CN102207541A - 测量电池组的直流内阻、全充容量及剩余电量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供测量电池组的直流内阻、全充容量及剩余电量的方法。此方法在电池模块中建立一个放电回路，此放电回路可由一开关控制，使锂电池的放电电流在一短时间内为一固定值，不随着系统负载变动。以所得到的直流内阻可以容易且精确推导出锂电池的电容量。

Description

测量电池组的直流内阻、全充容量及剩余电量的方法

技术领域

本发明关于一种电池电容量的测量方法，特别是有关于建立一固定电流的放电回路，所测量直流内阻来得到锂电池电容量的方法。

背景技术

电池可说是一切便携式电子装置动力来源，但凡：移动电话、笔记本电脑、个人数字助理、随身听等等，皆有赖电池提供电力。便携式电子装置多会采取电池再充电的方式，亦即使用二次电池，将原来耗损的电能补充回来。

二次电池的老化，最常看见也最容易察觉的就是内阻的改变，电池芯出厂时的内阻是很小的，但经过长期充放电后，会使得内阻逐渐增加，直到内阻大到电池内部的电量无法正常释放出来，相对的电池容量也会下降，大部分老化的电池都是因为内阻过大的原因而造成无法使用。

一电池管理良好的二次电池通常可被重复充电数百次，甚至达数千次才会老化。

二次锂电池近几年来的运用无所不在，尽管锂电池优点很多，但是所有锂电池都有个缺点那就是怕过度充电与过度放电，如果过度充电或短路，会造成电池温度升高，而破坏电池结构，最后可能使得电池爆炸。充电时，当电压上升到4.30±0.05V时，应立即停止充电，以避免电池过充而产生危险；而当电池供电(放电)时，电池电压如果降至2.3±0.1V以下，要立即停止放电，以免电池过度放电而损毁电池的使用寿命。

不过，被量度到的电池电压V_CELL未必能真实反映电池的开路电压V_OC。主要的原因是电池的特性具有一内电阻R_INT。所述内电阻所反映的电压值和充电的电流或放电电流I有关，一如下列方程式所表示：

V_BAT＝V_OC+I*R_INT

典型的电池内电阻R_INT值约有100m欧姆之多。如此当充电的电流I是1A时，则当电池电压V_OC实际值是4.1V，所量到的电压V_BAT却是4.2V。另一方面若是发生于放电的时候，所量到的电池电压V_BAT则是4.0V，因为此时电流I是-1A。

因此，若不把电池内阻的因素列入考量，充电器就会有电池充电不足或者放电过头的问题，另外对于电池电量的计算，也会因电池内阻值不准因而电池电量的计算不准。

因此如何准确测量一经过长期充放电后而逐渐增加的电池内阻，成为电池管理的芯片设计很重要的一部份。然而先前发表过的一些技术，在复杂度及精确度上还有改进空间。如美国德州仪器(TI)使用的方法(US6832171)来估测剩余放电容量及老化程度，其测量方法如下所述：

请参考图1所示，一电池包(battery pack)包括电池组10、电池管理系统20、充放电晶体管40及电阻50，此电池包对负载30(system load)进行放电，其大小为I_LOAD，电池组两端的电压为V_BAT。电流流经电阻50，测量电阻50的两端电压可以得到I_LOAD。测量电池组10的开路电压V_OC，可以得到电池的直流内阻DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_LOAD。

请参考图2所示，于放电过程中，当放电深度(DOD：depth of discharge)介于0～80％时，每10％记录直流内阻R值，当放电深度介于80～100％，每3.3％记录R值，电流大小对R的影响以百分比补偿。其中OCV为电池组的开路电压，dV为电池的开路电压减电池组两端的电压，亦即V_OC-V_BAT。

R值储存表分两类：(1)Ra Table：没有温度修正的R值，(2)Rb Table：经过温度修正的R值。

然而此德州仪器(TI)使用的方法是基于系统负载电流I_LOAD来得到的直流内阻的测量技术，但因系统电流I_LOAD具有变动性与不稳定性，采用此方法所得的数据复杂不易分析得到准确的结果。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种以固定放电电流所量得的电池直流内阻，以测量电池电量的方法。

本发明关于一种电池电容量的测量方法。特别是有关于建立一固定电流的放电回路，所测量直流内阻DCIR来得到锂电池电容量的方法，可免除系统负载变动造成的测量误差。

首先测量电池的开路电压V_OC，然后在电池模块中建立一个放电回路，使锂电池的放电电流为一固定值IBAT，测量当时电池两端的电压V_BAT，将V_OC、I_BAT及V_BAT代入下列直流内阻公式DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_BAT。

