CN101169471B

CN101169471B - 二次电池容量估算法

Info

Publication number: CN101169471B
Application number: CN2006101424124A
Authority: CN
Inventors: 王顺兴
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2006-10-23
Filing date: 2006-10-23
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2026-10-23
Also published as: CN101169471A

Abstract

本发明提供一简易方法解决二次电池容量估算不准确的问题。经由预估电池在截止充放电前残存容量，将电池容量计算在最后充饱与放电终止阶段根据设定的趋势值平滑地趋近设定值，实际反映电池在一系统中真实的使用状况，让系统能够精准知道电池情况做必要反应，同时电池老化的因素包含在残存容量的计算中，准确获得电池的充饱容量。

Description

二次电池容量估算法

技术领域

本发明涉及一种计算二次电池残存容量的方法，适用于二次电池在各系统中实际的使用情况。

背景技术

首先对于目前估算电池残存容量的方法，做一简易说明，如图1所示一般以电池为电源的系统，该系统包括一ADC(模拟数字转换)单元(2)连接电池以读取电池的电压、电流和温度，一电池组单元(1)提供系统电源，一微处理单元(3)能读取电池的电压、电流和温度，计算电池的残存容量，一操作设备(4)提能供电池充电电源和放电负载；由ADC量测出电池(充放电、待命，任何时刻)的电压(V)电流(I)与温度(T)，另外一微处理IC经由这些电池电压(V)、电流(I)与温度(T)数据可以计算电池的容量与状况加以处理给外界知道。

电池的容量是以电量为单位，例如标示4000mAh容量的电池表示若以4000mA的电流放电可放电一小时。电流·时间＝电量(库伦)。微处理IC在电池充电(电流为正)和放电(电流为负)的过程中持续周期监测电流大小，累积计算输出入的电量即可得知电池在充放电过程输入输出的电量(此方式称为库伦计算法)，以此方式在规定的充放电截止条件(例如锂电池以4.2V为充饱电压截止条件，3.0V为放电电压截止条件)量测电池在规定的温度、电流下完整充放电循环里所输出的电量来表示电池的额定容量。

在实际电池运用上，由于使用在不同的环境(负载，温度随时改变)和电池本身化学特性(老化，储存电量递减)，使得预估电池容量，提醒使用者电源状况，变得复杂、难以精准估算。电池的化学反应经过长期充放电后会有老化的情况造成电池使用的寿命减短，使用时间缩短。使用者难以准确得知电池的真实状况；例如传统锂电池由于以截止充电电流、电压为终止充电的条件和截止放电电压(cut off voltage)为终止放电的条件因此造成计算电池残存容量不易估算，又由于电池化学的特性容量会随时间(老化)与放电时的电压、电流和温度大小非线性的变化，更增加精确计算电池残存容量的困难度。目前为准确估计电池残存容量，除使用库伦计算法之外，常使用的辅助修正方法大致有以下两类。

一、放电条件查表法

以实验事先仿真系统的状况得到电池在不同放电电压、电流和温度时的绝对残存容量关系表格，当实际系统以电池为电源时可根据量测的放电电压、电流和温度查表得知残存容量。缺点是要做许多实验，同时电池老化的因素并未完全考虑进去。

二、内阻校正法

以实验量测电池内阻与温度和残存容量的关系，系统可根据量测的电池内阻修正计算残存容量，由于内阻反映了电池老化的因素因此相对估算结果较准确。但量测精确内阻不容易，易干扰充放电的程序，同时事前要费许多时间做实验以得到此电池内阻与残存容量关系的表格。

另外对于不要求精准计算电池残存容量的系统，常以格数表示电池容量，例如总共四格一格代表25％四格全亮代表充满，其做法是以放电时电池的电压为准对照容量比例，例如一般锂电池4.2V代表100％，3.0V代表0％，未考虑电池老化内阻变化，与电流、温度变动的情况，因此残存容量准确度误差颇大，造成使用上的不方便。

发明内容

有关本发明为实现上述目的、特征所采用的技术手段及其功效，兹例举较佳实施例并结合附图说明如下。

图1是本发明实施例的范例架构示意图。

整个电池充放电容量估算的程序可以图2流程说明。

持续读取电池的电压(V)、放电电流(I)和温度(T)同时根据电流(I)判断电池是在充电(大于一临界正电流)，放电(小于一临界负电流)或是待命状态(电流近似零)，若是充电状态，此时根据之前容量Qc，再累加此时期输入的电量I·dt；若是接近设定的充电截止条件范围则根据方法中判断电流是否小于Istart若是则以修正电流Ic计算容量，若否则以I计算容量，最后判断更新电池充饱容量(FCC)的条件，决定是否更新FCC。

若是放电状态，此时根据之前容量Qi，再累减放电时期输出的电量I·dt得到Qr；同时评估电压是否小于Vstart若是则检测预测达到零点电压(Vo)的时间To，以计算修正电流Ic＝Qc/To计算修正的容量Qc＝Qc’-Ic·dt，Qc’为Qc前一时刻值，使得趋近于零点容量。由于是以放电零点电压为目标修正电池残存容量，因此当电压接近零点电压时，电池残存容量渐成为零。

