完全充電"，因此電池可立即使用，但熟諳此藝者將明白，事實上如連接在一適當作用的汽車環境 中的新電池初次使用期間將會較完全充電。因此，例如當一新電池充電到其完全狀態時，其完全充電時的DC內部電導將逐漸增加。當新電池達到其真正完全充電狀態時，如此記錄的Cm將因此在最早的數個充電/放電週期中上升。因此根據本發明的一監控器經過一段時間(通常是超過一充電-放電週期)可"記住"電池"尺寸"，且不需以任何參考值預先定程式。因此，本發明的監控元件可彈性地用以準確監控任何尺寸的電池，及可從一電池移到另一電池，不需預先定程式。
第1圖繪示本發明ABMS監控器的操作。在第1(A)圖中，由線12繪示Ca相對於時間(示範圖中為36個月)的圖，Ca如電池DC內部電導所判定(如所示，以姆歐(歐姆的倒數)為單位測量，其中測量電阻)的。連接線12具尖突的形狀繪示Ca隨電池經歷的充電/放電週期變化的方式；四個時間示範點14a至14d由數個方框表明。週期14a至14d對應到一"電池計量器"的四個說明，如第1(B)圖的16a至16d所指明，以下將詳加討論。
如所示，電池的可用能力Ca在各充電/放電週期之上大幅變化。然而，如以上的討論，當一新電池在初次使用中完全充電時，各週期達到的Ca最大值(即Ce)在最早的數個週期中增加，達到一最大容量值(稱為Cm)，及然後當電池老化時則隨時間而減少。可劃出一線以連接線12中的數個極大值；在任何已知時刻，由此線代表的值，稱為電池的"有效容量"Ce，可與其測得的值Ca相比較。如所示，測得的值Ca接近Ce的程度-通常如所示由Ca/Ce的比率表示-是表示電池的充電狀態(SOC)，及因此表示剩餘的相關能量。Ce接近在電池壽命中達到的最大值Cm的程度，通常如所示由Ce/Cm的比率表示，是表示電池的SOH。SOC及SOH兩者可在單一"燃料計量器"型顯示器上清楚顯示給使用者，如在第1(B)圖的16a至16d所舉例說明。
更特定地，單一燃料計量器可藉由提供具三部分的直條圖以顯示SOC及SOH，該三部分通常是不同顏色以求清晰。如第1(A)圖所示，顯示Ca隨著時間的變化，SOC是藉由比較Ca與Ce來判定；SOH是由Ce與Cm及與一Ceol預設值的比較來判定，考量電池在壽命終點的Ce。在第1(A)圖所示範例中，Ceol設定成0.6 Cm。在第1(B)圖的16a至16d所示示 範實施例中，由燃料計量器的左邊部分繪示目前SOC，由左邊及中央部分的總合代表SOH，而右邊部分代表電池能力隨著時間失去的量(在第1(A)圖中稱為"損失的BL")。假定想要燃料計量器在電池壽命終點讀為"空"，則控制燃料計量器，以便如所示，當Ce=Ceol=0.6 Cm時右邊部分填滿計量器。如第1(A)圖的四個陰影區域所示，Ce在Ceol與Cm之間的相關位置判定電池壽命週期在不同階段損失的電池壽命程度。
因此，如在第1(B)圖的16a所示，其中Ce=Cm，但電池相對地放電，燃料計量器的左邊部分顯示SOC約為50%，但SOH是100%；因損失的BL=0%，燃料計量器中無右邊部分。當電池老化時，右邊部分增加。在16b，採用在Ca=Ce的一點，意即電池完全充電，除了右邊部分佔用的部分代表在該點損失的BL程度外，指明SOC的左邊部分佔用所有燃料計量器。同樣地，在16c中，SOC顯示為大幅地小於SOH，指明電池大幅地放電。然而，右邊部分仍較小，指明SOH是高的，及電池全面在良好狀況中。最後，在16d中，計量器的右邊部分佔用其大部分面積，指明SOH是低的，意即已損失大部分電池壽命。
第1(A)圖亦顯示一"放電警示臨限"值可預設為Cm的一部分，稍高於一目標最大放電深度(DoD)值(低於該值會損壞電池)，Ca與該放電值比較；此比較可用以提供使用者電池成為大幅放電的警示，以便要求校正動作。
應了解為如上述操作，準確判定電池的有效能力是重要的，但此並非易事。首先，即使在電池完全充電時，如此測量的內部電導值通常將在一小範圍中變化。因此，僅判定Ca的變化率由正(充電期間)轉到負(放電期間)的折曲點，未必得到合適的準確結果。為減少此"分散"的統計分析可令此方法能足以用於有效用途。另一可能性是測量橫跨電池的電壓，以時間函數表示，及當電壓在一預設時間週期(大約1小時)中未變化超過一預設值(大約0.1v)時，採用Ca當作Ce。當在充電期間得到此等狀況時，可認為電池完全充電，以便使Ce可等於Ca。
以上用較一般用詞討論ABMS技術，當電池隨著多次充電-放電週期老化時，自然會失去能力。除了儲存最大能力值(即新電池的能力 值)外，當電池能力隨著時間變化時，根據本發明的監控器尚可儲存與電池完全充電相關聯的最大能力值。此值稱為電池的有效能力。是新電池時，有效能力值類似於最大能力值。然而，經過多個充電/放電週期及經過時間，有效能力值將隨著電池自然老化而減低，及經過硫酸鹽化、腐蝕或其他電池衰退過程，慢慢失去儲存能量的能力。根據本發明的監控器可比較一最近充電週期後判定的有效能力值與儲存的最大能力值。此比較可用以判定電池自從是新電池以來已損失的能力數量。此比較可用百分比表示及指明電池在其壽命週期的何處。此比較相關電池壽命或健康狀態。電池壽命週期值的變化率可用以了解電池達到壽命終點將花費多久時間，及仍有多少有用壽命。
例如：△Ce=(Cex-Cex+t)/t
其中：△Ce=有效能力的變化率
Cex=在時間x判定的有效能力值
Cex+t=在時間x+t判定的有效能力值
t=介於Cex的測量與Cex+t的測量之間的時間
在判定Ce的任一對時間點之間的變化率△Ce意味著計算第1(A)圖中平滑地連接此等點所示該線的一線段的斜率。假定此線斜率將僅極逐步地改變，因此判定該線將分段地完全適用於所述目的，主要是判定何時Ce=Ceol。意即，變化率值△Ce可用以預測有效能力值Ce將還有多久即到達一儲存臨限值Ceol，其可用一最大或"如新"能力值(Cm)的百分比表示。
例如：T=(Cex+t-Ceol)/△ce
T=到達壽命終點的時間
Ceol=在電池壽命終點的能力
Ceol可由電池的原Ah值的函數表示，意即，該值指定用於是新電池時的容量，或如上述以一判定值Cm的一部分表示。例如，Ceol 可定義成等於約0.6 Cm；因此，當本發明的監控器判定有效電池能力Ce已下降到所儲存最大能力值Cm的60%時，可建議駕駛員更換該電池。電池的有效能力變化率可如上述判定為一時間函數，或是充電/放電週期總次數的函數。因此，該結果可用一計劃的週期壽命表示，即在電池到達該臨限值以前的計劃週期數。