将一新的锂电池充电充饱，使用上述方法量得一充饱电池的固定电流内阻DCIR，用一定额电流将此电池放电到一截止电压，依此测量此电池的全充容量FCC(Full charge capacity)。重复循环充放电过程，每完全充放电一定次数后测量记录此充饱电池的固定电流内阻DCIR及全充容量FCC，因此建立充饱锂电池的固定电流内阻和全充容量对应于充放电次数的表格，此为第一表格。

接下来再拿一颗新的锂电池充饱，测量其固定电流内阻值DCIR，查第一表格得知此电池的全充容量FCC。接着以一定额度电流每放电10％的FCC值，记录一次电池的固定电流内阻DCIR，一直测量到电池电量用完，得到一组电池内阻DCIR对应放电深度DOD(Depth of Discharge)的数据，此为第一数据。接下来将电池完全充放电10次后，重复上述电池内阻DCIR对应放电深度DOD测量步骤，建立一第二数据，如此一直下去每10次完全充放电后建一第三数据列、第四数据列……直到电池老化到不堪使用后停止，汇整上述第一、第二、第三……数据，建立一第二表格。

任一锂电池，充饱后量得固定电流内阻DCIR，可对应第一表格得到其全充容量，接下来可跟据其在上述第二表格中的对应数据列，在放电过程中只要量得电池内阻DCIR，即可知道其放电深度，进而计算出剩余电量(1-DOD)。

本发明所采用的测量条件可得到的直流内阻的一致性较高，有助于简化分析与归纳，对锂电池剩余可使用的放电容量以及老化程度的估测较准确也较容易。

附图说明

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

图1是已知电池内阻测量示意图。

图2是已知电池内阻对应放电深度DOD的测量数据示意图。

图3是本发明电池直流内阻测量一较佳实施例示意图。

图4是本发明的电池固定放电电流示意图。

图5是本发明的充饱锂电池固定电流内阻DCIR和全充容量FCC对应于充放电次数的第一图表。

图6是本发明的电池内阻对应放电深度DOD(Depth ofDischarge)的图表。

10、15电池组      20、25电池管理系统

30、35系统负载    40、45充放电晶体管

50、55电阻        65放电晶体管

具体实施方式

请参考图3的电池模块，一电池包(battery pack)包括电池组15、电池管理系统25、充放电晶体管45及电阻55，首先测量电池组15的开路电压V_OC，接下来利用电阻55测量系统35的电流I_LOAD，然后在电池模块中，使用晶体管或功率晶体管65建立一个放电回路。所述放电回路为所述电池组的放电端连接至所述晶体管或功率晶体管65的一电极，所述晶体管的栅极连接至一控制电压Vin，所述晶体管的另外一电极连接至一电流测量电阻55，所述电阻55的另外一端连接至所述电池组的另一端点，以构成一放电回路，使得所述电池组有一所述放电电流I_BAT。

晶体管的栅极Vin可以以单位脉冲偏压控制而得到固定电流值，其电流为I_PD，因而使得锂电池的放电电流为一固定值I_BAT，I_BAT不随着系统负载变动，如图4所示，并且同时测量当时电池两端的电压V_BAT，接着将V_OC、I_BAT及V_BAT代入下列直流内阻公式DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_BAT，以求得一固定电流下的电池直流内阻值。

接着将一新的锂电池充电充饱，使用上述方法量得一充饱电池的固定电流内阻DCIR，并用一定额电流I_DIsC将此电池放电直到一截止电压，纪录放电时间T_DISC，将电流I_DISC乘以放电时间T_DISC得此电池的全充容量FCC(Fullcharge capacity )＝I_DISC x T_DISC。

如上述步骤重复循环充放电过程，每完全充放电一些次数后测量记录此充饱电池的固定电流内阻DCIR及全充容量FCC，根据此数据建立充饱锂电池的固定电流内阻DCIR和全充容量FCC对应于充放电次数的表格，如下表所示，此为第一表格：

充放电次数(cycle count)	0	10	30	50	100	150	200	300	500
										固定电流内阻DCIR(mOhm)	100	102	104	107	110	114	119	125	132
全充容量(FCC)	10000	9980	9960	9930	9900	9860	9810	9750	9680

