CN104852413A - 更新堆栈电池芯充满电量的方法及电池管理系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种更新在一充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的方法及其电池管理系统。该方法包含步骤：预定义一终止放电条件，该终止放电条件为一开路电压变化对电量状态变化的比值；提供一充满电量于一充电电池组，该充电电池组由数个以串联及/或并联连接的堆栈充电电池芯所组成；对该充电电池组充电直至充满；对该充电电池组进行放电；定期测量该充电电池组的电流值与开路电压；基于该测量的电流值进行库伦计数；于放电期间定期估算电量状态；计算一运行比值；及当运行比值等同或大于终止放电条件时，以一库伦计数总更新该充满电量。

Description

更新堆栈电池芯充满电量的方法及电池管理系统

技术领域

本发明是关于一种探求充满电量的方法与电池管理系统。特别是关于一种在操作中（放电）更新充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的方法及电池管理系统。

背景技术

充电电池广泛地应用于许多产品中，诸如笔记本电脑、平板计算机、移动电话，甚至是大型电动车与机器人。因为这些产品的持久性依赖于充电电池，在这些产品的使用时限内，使用合适的充电电池及小心地维护它们是非常重要的。

近来，在所有的充电电池中，镍镉电池、镍氢电池、镍锌电池与锂电池变得越来越受欢迎，原因是它们具有稳定的物性与适于堆栈的小体积。它们也能被充放电而没有或具较小的记忆效应。此外，这些充电电池具有非常小的自放电率与高能量密度。然而，因为它们常使用彼此串并联的子电池组（或电池芯），在充电或放电时，子电池组间的电量不平衡可能会拖累整体电池的性能。为了避免电池不平衡及能利用这些充电电池的最佳性能，电池管理系统常会执行对充电电池电量的监测。充满电量是一种电量的指标。一充电电池的充满电量在该充电电池于工厂产出时，被设定为某一定值。然而，随着充电电池反复的进行充放电，充满电量逐渐减少。因而，每个充电电池的充满电量需要常常更新，以便检查电量状态。

一种确认充电电池充满电量的前案揭露于美国专利申请案第20130057290号中，请参阅图1，该图为前述申请案的流程图。一电池依照一电池保护电路的控制，执行充电与放电作业（S1）。当一充电器电连接于一电池组时，充电作业开始执行。当一电设备连接至该电池组时，放电作业开始执行。一监测单元在电池充放电作业进行时，监视每一串联的电池芯，以至少测量其电压、电流与温度其中一项（S2）。一控制单元接收来自监测单元的监测结果，并决定是否该监测结果满足电池充满电量更新条件（S3）。举例而言，该控制单元决定是否该电池的电压、电流与温度测量值符合于一预设表中的相对应值。如果确定了于作业中，更新条件不被满足（S3），作业流程回到步骤S1。此外，电池反复地充电与放电，该监测单元实质上继续地执行监测。另一方面，如果确定了于作业中，更新条件被满足了（S3），在电池的电压上升期期间，决定是否包含了该条件满足的时间点（S4）。例如，决定是否电池的放电作业发生了不连续的情形。当在S4中决定了电池的电压是上升时，作业流程回到步骤S1。反之，当在S4中决定了电池的电压是不是上升时，电池的充满电量被更新且该更新的充满电量储存于一记录单元中（S5）。

虽然该前案并未指出一个特定的方法可用来计算充满电量，但它标明了更新条件，使得电池中每一电池芯的计算充满电量在该条件下可以被接受。同时，因为有许多充电电池芯串联组装于该电池中，电池的充满电量是设定为所有充电电池芯中最小的充满电量。当在测量中有些微的不平衡现象发生于充电电池芯间时，充满电量应能反映真实的状况，以便人们能知道是否该电池需要维修。又在维修后，某些充电电池芯被替换，前述更新条件就需要再被检视一遍。操作上实在很麻烦。

因此，在充电电池作业中，用来更新堆栈充电电池芯充满电量的一种更简便与有效的方法，亟待努力研发。

发明内容

已知的更新充电电池充满电量的方法，必须监测电池中的每一个电池芯，且不能随着电池的物理特性改变而调整更新条件。

因此，本发明研发出能更新堆栈充电电池芯充满电量的一种更简便与有效的方法，该法能应用于各种由许多堆栈充电电池芯所组成的充电电池（组）。

依照本发明的一种态样，一种更新在一充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的方法，包含步骤：预定义一终止放电条件，该终止放电条件为一开路电压变化对电量状态变化的比值；提供一充满电量于一充电电池组，该充电电池组包括多个以串联及/或并联连接的堆栈充电电池芯；对该充电电池组充电直到充满为止；对该充电电池组放电；定期测量该充电电池组的电流值与开路电压；基于该测量的电流值进行库伦计数，并在一个放电周期开始时首先对该库伦计数清零；于放电期间定期估算该充电电池组的电量状态；在一时间范围内计算一运行比值，该运行比值为该测量的开路电压变化对该估算的电量状态变化；及当该运行比值等同或大于该终止放电条件时，以一库伦计数的总和更新该充满电量。

依照本发明的另一种态样，一种更新在一充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的电池管理系统，包含：一电压检测单元，电连接于一充电电池组，该充电电池组包括多个以串联及/或并联连接的堆栈充电电池芯所，该电压检测单元用以定期测量该充电电池组的开路电压；一电流测量单元，电连接于该充电电池组，用以经由该充电电池组定期测量电流值，并基于该测量的电流值进行库伦计数，并在一个放电周期开始时首先对该库伦计数清零；一记忆单元，用以储存与更新该充电电池组的充满电量；一开关单元，用一开关控制该充电电池组充电与放电的一电路；及一控制单元，连接至该电压检测单元、电流测量单元、记忆单元与开关单元，用以于该充电电池组放电时定期估算该充电电池组的电量状态、于一时间范围内计算该测量的开路电压变化对该估算的电量状态变化的一运行比值、当该运行比值等同或大于一终止放电条件时以一库伦计数总和更新该记忆单元中的充满电量，及控制该开关单元以进行充电或放电。该终止放电条件为一开路电压变化对电量状态变化的比值。在该充电电池组开始充电前，一预设充满电量已被储存于该记忆单元中。该开关单元切换开关使该充电电池组进行充电直到充满为止并接着使该充电电池组进行放电。