在此等式子中，Cex可以是單一能力測試的有效能力值，或可以是在多個充電/放電週期中多個測試的平均。同樣地，Cex+t可以是單一有效能力值，或多個有效能力值的平均。藉由使用許多有效能力值的數個平均以建立有效能力的變化率，可將不歸因於電池性能正常衰退的有效能力中的小變化減到最小，及可改善到達壽命終點的預測準確度。
上述裝置及方法幾乎可連接到任何尺寸的電池，及藉由常常應用一前攝式測試，可在一段時間後學習電池的尺寸屬性，及在任何時間可同時指出充電程度或SOC及其健康狀態SOH，其表示計劃的電池壽命。此一裝置可用以監控許多不同應用中所使用電池的充電程度及電池壽命。重要的是，電池在使用時可施加此測試技術，提供使用先前測試方法無法提供的即時資訊。
第2圖更詳細顯示在一汽車環境中ABMS的一可能實施。由一"測試層"實行與電池的互動，其中執行測試，較佳根據Huang的專利案及申請案(本文中稱為"LPR"或"DLPR"測試)，結果是電池測試資料，包括內部電阻(或電導，如所述，此等值在數學上互為倒數)。此等資料接著傳送到一"應用層"，其中如上述執行電池資料分析。如所述，此分析的結果包括電池能力Ca,Ce及Cm的數個相關測量的判定；可由此等結果判定SOC及SOH。亦可判定電池的平均放電深度，其相關走調負載的控制；可立即追蹤放電週期數，及如上述可藉由比較Ca與各種臨限值以提供各種警示。最後，來自該應用層的結果可傳送到一I/O Coms(即數個通訊)層，其中該判定資料可用在各種功用性能中。例如，有關電池SOH的資料可傳送到車輛的車內安裝診斷(OBD)系統，及在適當時間用以提供一"更換電池"信號。如在"外部通訊(External Com.)"所示，必要時此等資料亦可傳送到一遠端接收器；例如，在一車隊場合中，可將SOC及SOH資料傳送到一中央維修地 點，以便許可前攝式電池(或交流發電機)服務，藉此避免電池故障及代價大的停工期。熟諳此藝者將明白使用本發明提供的新穎資訊所提供的其他概念及優點。
亦如本文所述，可由一"ABMS模組"執行資料分析，通常是實施上述計算及控制方法的一微處理器驅動的元件，或藉由該車輛的"中央處理器/ECU(電子控制單元)"。在任一情形中，本發明在本文中揭示的實施方式在此藝內堪稱完善。
第3圖示意顯示一示範演算法以用於此類分析，特定地用以依一規律基礎判定Ca，比較Ca與Ce，判定Cm，及使用此等值以提供預期電池壽命及瞬間充電程度的一標示，意即有效實施第1(B)圖的"燃料計量器"。因此，在一開始步驟40中，指定一值x用於一壽命終點因子feol，及一值y用於一放電深度因子dd。此等值分別控制電池在其有用壽命終點命定在的點，及電池無永久性損壞可放電的最大深度。如在上述範例中，用於feol的一典型值會是0.6，及用於dd的值是0.5。
在次一步驟42中，用於最大能力Cm、有效能力Ce、可用能力Ca的值，及一值n皆初始化為零，及控制該測量頻率的一參數T初始設定成60秒。
在次一步驟44中，較佳根據上述Huang的專利案及申請案執行測試，得到數個瞬間值以用於電池的電導C及電壓V。
在次一步驟46中，該等瞬間值C及V與相關最近執行類似測量所儲存的可相比值比較。如次一步驟48所示，此比較許可充電或放電速率的判定，其具有數個含意。若電池正極緩慢放電，則可認為此判定指明未使用電池，如若在車輛中，車輛已停放。在此等環境下並不想太常執行測試，原因是測試本身會自電池吸出一些能量，若太常執行測試會令電池成為完全放電。若電池正在快速充電或放電，則標示正按次序執行較頻繁監控。因此，在步驟50照此調整T。
在步驟52，相關電池是否充電作出判定。可依數個方式中的任一者完成此判定，例如可比較可用能力Ca與有效能力Ce；若Ca例如在Ce的2%之內，則可認為電池是完全充電。或者，若變化率如步驟48中 所判定為小於一預設值，則可認為電池是完全充電。若藉此判定電池是充電，則在步驟54，Ce設定成等於Ca，在步驟54，記錄充電/放電週期數的一計數藉由n的值加1而增加；因此記錄充電/放電週期數在預測電池壽命可為有用。為避免充電週期的過度頻繁開始，可實施電池充電的判定，以便僅在電池放電到一預設位準時才執行充電。在步驟55，若最大能力Cm小於Ce，則Cm設定成等於Ce(如上述，通常是發生在新電池開始使用時成為完全充電時)；依此，本發明的監控器隨著時間經過"學會"電池的最大能力Cm。
在步驟56，代表容許下降不損及電池能力的最小值Cd設定成等於fdd*Cm，藉此使Cd與電池的最大能力相關。Ceol同樣地設定成feol*Cm，容許基於Cm預測電池的壽命終點。在步驟58，可比較Ce,Cm及Ceol以判定SOH，如Ce/Cm，及用以估計剩餘的電池壽命，如Ceol/Ce。在步驟60，Ca/Ce可用以判定SOC，及Ca可與Cd比較以確保未處於成為不適當深度放電的危險中。
在步驟62，此等步驟的結果可在任何各樣方式中通訊及使用。該等結果可通訊給一使用者(如藉由所述燃料計量器，或藉由在實施一儀器面板的一電腦螢幕上顯示用於SOC及SOH的數值)，提供到一車輛狀態監控電路(例如用以令一充電週期開始，或用以指出極需維修)，或傳送到一遠端監控地點(例如在車隊場合中，提供一狀態指示到一維修監督電腦以安排服務)。最後，在步驟64，時間T到期後，再開始該過程。
整合式電池監控與充電控制
根據本發明的ABMS監控器提供準確即時SOC及SOH的事實，可根據本發明的再一概念用以提供改良的充電控制，其可預期得到改善的電池壽命及大幅經濟利益。目前在深週期電池充電的典型實行方式中，即使是所謂"智慧型"電池充電器，僅監控橫跨其電極端子的電壓，及使用此電壓以控制充電速率，因此當電池由此簡陋標準顯示接近完全充電時，充電速率減低。明顯地，若一合適程式化充電器具備有準確的SOC及SOH資料，則可提供更為複雜的控制。假定已知充電過度或充電不足的電池會減低其有用壽命，自然看出可期待負責此等重大電池參數準確測量的 充電控制，以得到較長的電池壽命。
更特定地，根據本發明的實行方式，電池充電並非是內在最適化，原因是充電器僅"知道"一般電池類型(如傳統的"濕電池"、吸收式玻璃墊("AGM")，或閥控鉛酸("VRLA")電池，或凝膠型電池)，此資訊一般是由使用者在安裝充電器時提供。(即使根據本發明，如現在所想像，使用者將仍需如此做。)然而，今日的電池充電器(即使是目前可用的"智慧型"或"三階段"充電器)未具備有相關電池容量或電池可多快吸收及傳送能量的資訊。若充電器能基於電池尺寸調整其輸出(電流及電壓)，則充電速率可在適當時間增加，同時避免過度充電。因此，充電會較快較安全。
