CN101034137A

CN101034137A - 电池截止放电电压测量及修正方法

Info

Publication number: CN101034137A
Application number: CN 200610057207
Authority: CN
Inventors: 何昌祐
Original assignee: NEOTEC SEMICONDUCTOR CO Ltd
Current assignee: NEOTEC SEMICONDUCTOR CO Ltd
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2007-09-12
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: CN101034137B

Abstract

一种电池截止放电电压测量及修正方法，其是依据放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2及EDV0的方法。其中EDV2为电池电量是总电量的7％至8％时的电池端电压，而EDV0为电池电量为总电量的0％时的电池端电压。所述方法是先利用实验数据归纳出两个二元一次经验公式，每一经验公式包含三个参数及两个变量。该两个变量的其中一个和温度有关，另一个则是放电电流。三个参数中的其中一个是两个经验公式都有，另外两个参数则是两个经验公式都不同。再设定以特定温度及放电速率作为边界条件进行定额电流特定温度的放电曲线测量，以找出三个参数，即可依据放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2及EDV0。

Description

电池截止放电电压测量及修正方法

技术领域

本发明是关于一种可充电电池的截止放电电压(EDV)测量，特别是一种依据电池放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2(7％电池电量的EDV)及EDV0(0％电池电量的EDV)的方法。

背景技术

电池可以说是一切可携式电子装置的动力来源。比如说移动电话、笔记型计算机、个人数字助理、随身听等等，都有赖电池提供电力。但毕竟电池只是一种蓄积电量的装置，可携式电子装置使用时就消耗电池的电能。当耗损到一定程度而使剩余的电能不足以驱动该装置的电路后，一种选择是丢掉，另一选择则是再充电。一般而言，不管是以环保考虑，还是以长时间总平均成本思考，可携式电子装置多数采取电池再充电的方式，将原来耗损的电能补充回来。

当然，电池可以提供可携式电子产品使用的时间与该可携式电子装置的消耗功率息息相关，也和电池蓄电能力有着密切的关系。

而电池蓄电能力除了和电池的蓄电材料有关，也和蓄电材料的记忆效应有关。所谓电池的记忆效应是指电池在使用过程中，由于长期得不到完全的放电，导致电池的实际容量小于真实容量的现象。该现象和电池中的某些元素的特性有关。例如早期的镍镉电池，到近期的镍氢电池或锂电池都发现有不同程度的记忆效应。

充电电池还有一个必须注意的特性，即电池端电压和电池容量关系，请参考图1所示的放电曲线。如图所示，放电曲线中有两个电压徙降点，即当电池充电至饱和状态时与电池电量快要释放耗尽时，其它情形下曲线是平缓的。其中和使用者最为息息相关的是电池电量快要释放耗尽时，电池端电压剧降。此时，可以放出的电能非常有限，此电压一般称为截止放电电压(Endof Discharge Voltage，EDV)。在电池端电压等于EDV时，电池的残余电量值可能为完全充电时的8％或7％(这个电压有时也称为EDV2)。另外，还有另一个重要的参数称为EDV0，指的是电池的残余电能为0％。事实上，可携式电子装置的充电电池通常不会把截止放电电压设在残余电能为0％处。因为，一来可携式电子装置若包含随机存取存储器时，电池突然地不再供电，将导致使用者的未储存数据或设定流失。另外，若这个装置属于病人的医护产品时，情况更严重，因为那将可能导致病患立刻身陷危险。

因此，一个智能型的电池管理系统应该具备有随着提供残余电量值供使用者参考的能力，特别是在残余电量值可能为完全充电时的20％、10％时预先警示使用者。或者至少在EDV2就不再供电，以免这颗电池提早宣告寿终正寝。

然而，另有一点必需注意的是，EDV2并非是一成不变的，它与使用的环境温度、电池老化程度及电池负载电流(可携式电子装置放电电流)等有关。请再参考图1所示的放电曲线。单纯的设定一固定EDV门槛来监控，而忽略环境温度及放电电流等因素对电池的影响，是得不到正确的EDV2的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种电池容量的测量方法，将同时考虑环境温度与电池的放电电流，以取得更准确的电池截止放电电压。