将此第一表格的数据绘成图表，如图5所示。

接下来再拿一颗新的锂电池充饱，测量其固定电流内阻DCIR，查上述第一表格得知此电池的全充容量FCC。接着以一定额电流放电，每放电10％的FCC电量，记录一次电池的固定电流内阻DCIR，如此一直放电直到一截止电压，得到一组电池内阻对应放电深度DOD(Depth of Discharge)的数据，此为第一数据，如下表所示：

将上表的数据绘成图表，如图6所示。

接下来将电池完全充放电10次后，重复上述电池内阻DCIR对应放电深度DOD测量步骤，建立一第二数据，如此一直下去每10次完全充放电后建一第三数据、第四数据……直到电池老化到不堪使用后停止，汇整上述第一、第二、第三……数据，建立一第二表格。

任一锂电池，充饱后量得固定电流内阻DCIR，可对应第一表格得到其全充容量FCC，接下来亦可找到其在上述第二表格中的对应数据列，所以在放电过程中只要量得电池内阻DCIR，即可知道其放电深度DOD，进而计算出剩余电量(1-DOD)。

本发明有以下优点：

1.对电池施以一固定且较大的放电电流，使得直流电阻的测量可以容易获得，且每次的测量的条件相同，有助于简化计算法则。

2.当电池被充饱电时施以此固定且稳定的放电电流使得直流电阻的测量可以容易获得，且查表即可得到电池的全充容量。

3.可以以较大的放电电流量I_BAT测量电池内阻，得到较稳定的电池内阻DCIR。一般消费性电子产品的耗电流约为电池额定容量的25％以下，采用系统动态放电电流I_LOAD因电流较小，所进行直流内阻测量的误差较大。由DCIR的计算式可知，当电池内阻不变时，电流愈小I_LOAD，所得到的电压差愈小(V_OC-V_BAT)。

本发明的电流值可以稳定的达到电池额定容量的100％～150％，可比使用系统动态放电电流的方法得到4～6倍的准确度。一般4000mAh的电池，采用约4A～6A的放电电流。

4.DCIR放电电流的时间可控制，因此不会造成电池的负担，不会造成功率晶体过热。假设电池容量是4000mAh，DCIR测量时间T1＝0.1sec，若每次放电间隔时间T2＝600sec，I_BAT＝4000mA，则实施本发明将消耗0.016％的电容量。并不会造成使用者负担。

其计算如下：0.1sec/600sec x 4000/4000＝0.016％

5.可随着使用者使用电池的习惯动态调整放电周期，以得到较准确的直流电阻。

6.越大的放电电流测量的直流内阻阻值与电池全充容量的关系越线性，采用本发明的直流内阻数据较具线性，有利于锂电池特性的分析，较易估测出锂电池剩余可使用的放电容量及老化程度。因曲线较为线性，其运算法则较单纯，于放电过程中，当放电深度(DOD)介于0～90％时，每10％记录R值即可。

本发明虽以较佳实例阐明如上，然其并非用以限定本发明精神与发明实体仅止于上述实施例。因此，在不脱离本发明的精神与范围内所作的修改，均应包括在本申请的权利要求内。

Claims (10)

1.一种测量电池包内电池组的直流内阻DCIR的方法，其特征在于，所述方法至少包括下列步骤：

所述电池包内包括一电池管理系统，且所述电池管理系统内包括一放电回路；

测量所述电池组的开路电压V_OC；

将所述电池包电池输出两端连接一负载；

测量负载电流I_LOAD；

启动所述放电回路放电I_PD，设定I_PD使得电池组的放电电流I_BAT的大小为一固定值；

测量电池两端的电压V_BAT；及

将V_OC、I_BAT及V_BAT代入下列公式DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_BAT，求得一固定电流下的直流内阻DCIR。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述放电回路为所述电池组的放电端连接至一晶体管或功率晶体管的一电极，所述晶体管的栅极连接至一控制电压，所述晶体管的另外一电极连接至一电流测量电阻，所述电阻的另外一端连接至所述电池组的另一端点，以构成一放电回路，使得所述电池组有一所述放电电流I_BAT。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述负载电流I_LOAD变大时，所述放电回路放电I_PD变小，所述负载电流I_LOAD变小时，所述放电回路放电I_PD变大，使得I_BAT的大小为一固定值。