若具有充電速率控制的電池充電器具備有本發明ABMS電池監控器來的輸入，以便充電器會"學習"電池的有效容量(Ce)(及最大容量Cm)，則充電器可接著將輸出(電流及電壓)定比例以匹配電池的尺寸及充電狀態。例如，能以一最大值10安培傳送電流的一充電器可在3安培操作，以最適地及安全地將一小電池充電。此外，相較於有效容量Ce，有關電池SOC的資訊可用以管理充電器的狀態轉變。更特定地，典型"智慧型"充電器具有一"大量充電"階段(定電流)，一"吸收充電"階段(定電壓)，及一"浮動充電"階段(較低定電壓)，分別藉由監控電壓及電流以管理該等轉變，然而，用以管理第二轉變的電流臨限值僅適用於一特定尺寸的電池。藉由使用ABMS技術，充電器將能偵測該尺寸，及設定該轉變更適合該電池尺寸。
當電池老化時將提供另一有利點。如上述，ABMS技術可偵測一電池正損失的有效容量及在某些臨限值，或其他觸發器可控制該充電器以開始一去硫化過程或一等效過程。(目前此等步驟由使用者手動開始及控制；無疑地許多使用者未在最適時間如此做。)現今僅有電壓及電流作為輸入參數的電池充電器，並無有關電池能力或電池改變方式的資訊，及因此無法自動地管理此過程。
此外，ABMS技術可做的不僅是控制充電速率。若整合該技術，如通常在一充電器/反向器應用中所做，則亦可基於實際充電程度通知充電器何時開關，而非基於電壓，其常因連接的負載而有所不同。例如，使用ARMS技術將能控制一發電機，以便在電池實際放電時啟動它，而非 僅對一低電壓偵測作出回應，低電壓可發生在完全充電電池正供應一突然大負載時。
第4圖以示意方塊圖說明一典型系統，其中一深週期電池(或分離式電池庫)用以供應一或多個負載，合併有根據本發明此概念的一電池監控及控制系統。以粗線說明電力分布的路線，及以細線說明信號測量及控制線。以20表示電池。橫跨電池電極端子22,24連接的是一充電程度及電池壽命感測器區段26，一充電器區段28，及一負載管理區段30。負載管理區段供應電力到各種負載32a,32b,...32n。充電程度及電池壽命感測器區段26監控電池。較佳使用上述Huang的專利案及申請案中揭示的技術，充電程度及電池壽命感測器區段26依一規律基礎判定電池20的內部電導，及實施上述ABMS技術，以使用此資訊自此等SOH及SOC判定出該等關鍵參數，如Cm,Ce及Ca以用於電池20。
由充電程度及電池壽命感測器區段26藉此判定的該等電池參數通訊至充電器區段28及用以控制該充電器區段的操作。充電器區段28可包括數個充電源，例如，在一船舶上，充電可自推進引擎上的一交流發電機得到，自一分開的引擎/發電機"genset"單元得到，由海岸供電的電池充電器、太陽能板、繞組驅動發電機等得到。依電池需求及船舶操作條件(例如，是否繫在碼頭上及連接到海岸電力，在其推進引擎下發動，或下錨)而定，可啟動不同充電源。例如，在船舶下錨過夜，自電池20吸出電力以經由負載管理區段30供應各種負載32a,32b,...32n的情形中，充電器區段28可包括控制電路結構，用以啟動一genset以回應偵測到電池SOC正下降到接近一預設值。
如所示，可提供一控制線直接從充電程度及電池壽命區段26到負載管理區段30；此可用以控制一或多個負載32a,32b,...32n的失能，如在電池SOC低於一臨限值及經由充電器區段28中的一些瑕疵未重新供應的事件中，用以防止會造成電池20永久性損壞的過度深放電。
因此想像由充電程度及電池壽命區段26提供代表電池SOC及SOH的資訊，可用在一複合式DC電力分布及電池充電系統控制的所有方面。
假定實施本發明此概念的上述揭示及Huang的專利案及申請案中的資訊包括在此藝技術中。
具自動取樣速率定比例的能力監控器
在本發明的另一概念中，上述ABMS監控器自動調整測量該等電池參數的取樣速率。依一致週期性基礎(例如每60秒一次)操作一測試電路及主動測試以用於數個電池參數，在一段長時間之後可消耗大量電力。用於一些電池應用，例如在汽車用途中，電池監控電路等輔助電路的效率極為重要，為了該監控電路隨著時間經過並非自己耗費車輛電池而已，因此必須謹慎地管理其耗電。
為減少如Huang的專利案及申請案中揭示的電池監控電路及本文所述ABMS監控器的耗電，由本發明監控器包括的一微處理器比較一組計算的關鍵性能參數與一不同時間取樣的另一組，及判定該等關鍵性能參數是否正快速或緩慢地改變。若變化是快的，則指明該電池當該車輛使用時正經歷重複的充電/放電週期，則該微處理器將增加取樣速率，例如，每10秒一次或每秒一次執行該測試，第3圖的步驟48及50舉例說明此情形。若變化是緩慢的，指明未使用該電池，則該微處理器將減低取樣速率，或許每小時一次或每週一次。依此，該監控電路可調整其性能以使結果準確度最適化，同時使耗電減至最小。
在此一電池監控器的一較佳實施例中，測得的參數僅是電壓；在另一實施例中，測得的參數是DC內部電導。該微處理器考量用以建立測試頻率的參數可為此等參數或其他任何如動態電導或動態電阻等參數的組合。或者，可由來自一外部來源的一輸入設定測試頻率，如來自一有線或無線連接網路(例如一LIN、CANBUS或IP網路)的一命令等。
在一較佳實施例中，測試電路結構可實體地連接到車輛的電池接線挽具，以便該電池感測器的電連接可嵌在該等電池電極端的鉗內。此方法的有利點在於，依此利用本發明的感測器，未產生任何必須由車輛組裝工廠或售後服務技術人員管理的額外及分開的連接。
如上述當該電池感測器元件用在汽車應用中時，該感測器裝置的自行學習屬性極有用。不僅如此，若提供一些最小臨限值，則該元件 可提供額外的有利點。此等額外最小臨限值可包括一值如一最小DC內部電導值，以便在工廠或剛安裝電池後將極快速辨識有瑕疵的電池或不適合該應用的電池尺寸。假設本發明的監控元件在交車時作為該車輛的一部分來提供，此類最小臨限值可由該車輛的車內安裝電腦系統提供，或可永久性儲存在該感測器裝置記憶體中。若本發明的監控元件作為一修配廠配件來提供，則可用熟諳此藝者已知的任一各種方式，由使用者在安裝時輸入一額定值以用於該電池的能力。
可儲存在本發明監控元件記憶體中的其他屬性是電池充電/放電週期數及放電深度，以及其他任何可自該等測量參數之一或一組合來判定的電池屬性。
任何上述實施例可配合傳統電池感測器技術如電流感測器使用，其可使用此藝熟知的分流或霍爾效應線圈實施。藉由結合來自上述實施例的相關充電資訊與來自一電流感測器的電流流量資訊，本發明的監控元件可用以建立極精準"到達空的時間"及"到達滿的時間"資訊，其對使用者會有價值。