本发明提出一种电池截止放电电压测量及修正方法，其是依据放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2及EDV0的方法。其中EDV2为电池端电压和残余电量的放电曲线关系中，放电曲线由平缓至下弯的转折处的电池端电压，其值约为电池残余电量的7％至8％，而EDV0为放电曲线中电池残余电量约为0％时的电池端电压。本发明的方法是先利用实验数据归纳出两个二元一次经验公式，每一经验公式包含三个参数及两个变量。该两个变量的其中一个和温度有关，另一个则是放电电流。三个参数中的其中一个是两个经验公式都有，另外两个参数则是两个经验公式都不同。再设定以特定温度及放电速率作为边界条件进行定额电流特定温度的放电曲线测量，以找出三个参数，即可依据放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2及EDV0。

具体来说，上述方法包含下列步骤：首先，将电池充电至饱和，再分别在两个特定温度下，以定额电流进行第一及第二放电曲线测量，依据这两个放电曲线定出两组EDV2及EDV0，再将两组EDV2及EDV0代入经验公式(I)及(II)：

(I)EDV2＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_gain/256)/256

(II)EDV0＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_factor/256)/256

其中Q_T＝[480-(T-5)*10]*8/256，且以放电电流为第一额定电流，以毫安为单位，而T分别为第一特定温度及第二特定温度(以℃为单位)为边界条件，计算出EMC、EDV_gain、EDV_factor三个参数值。

利用上述经验公式(I)及(II)即可计算在该电池使用范围下任意放电电流及电池温度的EDV2及EDV0。上述的第一特定温度及第二特定温度可以是5℃、25℃及45℃的其中任选两个温度的组合。

此外，上述方法还包含在第三特定温度下，以所述第一额定电流进行第三放电曲线测量，再由该第三放电曲线定出第三组EDV2及EDV0，代入上述的(I)、(II)两式，当所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值和以第一及第二放电曲线所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值偏离值低于5％误差值以内，则接受，若超出时，则以第一及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值，并以第二及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值。

其中，所述的第一额定电流，是以电池容量的40％至60％的电流量放电速率持续放电。所述的放电曲线测量，测量前电池必须在电池电量饱和时才进行。所述的放电曲线测量电池放电过程，电池必须是连续放电下进行，不可以中途被充电。所述的放电曲线测量电池放电过程，电池表面温度不可以低于5℃下进行。

本发明的有益效果在于：

(1)依据本发明的方法，使用两个二元一次的经验公式，即可估算出电池的截止放电电压，配合CPU与ADC测量电池的电压、电流、温度以及三个参数值EMC、EDV_gain、EDV_factor。

(2)本发明的方法使用低阶CPU即可轻易的完成电池截止放电电压的计算，将可有效地将电池容量管理系统低价化。

附图说明

通过以下详细的描述结合所附图式，将可轻易了解上述内容及此项发明的诸多优点，其中：

图1为电池的放电曲线示意图。

图2为电池EDV曲线量度可靠度检验流程。

图3为电池监测装置的方块示意图。

图4所示为脉波信号。

图号对照表：

15ADC(模拟数字转换器) 20CPU(中央处理单元)

25时钟脉冲产生器 30ROM(只读存取存储器)

35SMBus接口 40LED

1-4为EDV曲线量度可靠度检验流程。

具体实施方式

如前所述，电池容量7％的截止放电电压(7％-EDV或EDV2)既然与电池温度、持续的放电电流等有关，那么就有必要找出一个公式，这个公式以电池温度和放电电流为变数，以获得较准确的EDV2。

依据本发明的方法，EDV2可以依据放电曲线来获得，请参考图1，横坐标为电池容量，而纵坐标为整串电池组的端电压。整串电池组是指电池由多个电池串联。本发明依据许多的实验数据归纳出放电曲线满足以下经验公式(两个二元一次方程式)：

(I)EDV2＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_gain/256)/256

(II)EDV0＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_factor/256)/256

其中只有放电电流和Q_T为变量，Q_T是和温度有关的变量，请注意在(I)式的放电电流是以mA为单位，而Q_T是以公式(III)Q_T＝[480-(T-5)*10]*8/256计算而获得，这个公式是经验公式。仅管如此，在(I)及(II)进行计算时，就不再管放电电流和Q_T的单位，即当作无单位因次来计算。