由于是以放电零点电压为目标修正电池残存容量，因此当电压接近零点电压时电池容量渐成为零，解决了现有技术为计算电池绝对剩余容量，但在实际运用时电池截止前容量并未渐趋零，造成使用时的许多困扰。另一方面电池充饱容量的更正，直接以库伦计算法累积得到；本方法并不试图计算电池绝对容量，电池内阻渐增能够充入和放出的电量自然会反应电池的状况，电池老化的效应已反映在本方法电池容量的计算中。

附图说明

图1为本发明实施例的系统架构示意图。

图2为本发明具体实施的电池容量计算流程图。

附图符号说明

一电池组单元(1)提供系统电源。

一ADC模拟数字转换单元(2)能转换输入的电压、电流和温度讯号为数字值。

一处理器IC(3)，可整合在ADC单元(2)或独立通过标准接口能读取转换的电压、电流和温度值，计算电池的残存容量。

一操作设备(4)含充电及负载功能。

一保护电路(5)，保护电池防止短路、过充等情况。

(200)步骤：流程起始，持续读取电池的电流(I)、电压(V)，和温度(T)。

(201)步骤：由电流数值判断电池在充、放电或待命状态。

(210)步骤：放电流程起始，电池放电容量计算及起始设定。

(211)步骤：电压低于一设定电压判定。

(212)步骤：(211)判定为否时，电池容量值设定。

(213)步骤：(211)判定为是时，修正电流以计算电池容量值。

(214)步骤：电压低于零点电压判定。

(215)步骤：(214)判定为是时，电池容量值设定。

(220)步骤：充电流程起始，电池充电容量计算及起始设定。

(221)步骤：电流低于一设定电流判定，进入。

(222)步骤：(221)判定为否时，电池容量值设定。

(223)步骤：(221)判定为是时，修正电流以计算电池容量值。

(224)步骤：充饱截止判定。

(225)步骤：(224)判定为是时，电池容量值设定。

具体实施方式

本方法根据图2由(200)步骤读取电池的电压(V)、放电电流(I)和温度(T)后，根据(201)步骤由电流(I)判断电池是在充电(大于一临界正电流)，放电(小于一临界负电流)将充放电流程，电池容量的计算分为以下二部分处理。

一、电池充电过程容量的估算：

进入(220)步骤充电流程后设定起始容量Qr＝Qc。在充电过程中以库伦计算法累积得到输入的容量Qr＝Qr’+I·dt，Qr’为Qr前一时刻值，接着进入(221)步骤判断电流是否低于某一电流修正起始值，若否则进入(222)步骤设定此时容量(Qi)为Qr；若是则进入(223)步骤，设计修正电流Ic＝(FCC-Qi)/Qe·I·F，其中Qe＝(I-Iend)/(Istart-Iend)·(FCC-Qistart)，Iend是判断充饱截止的截止电流，Istart是设定开始修正电流时的电流值，且此时容量为Qistart，F为修正参数，可包含第二阶修正(2^ndorder)以符合实际结果；此阶段以Qi＝Qi’+Ic·dt，Qi’为Qi前一时刻值，计算容量或是Qi＝FCC-Qe让Qi在充饱截止阶段是逐渐趋于FCC值。接着进入(224)步骤判断是否达到设定的充饱截止条件，若是则进入(225)步骤以下面条件修正为新的电池充饱容量(FCC)。

a：累积的电量落在充饱容量的一正负误差参数范围内。

b：是由零点开始累积得到充电的输入电量。

合乎以上条件则以计算累积得到的输入电量Qr，当作电池此时新的充饱容量(FCC)。若否则回到(200)步骤，读取新得到的电池电流(I)、电压(V)与温度(T)，在(201)步骤根据电流值判断该进入充、放电或待命状态。

二、电池放电过程容量的估算：

进入(210)步骤放电流程后设定起始容量Qr＝Qi。在充电过程中以库伦计算法累积得到输入的容量Qr＝Qr’-I·dt，Qr’为Qr前一时刻值，接着进入(211)步骤判断电压是否低于某一电压值(Vstart)，若否则进入(212)步骤设定此时容量(Qc)为Qr；若是则进入(213)步骤，重新以下面方法计算容量Qc值。

事前以实验得到电池在不同电压(V)、放电电流(I)和温度(T)时的放电截止时间表格Te＝f(I，V，T)。T代表当时电池温度，V代表当时电池电压，放电截止时间(Te)表示电池电压(V)下降到截止电压(Ve)而终止放电所经时间。