本文所述實施例一般參照至具有記憶體及能處理原始資料(電壓、溫度、時間)的計算電路結構的積體監控元件，以判定(數個)中間參數(DC內部電阻)，及接著比較此參數與儲存的資料以判定總結資訊、對使用者有直接價值的參數(電池能力、充電程度、壽命週期狀態、到達滿的時間或到達空的時間)。本發明的範圍亦包括提供該等感測器與一外部資訊系統之間的有效通訊，以便原始資料(電壓、溫度、時間)或(數個)中間參數(DC內部電阻，或總結資訊)可自該感測器裝置傳送到一遠端資訊系統，如一車輛中央電腦，或遠離該感測器裝置的其他處理單元。在後者實施例中，該遠端系統的一部分包括儲存臨限值及歷史數值的記憶體，及執行計算及實施原始電池資料轉換成充電程度、電池壽命、健康狀態等總結資訊的微處理器。例如，在一汽車中，該電池感測器可傳送總結資訊到車輛資訊系統，及車輛資訊系統可將原始資料處理成適當總結資訊。
在任一情形中，表示電池性能及能力的總結資訊可用以控制重要的車輛系統。例如，若車輛電池在關閉引擎時用以供應配件負載(立體 音響、空調)通常會成為放電，可能阻止引擎重新啟動。根據本發明，該監控電路結構可與車輛的啟動電路結構整合以重新啟動主要引擎(或一輔助發電機，若有設置)，以便在充電程度到達一預設臨限值用以使該電池重新充電，或在該電池充電程度成為太低時用以關閉特定電池負載。同樣地，若電池健康狀態或電池壽命減到一預設臨限值，則可在車輛診斷系統中設定一旗標以通知該駕駛員或一服務技術人員。
電池監控資料的遠距顯示
為解決先前提到一電池的位置與使用電池資訊的使用者或系統的位置比較造成不便的問題，提供具有週期性或不斷傳送資料到一遠端顯示器或資訊系統的監控元件是有用的。任何上述實施例可輸出測量及計算的資訊到一分開的顯示元件或資訊系統，其遠離該監控系統的測試電路結構。任何類比或數位通訊技術可用以傳送資訊到一遠端顯示器或系統。此類習知通訊技術可使用有線或非有線連接來實施；後者可包括無線通訊、紅外線或其他技術。通訊協定可包括任何習知或稍晚研發的單向或雙向類比、數位、串聯或封包式通訊協定，包括(但不限於)RS232、IP、TCP/IP、GPRS、USB、CAN、SNMP、LIN、WiFi、Zigbe及其他協定。該遠端顯示器或資訊系統亦可使用該通訊系統以傳送一資訊請求或命令給該電池監控元件的測試電路結構，或用以設定或重新設定該監控元件中的一儲存參考值或臨限值。
資訊遠距顯示及特定電池監控網路
本發明的另一實施例解決具有超過一電池的應用的需求；例如船舶、休旅車或軍用車輛通常將具有一啟動引擎電池及一或多個深週期電池庫。為提供完整的監控能力，系統中的各電池(或分開連接的電池庫)與上述適當類型的一適當電池監控元件配合。各監控元件監控上述對應電池，及使用一單向或雙向通訊鏈結將電池測試資料通訊到一或多個遠端顯示器或資訊系統。該等監控元件與該系統的數個顯示器一起定義一單一特定電池監控網路。該一或多個監控元件及一網路的一或多個顯示器配置成，僅僅與其特定網路中的數個監控元件及遠端顯示器共享資訊，以便許多特定電池監控網路可接近地操作，不會共享其間的資料或互相干擾。在 一特定電池監控網路中，各個遠端顯示器或資訊系統可由使用者操作以自該等監控元件的任一者擷取資料。此一系統例如可用於船舶、休旅車或軍用車輛應用中，其中各用於不用應用的多個電池可全部各由一專屬監控元件個別地監控，及作為結果的資料及來自許多電池各個的重大電池資訊可顯示在單一顯示器上，或顯示在位置方便駕駛員的使用者介面上。
彈性、可延伸、特定電池監控網路
本發明的另一實施例包括一特定電池監控網路，包括有一或多個電池監控元件及一或多個遠端顯示器，配置成便於數個監控元件及顯示器可彈性地加入或自該特定電池監控網路移除，藉此產生一可延伸的特定電池監控系統。一可延伸網路是有用的，其中單一系統中有多個電池，或多個系統各具有單一電池，藉此數個電池或數個系統依一權宜基礎加入服務或自服務中移除。數個範例包括倉庫中使用的一隊堆高機，或具有多個電池庫的一船舶。在兩情況中，可在該網路中加入或移除多個電池，及重新定出該監控系統的程式以適應該改變。
固定式特定電池監控網路
本發明的另一實施例是一特定電池監控網路，包括安裝在一或多個機動車輛上的數個監控元件，如倉庫設施中操作的材料管理設備，或安裝在一隊送貨或服務卡車上。該等監控元件各個將資料如電池狀況通訊到遠離該等車輛的一中央資訊系統。該資訊系統通常是一靜止系統，用以收集來自該等監控元件的連續或間歇資料，因此一車隊監督員可判定何時個別車輛電池需要更換。在一些環境中，該電池監控元件可大致不斷地與該遠端資訊系統通訊；例如，在一倉庫中，具有電池監控元件的所有車輛可不斷地傳送資料到該固定位置接收站。或者，該等電池監控元件可將監控資料累積及儲存在自己的記憶體中，及週期性地將所有或一部分資料通訊給該資訊系統；例如，當具有一監控元件的機動車輛在工作天結束回到其基地時，可查詢該監控元件及令其下載該工作天儲存的資料。此一應用的一範例是各具有數個電池監控系統的一隊貨車，當回到他們的倉庫及進入與該固定位置資訊系統通訊的範圍時，將無線地通訊其資料。而且，此一系統在辨識需要更換電池時將極為有用，藉此避免因車輛損壞而損失 時間。
在另一替代例中，來自車輛內安裝的監控器的資料可藉由網際網路或其他習用技術通訊到一遠端位置，以便可在該等車輛的特定位置外實施服務決策。
電池狀況及其他車輛資料的傳輸
上述電池監控系統的再一較佳實施例中，一車輛中安裝的電池監控元件提供的資料可與該車輛的其他相關診斷資訊合併及一起傳送。例如，基本上所有車輛現在均設置有車內安裝的診斷(OBD)能力，藉此可儲存來自該車輛管理系統的診斷碼。一服務技術人員接著可藉由經由一OBD埠存取該系統，用以下載該車輛的操作狀態。根據本發明的此概念，可使上述電池監控元件能儲存該OBD及電池狀況資訊，及傳送該資訊到一想望的遠端位置(如該裝置在該固定位置資訊系統的範圍內時)。藉此可立即傳送稍早所述電池性能資訊，及亦傳送車內安裝的診斷系統提供的任何診斷碼。
依此，一車隊的維修經理可(事先規劃)積極自動地獲知重要的電池狀況及車輛診斷資訊。假定若及時提出重要資訊便常可避開即將發生的故障，此代表車輛維修的真正進展。更特定地，根據本發明的此概念提供給車隊維修經理及類似人事的資訊是有助益的，原因是常未前攝地檢查該等車輛以用於診斷碼或電池問題。為幫助大規模作業的經理們，自該等車輛擷取該資訊的固定位置資訊系統可連接到網際網路，及藉此每次車輛進入該固定位置資訊系統的通訊範圍，即用來自一大車隊的每一車輛的重要診斷資訊來更新一遠端電腦資料庫。該資料庫可配置成維護車輛診斷資訊歷史，及配置成提供週期性報告及前攝的重大警告給維修經理，幫助經理們將珍貴資源集中在非發生重大故障時才發現的問題上。
本完整發明提供的額外揭露
如上述，此完整申請案主張2007年7月23日提出申請的美國專利臨時申請案序號60/935,017的優先權，以下參照至數個後續發現及進一步研發。