而EMC、EDV_factor及EDV_gain则是相关的参数可利用预设的边界条件而获得。

边界条件(1)设定在环境温度25℃，以50％电池容量的放电速率，由完整充电至放电至电池管理芯片中的保护电路关闭放电为止，放电过程中则全程绘出放电曲线。举例来说，比如笔记型计算机所用的电池约由三串电池所组成，典型容量为4400mAHr，则放电速率设定在每小时2200mA的放电速率下连续放电，一般而言，只要在电池容量的40％至60％下进行即可，即每小时1760mA至2640mA下都可接受。电池管理芯片中的保护电路关闭放电时每串电池约为3V。此时3串电池的总串接端电压即视为在25℃下的EDV0。而EDV2则由放电曲线找出(或依据积分方法计算出)。另外两个边界条件(2)及(3)，可分别设在环境温度45℃及5℃下，使用相同条件求出。当然，上述的边界条件所示的温度仅为说明举例方便而已，并请注意是环境温度，而非电池表面温度。而且不是用以限定本发明的范围。

依据上述方法，将5℃、25℃及45℃分别以(III)式求出三个Q_T值，即Q_T1、Q_T2、Q_T3值，而放电电流则代入上述的2200mA。依据上述的(I)式及(II)式各有两个未知数，即(I)式中有EMC及EDV_gain，而(II)式中有EMC、EDV_factor，可将所得的边界条件放入即可，所以，只要两个边界条件即可。

因此，当假设上述EDV2及EDV0的经验公式和放电曲线完全一致时，则两个二元一次方程式应该只用两个边界条件即可。但应注意的是，上述公式毕竟只是经验公式，因此，多放一个中间值温度(室温)，量度放电曲线，用以在当所量得的放电曲线偏离经验公式时进行修正。依据本发明的实验数据显示，偏离值多在实验的允许误差之内(典型为5％以下)。在允许误差范围内时，则上述方法计算出的EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值就予以接受。若超出时，则以第一及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值，并以第二及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值。三组EMC、三组EDV_gain、三组EDV_factor，再分别取其平均值。

当EMC、EDV_gain、EDV_factor三个参数利用上述边界条件下的放电曲线取得之后，再利用本发明的电池管理芯片系统便可修正在任意放电电流及温度下的截止放电温度。

上述的电池学习过程中，必需注意以下图2所示为电池EDV曲线量度可靠度检验流程，该流程用以确保放电曲线是可靠的。

首先，如步骤1所示：检查电池的电力是否已被充满(即饱和)，若否，则回到重新开始的步骤；接着，如步骤2所示：检查是否完全放电，若否，则回到重新开始的步骤；紧接着，如步骤3所示：检查电池放电过程是否连续(即，不可以在放电过程中又被充电)，若否，则回到重新开始的步骤；最后，再检查被放电后的电池表面温度是否仍超过5℃。若否，则仍需重来。经过上述步骤的检验后，电池EDV曲线的量度才被视为可靠的。

本发明的系统的架构请参照图3，包含一ADC(模拟数字转换器)15、一CPU(中央处理单元)20，一时钟脉冲产生器25，一ROM(只读存取存储器)30、一SMBus接口35及LED 40。其中SMBus接口35和主机38连接。主机可以是笔记型计算机的主机板或笔记型计算机的充电器。时钟脉冲产生器25提供CPU 20运作的时钟脉冲。依据本发明的方法，时钟脉冲产生器25在一预设的固定时间，就提供一中断给CPU 20，这个中断是由时钟脉冲产生器25所产生的，如图4所示的脉波信号。这些脉波信号的周期约为0.5秒(但不一定是)，在脉波信号为低时，触发CPU产生中断(interrupt)的接脚，以产生中断，因此称为RTC(real time clock)中断，CPU 20在每一次RTC中断时，输出入接口将主机(host)的电池相关资料，比如电池的温度、目前的负载电流(放电电流)及电池的电压值等，经ADC 15转换为数字信号后，由CPU 20读取，再以ROM内预存的程序计算电池的残余电能，计算结果存于暂存器或存储器内。当SMBus(smart battery management；智能型电池管理)接口35动作时，CPU会依据暂存器的内容，将残余电能显示于LED上。主机也可以经由SMBus接口35将残余电能读出。