在放电过程中由一小段时间(dt)的稳定电流I，由实验得到的表格、内差得到预测达到零点电压(Vo)时的时间To＝f(I，V，T)_-f(I，Vo，T)；以估算零点前残存的电量Qo＝I·To·Rr；Rr表示修正参数以修正误差，由得到的To值计算修正放电电流Ic＝Qc/To，其中Qc＝Qc’-Ic·dt，Qc’为Qc前一时刻值，以此方式得电池从放电电压Vstart到零点电压Vo间任一时刻的容量Qc，在(213)步骤Qc起始值为电压为Vstart时电池的容量Qcstart。或可设计Ic＝Qc/Qo·I，Qo＝Qcstart·(V-Vo)/(Vstart-Vo)·K，V表示当时放电电压，K为一修正参数，可包含第二阶修正(2^nd order)以符合预期；当放电电压趋近零点Vo时，电池残存容量渐为零。接着进入(214)步骤判断是否低于设定的零点电压条件，若是则进入(215)步骤将Qr与Qc归于一定值，以此例为零，同时若是由充饱后开始放电直到放电零点电压附近结束，累积得到输出电量Qr与FCC比较在一定的误差参数范围内，则当作电池此时新的充饱容量(FCC)。若否则回到(200)步骤，读取新得到的电池电流(I)、电压(V)与温度(T)，在(201)步骤根据电流值判断该进入充、放电或待命状态。

由以上方式说明，若电池在充电截止或放电截止前一范围内，电池容量改变的趋势，可由量测的电压(V)或电流(I)及此时容量(Q)得到预测的容量(Qz)在此范围内的变化趋近于某设定值，用以计算新的修正电流Ic，使得新容量计算Q＝Q+Ic·dt，Q’为Q前一时刻值，在此范围内随时间趋于所设定的值。

Claims

1.一种二次电池容量的估算方法，包含：

于充电过程中，若是由零点电压Vo后开始充电，则设容量起始值Qc为一定值，在充电过程中以库伦计算法累积得到电池的电量Qi＝Qc+∑I·dt；其中dt是一小段时间，且在充电截止最后阶段设计修正电流Ic＝(FCC-Qi)/Qe·F·I，其中Qe＝(I-Iend)/(Istart-Iend)·(FCC-Qistart)，Iend是判断充饱截止的截止电流，Istart是设定开始修正电流时的电流值，FCC是充饱容量，I是充电电流，而且设定开始修正电流时的容量为Qistart，F为修正参数，可包含第二阶修正；此阶段以Qi＝Qi’+Ic·dt，Qi’为Qi前一时刻值或是Qi＝FCC-Qe计算容量，使容量Qi在充饱截止阶段是逐渐趋于FCC值。

2.一种二次电池容量的估算方法，包含：

于放电过程中，由任一时刻得到的放电电流I以库伦计算法计算剩余的电量Qc＝Qi-∑I·dt，Qi为起始放电容量值；且在放电截止阶段，电压低于一设定值Vstart进入了修正范围后，由事前实验得到电池在不同电压V、放电电流I和温度T时的、作为电压下降到截止电压Ve所经历时间的放电截止时间表格Te＝f(I，V，T)，在放电过程中由一小段时间dt此时的电流I，电压V，温度T由实验表格内查得到预测到达放电零点电压Vo时的时间To＝(f(I，V，T)-f(I，Vo，T))·Rr，而Rr表示修正参数，且其中f(I，Vo，T)表示由零点电压Vo放电到截止电压Ve的时间，预测容量零点前残存的电量Qo＝I·To，一般Vo＞＝Ve且Te＞＝To，此时计算修正的放电电流Ic＝Qc/To＝Qc/Qo·I，以此方式计算电池从放电电压Vstart到零点电压Vo间任一时刻的容量Qc＝Qc’-Ic·dt，Qc’为Qc前一时刻值。

3.一种二次电池容量的估算方法，包含：

于放电过程中，由任一时刻得到的放电电流I以库伦计算法计算剩余的电量Qc＝Qi-∑I·dt，Qi为起始放电容量值，dt是一小段时间；且在放电截止阶段判断电池电压V若低于一设定值Vstart进入了修正范围，此时计算修正的放电电流Ic＝Qc/Qo·K·I，此处预测容量零点前残存的电量Qo＝Qcstart·(V-Vo)/(Vstart-Vo)，其中Qcstart表示电压为Vstart开始修正电流时的容量，Vo表示电池容量零点时的电压，V表示当时放电电压，K为一修正参数，可包含第二阶修正；以此方式得计算电池从放电电压Vstart到零点电压Vo间任一时刻的容量Qc＝Qc’-Ic·dt，Qc’为Qc前一时刻值。

4.如权利要求1所述的方法，其中充饱截止电流为一动态可调值；且若达到设定的充饱截止条件时，则以下面条件更正为新的电池充饱容量：

A-1)累积的电量落在前次充饱容量的一正负误差参数范围内；以及

A-2)是由零点电压开始累积得到充电的输入电量。

5.如权利要求2或3所述的方法，其中零点电压Vo为一动态可调值；且若是由充饱后开始放电直到放电零点电压结束，累积得到输出电量与充饱容量FCC比较在一定的误差参数范围内，则更新FCC为此放电过程累积放出的电量FCC＝∑I·dt。