如上述，一電路元件的電導C是其電阻R在數學上的倒數，即C=1/R；電阻測量單位是歐姆，而電導是姆歐。為各種原因，用以執行 涉及根據本發明的一電池評估的計算，及相關本文討論本發明較佳實施例的情形，使用以姆歐計的電導值比使用以歐姆計的電阻值更方便。更特定地，一電池(如汽車內安裝者)的內部電阻IR以歐姆表示。然而，電池的內部電阻IR極小。因此，為更清楚解釋本發明，在附圖及以下討論中使用內部電阻的倒數(即1/IR)，以姆歐表示。然而，除非特別說明，否則電阻視為同等於電導。
更特別地，在根據第1圖操作的ABMS的上述討論中，利用數個有關電池"能力"的值，即電池的最大能力Cm，電池的有效能力Ce，及目前能力Ca；SOC表示成同等於Ca/Ce，及SOH由Ce/Cm表示。電池的電導直接表示其能力；電導的值越高，儲存的能量越多。上述ABMS系統的自行學習能力極有用，但為使記錄的Cm值將真正表示電池在其壽命中的最大能力，唯若監控器連接到新電池，提供的SOH值將是準確的。然而，最近已發現一完全充電電池的電導某種程度上依是否在測量時進行充電而有所不同，此外其間的差異表示其SOH。因此，根據本發明此概念的一裝置可連接到不知年齡或額定容量的一電池及用以預測其SOH。此外，根據再一最近研發，假定已知電池已完全充電，可後續地監控進出電池的電荷流量及隨著時間經過用以追蹤SOC。
第5與6圖的比較說明該發現，其由本發明的方法及儀器利用以評估一電池的狀況。第5及6圖各以實線繪出橫跨一電池測量的電壓，圖的右側是單位。(請注意，為求簡明，此等圖是測量資料的"乾淨"繪圖。)由虛線顯示內部電導，圖的左側是姆歐計的單位。兩圖代表大約90分鐘的一段時間所作的測量，每一分鐘測量一次。第5圖繪示的測量是用於已使用兩個月近乎新的一電池，而第6圖顯示可比較的測量，是用於具有類似額定特性的一較舊電池，特指已使用二十個月的一電池。以下將詳細討論的第9圖是一用以比較的圖，顯示有關本發明額外概念的進一步細節。
第5及6圖以座標圖顯示一完全充電電池的橫跨電壓及電導，在電池正充電時及充電前後所測量。在第5圖中，在充電期間的電壓Vg1大約是14.4，其發生時機從第29分鐘到第51分鐘，及在充電前後的電壓Vg2皆大約是12.75。在第6圖中，在充電期間的電壓Vg3大約是14， 從第25分鐘到第61分鐘，而在充電前後的電壓Vg4大約是12.6。如兩圖所示，電池的電導在充電期間增加；意即Cc(在此使用此變數名稱以參照至完全充電電池在充電期間測量的電導)大於Cn(對應地參照至電池在完全充電時但在充電後測量的電導)。然而，如第5與6圖的比較立即明白，與相關第5圖的較新電池相比，相關於第6圖的不良狀況電池在Cc與Cn之間的差異更明顯。本發明人顯然已發現此事實，本發明使用此發現以提供一種用以評估一電池狀況的方法及儀器。
更特定地，如以下更完整的討論，此發現可結合以上根據第1及3圖的討論操作的一電池評估元件的"自行學習"能力，以提供遠超過先前技藝的電池評估能力。較佳地，利用完全充電電池在充電後的電導Cn作為能力值Ce，用以根據第1及3圖技術以判定SOH。
亦將由第6圖見到較舊電池的電導在充電後有點大於先前。如所述，先前技藝教示一電池內部電阻(或電導)的測量用以評估其狀況，及此圖顯示此教示在評估電池充電狀態SOC時可能有效。第9及9A圖更詳細解決電導測量在SOC評估中的使用。然而，熟諳此藝者應了解充電前後在電導中的差異較細微及可能容易由溫度變化等其他效應掩蓋。藉由比較，Cc與Cn之間的差異十分明顯及其本身有助於SOH評估技術。
因此，除了根據第1及3圖評估電池的狀況外，該評估需要隨著時間經過追蹤電池狀況中的變化，根據本發明的發現，可藉由Cn除以Cc得到一百分比值SOHactual，用以評估一完全充電電池的SOH。必要時，SOHactual可與代表一新充電狀況的一對應值SOHnominal比較，用以指明該電池的實際狀況。因此，若判定該電池在其有效能力Ce已下降到其最大能力Cm的0.6時，將視為已達其有用壽命終點，則可建立一壽命終點值Ceol=0.6 Cm。若SOHactual接著等於或小於0.6 SOHnominal，則可提供一標示指明應更換該電池。若SOHactual以百分比表示作為替代，則因此用於一新電池的SOH=100%及在其有用壽命終點的電池的SOH=0%，則可用(Cn-0.6 Cc)/(Cc-0.6 Cc)算出SOH。
在第5圖的範例中，在充電期間曲線Cc具有大約181姆歐的一平均值，及充電後曲線Cn具有大約170姆歐的一平均值。Cn/Cc代表 由本發明方法得出的測試電池的實際狀況，是0.944；以百分比表示為94.4%。已知此電池較新，此值可視為SOHnominal，用於未知狀況的電池的對應值可與此值比較。
在第6圖中，在充電期間曲線Cc具有大約182姆歐的一平均值，及充電後曲線Cn具有大約130姆歐的一平均值。Cn/Cc代表該根據本發明狀況的測試電池的實際狀況，因此是0.714，或以百分比表示，SOHactual為71.4%。此可與對應值SOHnominal比較以判定該電池是否可使用；將採用該範例中測量的值以指明該電池僅是勉勉強強有用。通常，若測得的內部電阻Cn小於Cc的60%，將提供一信號以指明應以一新電池更換掉一用過電池；決定該百分比的準確值是依待測量電池的類型而定。
由第5與6圖的比較將進一步了解，用於一新充電及使用良好的電池，Cc基本上完全相等。此事實在本發明的應用中極為重要，因意味著可在一電池壽命期間的任何時間測量Cc，簡單地藉由電池充電及測量其電導，及與充電後測量的電導Cn比較，用以判定該電池的相關狀況。因此，不需要輸入一值以用於一新電池的Cc，亦不用輸入一值以用於SOHnominal。此外，此事實尚意味著本發明用以判定電池SOH的技術可在任何時間應用到任何完全充電的電池，不用提供更多資訊。
第7圖顯示本發明方法中回應上述發現的數個主要步驟，用以評估一電池狀況，意即健康狀態(或SOH)。在步驟81中，其如上述是可選步驟，選定一預設值(即SOHnominal)以代表一新電池的狀況。在步驟82中，當繼續充電時測量一完全充電電池的電導，及以姆歐計表示為Cc。在步驟83中，在完成充電後測量該電池的電導，及以姆歐計表示為Cn。在電池84中，Cn除以Cc得出SOHactual用以表示該電池的實際狀況。若在步驟81中提供用於SOHnominal的一值，則在步驟85中可將SOHactual與該值比較。在步驟86中，若電池故障迫近則可發出一警示。