4.一种采用固定电流直流内阻DCIR测量锂电池包内电池组的全充容量FCC的方法，其特征在于，所述方法至少包括下列步骤：

建立一充饱锂电池的直流内阻DCIR及全充容量FCC对应于充放电次数的第一图表；

取得一待测锂电池，将其充饱电；

测量所述锂电池的直流内阻DCIR；及

使用所述的第一图表，利用量得的直流内阻DCIR，查得到其全充容量FCC。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述第一图表的取得，至少包括下列步骤：

a.取得一颗新的锂电池；

b.将此电池充饱电；

c.测量所述充饱电池的直流内阻DCIR并记录之；

d.使用一定额电流I_BAT1将所述电池完全放电到达截止电压后停止，记录所述电池放电时间T_DISC，将电流I_BAT1乘以放电时间T_DISC，得所述电池的充全充容量FCC＝I_BAT1xT_DISC并记录之；及

e.重复所述b.c.d的步骤，一直重复到第一预定次数后停止，将记录的数据建立一充饱锂电池的直流内阻DCIR及全充容量FCC对应于充放电次数的图表。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述直流内阻DCIR的测量方法至少包括下列步骤：

所述电池包内包括一电池管理系统，且所述电池管理系统内包括一放电回路；

取得一待测锂电池，将所述电池充饱；

测量所述电池组的开路电压V_OC；

启动所述放电回路，使得所述电池组的放电电流为一固定值I_BAT；

测量电池组两端的电压V_BAT；及

将V_OC、I_BAT及V_BAT代入下列公式DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_BAT，求得一固定电流下的充饱锂电池的直流内阻DCIR。

7.一种采用固定电流直流内阻DCIR测量锂电池包剩余电量的方法，其特征在于，所述方法至少包括下列步骤：

提供一充饱锂电池的直流内阻DCIR及全充容量FCC对应于充放电次数的第一图表；

提供一锂电池直流内阻DCIR与锂电池放电深度的第二图表；

取得一待测锂电池，将所述电池充饱；

量取所述充饱电池的内阻值DCIR；

使用第一图表得到所述电池的全充容量FCC；

利用所得到的全充容量FCC，查得在所述第二图表中的对应数据列；

将所述电池放电；

测量所述电池的直流内阻DCIR；及

利用所得到的直流内阻DCIR及在所述第二图表中的对应数据列，即可知道所述电池的放电深度，进而计算出剩余电量(1-DOD)。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的第二图表的建立，至少包括下列步骤：

a.取得一待测锂电池；

b.将所述电池充饱；

c.测量所述充饱电池的直流内阻DCIR；

d.利用所述直流内阻DCIR及所述第一图表得所述电池的全充容量FCC；

e.将所述电池以一第一固定电流放电，每放电10％的FCC电量，记录一次所述电池的直流内阻DCIR，一直测量到电池到达截止电压后停止，得到一组直流内阻DCIR对应放电深度DOD(Depth of Discharge)的数据；

f.将所述电池完全充放电第二预定次数后，重复所述直流内阻DCIR对应放电深度DOD的测量步骤b.c.d.e，建立一第二数据，每完全充放电第二预定次数后，重复所述b.c.d.e步骤建一新数据，直到所述电池总共完全充放电达到第三预定次数后停止；及

g.汇整所述第一、第二、第三……数据，建立一第二图表。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述的第一图表的建立，至少包括下列步骤：

a.取得一颗新的锂电池；

b.将此电池充饱电；

c.测量所述充饱电池的直流内阻DCIR并记录之；

d.使用一定额电流I_BAT1将所述电池完全放电到达截止电压后停止，记录所述电池放电时间T_DISC，将电流I_BAT1乘以放电时间T_DISC，得所述电池的充全充容量FCC＝I_BAT1xT_DISC并记录之；及

e.重复所述b.c.d的步骤，一直重复到第一预定次数后停止，将记录的数据建立一充饱锂电池的直流内阻DCIR及全充容量FCC对应于充放电次数的图表。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述直流内阻DCIR的测量方法至少包括下列步骤：

所述电池包内包括一电池管理系统，且所述电池管理系统内包括一放电回路；

测量所述电池组的开路电压V_OC；

启动所述放电回路，使得所述电池组的放电电流为一固定值I_BAT；

测量电池组两端的电压V_BAT；及

将V_OC、I_BAT及V_BAT代入下列公式DCIR＝(V_OC-V_BAT)/I_BAT，求得一固定电流下的电池内阻值DCIR。

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