详细地说，当电流流过一已知的负载电阻值时，只要取得负载电阻的跨压的模拟信号，再经过ADC 15转换为数字信号时，CPU 20只要根据这个数字信号的大小就可得知负载电流值。而电池的电压值则由电池的端电压经ADC15的转换也可以得知，再提供给CPU20。而电池的温度则由温度传感器例如小型的热电偶得到电动势，电动势经由ADC15的转换提供给CPU20，就可以得知电池的温度。CPU则依据取得的数字信号(即电池温度、负载电流及电池的电压值经ADC 15转换后的信号)计算电池的残余电能。

一般而言，电池容量是以毫安小时(mAHr)为计算单位，即若要达到确实监控电池的残余电量，每次RTC中断的时间就必需加以校正。依据本发明的方法，如上述每次RTC中断是固定长度的，约为0.5秒，但不一定是真正的时间，因此，本发明的ROM内的计算程序在出厂前就先作时间校正，即在累积一定数额的RTC中断后，例如120个RTC中断，利用主机的参考时钟脉冲，或已知的时钟，校正每一RTC的时间。因此，依据本发明的方法，可以使用较低价的晶体振荡器即可，而不是使用非常准确的晶体振荡器。在求得真正的时间后，电池残余电能可利用库伦计算法来计算流进与流出电池的电容量。

更详细地说就是：电池剩余容量＝电池充满时的电荷量+电池充电时流进的电荷量-电池放电时流出的电荷量-电池自我放电的电荷量。

所谓电荷量，就是电流对时间的积分，即利用通过电阻的电压来计算电流。若电压差为负值则视为放电，将放电容量存放于放电暂存器DC(dischargecounter)中，若为正值则视为充电，将充电容量存放于充电暂存器CC(chargecounter)中，在不考虑电池自我放电的条件下，CC与DC的差值就是整体电池的剩余容量RM(remaining capacity，RM＝CC-DC)。

本发明有以下优点：

本发明虽以较佳实例阐明如上，然而其并非用以限定本发明，在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改，均应包含在权利要求的范围内。

Claims

1.一种电池截止放电电压测量及修正方法，其是依据放电电流及电池表面温度修正电池截止放电电压EDV2及EDV0的方法，其中所述EDV2为电池端电压和残余电量的放电曲线关系中放电曲线由平缓至下弯的转折处的端电压，而所述EDV0为放电曲线中电池残余电量为0％时的电池端电压，其特征在于，所述方法至少包含下列步骤：

将电池充电至饱和，在第一特定温度下，以第一额定电流进行第一放电曲线测量，再由该第一放电曲线定出第一组EDV2及EDV0；

将电池再充电至饱和，在第二特定温度下，以上述第一额定电流进行第二放电曲线测量，再由该第二放电曲线定出第二组EDV2及EDV0；

以第一组EDV2及EDV0及第二组EDV2及EDV0代入以下经验公式(I)及(II)：

(I)EDV2＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_gain/256)/256

(II)EDV0＝EMC*(256-(放电电流/64+Q_T)*EDV_factor/256)/256

其中，Q_T＝[480-(T-5)*10]*8/256，放电电流＝第一额定电流，以毫安为单位，T分别为第一特定温度及第二特定温度为边界条件，计算出EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值；

其中，温度是以℃为单位；

利用所述经验公式(I)及(II)计算在该电池使用范围下任意放电电流及电池温度的EDV2及EDV0。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一特定温度及第二特定温度分别为环境温度5℃、25℃及45℃的其中任选两个温度。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，更包含在第三特定温度下，以所述第一额定电流进行第三放电曲线测量，再由该第三放电曲线定出第三组EDV2及EDV0，代入上述的(I)、(II)两式，当所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值和以第一及第二放电曲线所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值偏离值低于5％误差值以内，则接受，若超出时，则以第一及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值，并以第二及第三放电曲线为基础重新计算EMC、EDV_gain、EDV_factor参数值。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一额定电流，是以电池容量的40％至60％的放电速率持续放电。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放电曲线测量，测量前电池在电量饱和时进行。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放电曲线测量电池放电过程，电池是连续放电下进行，中途不被充电。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放电曲线测量电池放电过程中，若电池表面温度低于5℃下时，视为无效，需重新进行。