第8圖顯示相關第7圖方法的一較詳細流程圖。在對應第3圖步驟81的步驟93中，可選擇性地設定對應至一新電池SOH的一值SOHnominal。在步驟94中，使用一充電元件將該電池充電，當電池完全充電時(如以下討論所判定)，測量該電池的電導C，以姆歐表示，及儲存在記 憶體中。為改進該值的準確度，較佳執行該測量複數次K及採用一平均且儲存為Cc。在步驟95中，停止充電，及測量該電池的電導，以姆歐表示，及儲存在記憶體中；而且較佳儲存一平均值作為Cn。在步驟96中，Cn與Cc相比以得到一百分比值SOHactual，其表示該電池的實際狀況。若提供一值用於SOHnominal，則該值在步驟97中與SOHactual比較。在步驟98中，基於該比較作出該電池是否可使用的判定，或僅對SOHactual作出回應。若該電池不可使用，則指示一I/O裝置(例如一警示光)發出一警示。請注意，在汽車場合中，在引擎運轉時基本上繼續充電的情況中，當引擎運轉時將重複地測量Cc，及關掉引擎時測量Cn。如以下配合第9圖的討論，通常較佳在充電停止後數分鐘再測量Cn，以容許導致錯誤讀數的"表面電荷"消散。若接著判定SOH已下降到表示電池初發故障的一點，則可提供一對應警示信號。
第9圖以圖顯示當一電池首次經由一重負載放電，接著充電，及接著靜止時，在橫跨該電池的電壓中的變化及經過一段大約400分鐘時間的電導。如在第5及6圖中，由一虛線顯示電導C，以圖左側上標示的姆歐單位表示，及由一較粗線顯示電池電壓V，以圖右側上標示的姆歐單位表示。而且，該繪圖是實際資料的一"乾淨"版本。
在第1分鐘至第106分鐘，該電池先藉由連接到一重負載而放電。如所見，當電池成為放電時，電壓V及電導C兩者皆快速下降。在第106分鐘，移除該負載及連接一充電器。如圖中在A所標示，當初始連接充電器時，V快速從10伏上升到13.2伏，及接著經過一段大約二小時的時間再緩慢地上升到近乎14.5伏的一最後值。當第一次連接該充電器時，電導C亦初始地快速上升，但之後以一非線性方式上升，最終到達大約210姆歐的一穩定值Cc。當C達到一較穩定值，如當一連串測量中的變化小於一專特值L時，該電池可視為完全充電。如第9圖所示，在該傳導信號中有一些雜訊，會需要較複雜的信號處理技術以得到用於C的該等最佳可能值。
在大約第295分鐘，點B，中斷該充電器，但未連接任何負載。當金屬板上的"表面電荷"消散及電池藉此達到平衡時，經過數十分鐘 後，電壓V逐漸下降到一最後值。傳導性C同樣逐漸下降，最後到達一值Cn，其準確表示該電池中儲存的能量。此值Cn可與Cc比較以評估電池的SOH，及應利用以作為第3圖方法中的目前能力Ce，如應用相關第1(A)圖解釋的分析及造成第1(B)圖燃料計量器顯示。此外，藉由儲存電池在充電後達平衡後測量的Cn與稍後測量的C比較，亦可判定電池的SOC。
如以上的討論，相關第1及3圖說明的ABMS技術在自動儲存及更新一最大能力值Cm的方面是"自行學習"，藉此本發明的監控器"學習"相關電池的最大能力；與進行中的電壓及電導測量結合，此Cm值大體上在任何狀況中容許判定SOH以用於任何電池，及然後容許準確地預測電池的剩餘有用壽命。亦可規律地測量Ca，及與Ce比較，以得到用於SOC的一值。此外，藉由在電池已充電後測量Cn，該元件亦"自行校準"。本發明的自行學習及校準屬性克服先前技藝的重大缺點，原因是根據本發明製成的監控器可在廣泛使用條件中安裝在各式各樣的電池尺寸、類型及年齡上，及可極快速"學會"該電池的關鍵屬性及開始報告有用的SOC及SOH資訊。
可由第9圖看出，當電池正放電時(第1至106分鐘)，傳導曲線C較成直線，因此一SOC計算，比較C與一先前建立值以用於Cn，將得到一較準確值以用於SOC；藉由比較，在重新充電期間(例如第106至209分鐘)執行的一類似計算，由於在C中的變化較非線性，將不如此準確。
在必須極準確知道SOC的情形中，如在上述起止式車輛中，一傳統"分流"或"VIT"感測電路可與根據本發明提供的資料結合，以連續不斷地提供高度準確的SOC資訊。如上述，先前技藝VIT感測器產生高度準確電流流量資訊，但遭遇的困難是，不知道其他有關該電池重要獨特資訊，隨著時間經過難以使該資訊與電池SOC相關聯。藉由結合上述實施例的自行學習及自行校準屬性與來自一簡單分流的電流流量資訊，其測量進出該電池的電流，可提供具有較高SOC準確度的一電池感測元件。此外，結合放電期間的即時內部電路測量與同一放電期間的實際電流積分，可判定該電池的總絕對容量。
第9A圖重複第9圖中的同一曲線C，省略曲線V以求簡明， 及加入一充電/放電的實曲線，指明進出該電池的電荷積分流量。可藉由一分流、霍爾效應感測器、電感線圈或此藝熟知的其他方式測量電荷流量，及在系統微處理器控制單元(MCU)中實行該積分運算(以下配合第11圖加以討論)。因此，用於該電池不時完全充電時所建立的SOC的一值可持續地更新及維持準確。如所示，通常該積分電荷在放電及充電期間將線性地變化，但因直接測量該流量，因此用於SOC的計算值的準確度未依線性亦未依不變的流量速率而定。
更特定地，每次建立一值以用於Ce(或Cn，其中使用內部電導作為能力度量)及執行在記憶體中，意即每次電池充電，SOC設定成100%。然後，使用該分流以測量進出電池的電流流量，容許由電流積分運算有效追蹤SOC。可基於Cm而設定一目標最大放電程度深度Cdod，及視需要用以控制重新充電。例如，在起止式車輛場合中，可追蹤SOC，當Ca=Cdod時，意即在電池到達電池將無法用以放電的一放電深度前，用以啟動引擎將該電池重新充電。
此外，經過一段足夠時間(短如數分鐘到長如數小時)，可使測得電導C中的減低與累積的實際電流放電Ci相關聯，及可計算該電池的總絕對容量。換句話說，為評估SOH，需要如上述Cc簡單地除以Cn，但此計算未提供一實際值以用於電池中的充電量。然而，若在追蹤電池電導C中的變化時測量流進或流出電池的實際電流量，則可得出一準確值以用於電池的實際能力。一旦如上述建立絕對能力範圍(滿到空，Ce到Cdod)，在每一完全充電情況，可建立一新值以用於Ce，及再開始電流積分運算過程。依此，可在任何已知時間提供一高度準確值以用於SOC。此外，因每次電池完全充電皆重新開始電流積分運算的過程，因此避免過量錯誤的累積；因此該過程兼有自行學習及自行校準兩者。此容許該過程用以評估未知額定尺寸及狀況的電池。此外，當電池老化及SOH自然減低時，藉由積分運算電流流量以提供正確SOC的功用及準確度仍高。
一比喻有助於了解。假設一電池是一貯水槽，儲存未知初始能力Cm，但具有一簡單計量器指明其裝滿的程度，隨著時間經過電池能力已減低，就像以碎石裝滿到一未知程度，因此亦未知其目前能力Ce。先裝 滿貯水槽，及記錄其位準Ce。接著當將釋出的水量作積分運算時，貯水槽逐漸排空。在稍後一些時間再記錄其相關位準Ca。Ca/Ce指明貯水槽已排空的程度；若為50%，及已釋出十加侖的水，則Ce是20加侖。從此，每次開始重新裝滿貯水槽，可自20加侖減去釋出的水量以判定剩下的實際水量。此實際水量當然同等於一電池的SOC。此外，因上述的電池例子中可藉由比較Cn與Cc，以判定電池的相關SOH(在該貯水槽比喻中將是不可能)，因此亦可判定初始最大能力Cm，其將已大致等於Cc。
第10圖以流程圖顯示用以執行此計算的一示範演算法中的數個步驟。在此，該等步驟許多大致與第3圖者完全相同，在此將省略其說明。應尚了解可有許多修改及變化。
因此，步驟100及101初始化使用的數個變數。在步驟102中，測量測試中的一電池的電導C及電壓V。可使用美國專利申請案序號11/984,669中揭示的LPR測試完成此測量，及再總結如下，若合適，或藉由另一方法以測量C及V。在步驟103中此等值與儲存值Ca及Va比較，及在步驟113中判定其變化率；在步驟114中，此變化率用以設定重複該過程的時間間隔T。步驟116判定該電池是否接著完全充電及正充電；若是，在步驟115中Cc設定成等於測量值C。若不是，但若在步驟118判定電池已充電而非正充電，則Cn設定成等於C，及Ci(該積分運算的電流值，如上述橫跨一分流或另外情況所測量)設定成等於零。若電池未完全充電，則控制直接跳到方塊104，其中Cd(代表待許可最大放電深度)設定成等於fdd*Cc，及Ceol設定成等於feol*Cc。(Cc作為用於此等數量的參考值，以便壽命終點目標值Ceol及最大許可放電深度值Cd未隨著電池老化而有所不同)。因此，當電池不時完全充電時，將重複比較C的能力值加以更新以反映電池的狀態，藉此"自行校準"該元件，以便例如電流積分中的錯誤不會隨著時間經過而累積。
在步驟105，測量通過分流的電流I及乘以消逝時間T以得到一積分值以用於總能量流量，及藉此更新Ci。在步驟105A中，其可在該元件在安裝初始化時執行，或在使用期間不時地執行，判定一標度因子SF用以將該積分運算的電流流量用的值Ci轉換成數個能力值，如通常對電 池的電導測量作出回應所判定。可如以下討論來判定該標度因子SF。在步驟106中，比較Ci與SF以判定用於SOC的瞬間值(電流)，意即得出用於SOC的一值以回應電流流量Ci的測量。在步驟107中，可判定SOC，以傳導性的函數表示，例如用以確認該轉換值SF。在步驟108中，比較Cn、Cc與Ceol以判定SOH。在步驟109中，比較SOC與SOH以警示數個極限，若適當，則在步驟110提供一警示。不然，可在步驟111將該等結果顯示在一輸出元件上。如步驟112所示，在一時間間隔T後重複該過程。
更特定地，若想要基於該電流流量的測量以提供一進行值以用於SOC，則必須判定從100% SOC到0% SOC對應到電池放電的電流量。然而，當測量所提供的總電流量時，明顯地不想要藉由電池完全放電來作判定。反而，根據本發明的一概念，本發明的過程包括一初始化性能步驟，用以判定電荷流量與電導變化之間的關係。例如，可執行一完全充電電池的Cn，及用於Cdd的一值判定為fdd*Cn。因此Cdd對應到0% SOC。當積分運算電流流量及監控電池電導中的變化時，該完全充電電池接著僅需要部分地放電；接著可預測對應到0% SOC的放電的電流流量。例如，若Cn是200姆歐(MHO)及fdd是0.5，則Cdd將會是100姆歐。假設當C下降到150姆歐時，記錄一總電流流量是10安培，則SOC將會是100-[(200-150)/(200-100)]，或50%；由此將立即看出從100% SOC到0% SOC電池放電所需的總電流將是20安培。此建立之後相關該特定電池待利用的標度因子SF。在此範例中，SF是5，即測得的電流乘以5及減去Cc的姆歐數以得到C，其接著與Cdd比較而得到SOC。然後，每次已知電池完全充電，SOC可重新設定成100%，及然後監控的電流隨著時間經過用以追蹤SOC。
診斷式充電系統
第11圖根據本發明以電子方塊圖說明用以評估一電池狀況的一裝置160。用以測量該電池電導的基本電路及技術如美國專利申請案序號11/984,669中所揭示。裝置160包括一穩壓電路161用以在操作中供應一穩定電壓到裝置160，一MCU(微處理器控制單元)162用以控制裝置160，及用以在數個類比至數位(A/D)輸入，在連接到MCU 162的電路中的數個點測量電壓，一習知負載電阻值R 163，一瞬間電流控制電路165，及 一I/O(輸出入)單元167。I/O單元167可用熟諳此藝者熟悉的數個方式實施，如作為一或多個顯示器、一鍵盤輸入、一無線通訊元件，及網際網路的無線存取。
更特定地，裝置160包括一瞬間電流控制電路165，實施為二並聯電晶體Q1及Q2，各代表一可控制負載，加以連接以便可令Q1與Q2任一者或兩者將電流自電池B經由一習知電阻R 163吸引出。對來自MCU 162的數個控制信號作出回應，自電池B可控制地吸引出大"瞬間"電流(意即在極短時間內吸引的大電流，以便限制消散的電量)，該電池將由第一及第二電晶體加以評估。若僅Q1導通，則可使用連接163B及163D測量橫跨R的一參考負載電壓VLR；接著可令Q2亦導通。因Q1與Q2是並聯且具有內部電阻，因此將吸引一不同電流量，及測量橫跨R的一不同負載電壓VLL。接著可由MCU藉由VLR與VLL之間的差除以R算出自電池吸引出的電流I。當僅有Q1導通時測得橫跨電池的電壓VBR及Q1與Q2兩者皆導通時測得的電壓VBL將已在同時間測得。接著藉由VBR與VBL之間的差除以I算出電池的內部電阻r。在美國專利申請序號11/984,669文件中已揭示該內部電阻測量的進一步細節，該文件以引用方式併入本文中。接著反轉算出用於電池內部電阻的值r，以得到電導C。
根據本發明的一概念，第11圖電路亦顯示，藉由回應一相關聯控制線168操作的一開關SW1 171連接到一充電器G或其他能量源170。亦顯示服務負載L 172的連接，為具有一對電壓感測連接176的一分流電阻174，用以測量流進或流出電池B的電流。
在以下範例中，假想初始想要判定一汽車內安裝的一電池的狀況，然後追蹤其狀況及控制其充電。該儀器連接到該電池，理想地經由開爾文連接，如第11圖所示。使用美國專利申請序號11/984,669詳細揭示的技術先測量內部電導以建立其Ce。接著供應能量到充電源170將以該電池充電；繼續充電直到電壓及/或電導穩定。接著將SOC當作100%。接著將該電導值儲存為Cc，及重新供應能量至該充電器；在足以容許表面電荷消散的一段時間後(或測量的電壓已穩定後，指明表面電荷消散)，再測量該電導值及儲存為Cn。接著可藉由比較Cn與Cc以判定SOH。接著可使用 電壓感測引線176以測量橫跨一已知電阻的分流174的電壓降，及以此追蹤SOC中的變化，在未來追蹤SOC。為提供剩餘充電的一準確測量，可導出該電池實際容量(與SOH提供的"相關"容量相對)的一標示。如上述，此可藉由監控隨著時間經過流進流出電池的充電量，及測量其電導中的實際變化而完成。可由MCU控制I/O元件，例如用以提供指明電池SOH及SOC的一輸出；例如SOC可顯示為一百分比值，或可顯示一值以用於電池中儲存的剩餘能量。
熟諳此藝者應明白本發明的許多額外概念及其可作出的改進及研發，尤其地，本文中所揭示電池評估過程及設備的各種概念可以各種方式結合，得到不同想望特性的元件，包括(但不限於)使充電速率最適化的電池充電器、用以判定未知起源電池的SOH的電池評估設備，用於起止式車輛的充電及引擎啟動控制系統，用於具有多個電池及充電源的船舶、軍車、卡車、RV休旅車等的電池監控及充電源控制系統，用於小客車的電池監控器，及其他許多裝置。因此，雖然已詳細說明本發明的數個特定實施例，但本發明未侷限於此等實施例，而僅由後附申請專利範圍所限制。舉凡本發明所述的其它實施例與技術手段，均應視為本發明的保護範圍內，始符合理。
Cm‧‧‧最後重新設定後的最大能力
Ce‧‧‧目前狀況中若完全充電時的有效能力
Ca‧‧‧目前能力
Ceol‧‧‧在壽命終點的Ce
Bl‧‧‧電池壽命
SOH‧‧‧健康狀態
SOC‧‧‧充電狀態
12‧‧‧連接線
14a、14b、14c、14d、16a、16b、16c、16d‧‧‧週期

Claims (16)

  1. 一種用以追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之方法，包括以下步驟：每隔一段時間評估一代表該電池能力之參數，得到一串值Ca；判定用於Ca之該串值中達到之數個最大值，及儲存此等值以作為Ce；判定在該電池壽命期間由Ce達到之最大值，及儲存此值以作為Cm；藉由比較Ce與Cm以判定該電池之健康狀態；及藉由比較Ca與Ce以判定該電池之充電狀態。
  2. 如申請專利範圍第1項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，尚包括藉由比較Ce與一預設值Ceol以預測初發電池故障之步驟。
  3. 如申請專利範圍第2項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，其中Ceol設定為Cm之一預設部分。
  4. 如申請專利範圍第1項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，尚包括藉由比較Ca與一用於最大許可放電深度之預設值Cdod以控制該電池充電之步驟。
  5. 如申請專利範圍第4項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，其中Cdod設定為Cm之一預設部分。
  6. 如申請專利範圍第1項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，其中表示該電池能力之該參數係該電池之直流(DC)內部電導。
  7. 如申請專利範圍第1項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充 電狀態之方法，其中藉由以下步驟之進行以判定Ce：施加充電電流至該電池，直到判定該電池大體上完全充電；中止施加充電電流至該電池；當不再施加充電電流時，測量該完全充電電池之電導Cn；及設定Ce等於Cn。
  8. 如申請專利範圍第7項所述追蹤一電池隨著時間經過的健康狀態及充電狀態之方法，其中該電池已於充電後達到平衡時，執行當不再施加充電電流時測量該完全充電電池之電導Cn之該步驟。
  9. 一種用以追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，包括：一測量電路，用以測量一表示該電池能力之參數，及用以每隔一段時間提供一信號以回應該參數之一測量值，得到一串值Ca；及一控制器，回應該測量電路用以監控該串值Ca，及用以：判定用於Ca之該串值中達到之該等最大值，及儲存此等值以作為Ce；判定在該電池壽命期間由Ce達到之最大值，及儲存該值以作為Cm；藉由比較Ce與Cm以判定該電池之健康狀態；及藉由比較Ca與Ce以判定該電池之充電狀態。
  10. 如申請專利範圍第9項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中該控制器尚藉由比較Ce與一預設值Ceol以預測初發電池故障。
  11. 如申請專利範圍第10項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中Ceol設定為Cm之一預設部分。
  12. 如申請專利範圍第9項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中該控制器尚藉由比較Ca與一用於最大許可放電深度之預設值Cdod，以控制該電池之充電。
  13. 如申請專利範圍第12項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中Cdod設定為Cm之一預設部分。
  14. 如申請專利範圍第9項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中該測量電路測量該電池之DC內部電導。
  15. 如申請專利範圍第9項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，尚包括一可控式元件，用以施加充電電流至該電池，該元件對該控制器有反應，其中該控制器藉由以下步驟之進行以判定Ce：當監控該電池之狀況時，令充電電流施加至該電池直到該控制器判定該電池大體上完全充電；中止充電電流施加至該電池；當充電電流不再施加充電電流時，測量該完全充電電池之電導Cn；及設定Ce等於Cn。
  16. 如申請專利範圍第15項所述追蹤一電池隨著時間經過之健康狀態及充電狀態之儀器，其中該控制器尚判定該電池於充電後何時已達到平衡，及當不再施加充電電流時，接著測量該完全充電電池之電導Cn。
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