本发明的方法，可在充电电池组正常运作下，借由测量的开路电压与估算的电量状态，得到充电电池组的充满电量。借由更新充满电量，提供电池管理系统其他评估效能用途。本发明所提供的充满电量的更新方法，能随着充电电池芯物性衰减的程度而修正，不需要提供校正或对照参数，操作上非常简便。

附图说明

图1为确认电池充满电量方法的前案的一流程图；

图2为本发明一实施例的电池管理系统的一方块示意图；

图3为本发明一实施例的更新充电电池组的充满电量的一流程图；

图4为本发明一实施例的充电电池组放电时，显示的开路电压与电量状态间关系。

附图标记说明：10-电池管理系统；101-电压检测单元；102-电流测量单元；103-记忆单元；104-控制单元；105-控制单元；20-充电电池组；201-充电电池芯。

具体实施方式

本发明将参照下列的实施例而更具体地描述。

请参阅图2至图4。图2为本发明一实施例的电池管理系统的方块示意图。图3为本发明一实施例的更新充电电池组的充满电量的流程图。图4为本发明一实施例的充电电池组放电时，显示开路电压与电量状态间关系。

本发明所提供的方法可借由一装设于充电电池中的电池管理系统而实现，该法也能应用于独立的装置，以更新由堆栈充电电池芯串联及/或并联的充电电池组的充满电量。为了使得本发明的描述更易于理解，实施例仅聚焦于描述一电池管理系统，不特别针对该应用本发明方法的独立装置进行说明。

如图2所示，虚线围绕者为本发明的一电池管理系统10。该电池管理系统10与一充电电池组20电连接，并能更新该充电电池组20内堆栈充电电池芯201的充满电量。它是由一电压检测单元101、一电流测量单元102、一记忆单元103与一控制单元104所组成。以下将先描述每一组件的功能，之后再说明其运作步骤。

电压检测单元101以并联方式电连接于该充电电池组20的两端上。该充电电池组20由4个串联的充电电池芯201所组成。依照本发明，充电电池芯201的数量不限于4个，可以为大于1的任何数字。充电电池芯201连接的方式不限于串联，可以是并联，或串联与并联的组合。该电压检测单元101被用来定期测量该充电电池组20的开路电压。此处，二连续开路电压测量间的时间间隔，依照使用该充电电池组20的充电电池的需求，可以是任何的时间。举例来说，它可以是20微秒或大于1秒。

电流测量单元102电连接于该充电电池组20。它定期地测量该充电电池组20的电流值。同样地，二连续电流值测量间的时间间隔可以是任何的时间。该时间间隔可与二连续开路电压测量间的时间间隔相同或不同。在本实施例中，上述二时间间隔接设定为0.1秒且同步采集。电流测量单元102能基于该测量的电流值，进一步进行库伦计数，并在一个放电周期开始时首先对该库伦计数清零。电流测量单元102如同一个库伦计数器，它将每一测量的电流值乘上连续测量间的时间间隔，并持续累加其相乘的结果。

记忆单元103能储存该充电电池组的充满电量数值，当接收到一更新的充满电量时，它也能更新储存的充满电量。该储存的充满电量可被提供作充电电池操作的参考，比如，计算剩余电量。开关单元104能开关一电路，充电电池组20连接至该电路而进行作业，以便控制充电电池组20的充电与放电。

控制单元105连接至电压检测单元101、电流测量单元102、记忆单元103与开关单元104。它在当充电电池组20放电时，定期地估算电量状态。它亦能在一时间范围中，计算一运行比值，该运行比值为测量的开路电压变化对估算的电量状态变化，并当该运行比值等同或大于一终止放电条件时，以一库伦计数总和更新记忆单元103中的充满电量。该时间范围可以是任何合适的时间。在本实施例中，该时间范围和连续两次开路电压测量的时间间隔相同，即0.1秒。此外，控制单元105也能控制开关单元104以进行该充电电池组20的充电或放电。

请参阅图3。电池管理系统10的运作方式，借由参照图3中流程图的相应步骤而描述的。首先，一终止放电条件预定义为一开路电压变化与电量状态变化的比值于记忆单元103中（S01）。为了对该终止放电条件能有更好地理解，请见图4。当每个堆栈充电电池芯201都完全充满电时，跨越充电电池组20两端的开路电压会达到最大值。但通常不是每个堆栈充电电池芯201在一预设的充满电量到达时，都需要被充满电。

由图4，很明显地，于放电期间，因为每一堆栈充电电池芯201的开路电压下降，测量的开路电压下降。虽然每一充电电池芯201电压下降的情形会有程度上的不同，充电电池组20的测量的开路电压表现为每一充电电池芯201开路电压的总和。开路电压与电量状态关系图中的曲线在充电电池组20开始放电后明显地下降。经过一段时间的放电，该曲线的斜率变得较平缓。当充电电池组20放掉大部分的电量时，该曲线又开始明显下降。曲线中较陡的斜率意味着多数充电电池芯201在此时即将用尽其储存的电量。依照图4，终止放电条件由一个三角形来描述，在该三角形中临着直角的角度表示该终止放电条件的曲线斜率。一旦一开路电压对电量状态变化的比值变得跟该斜率一样或更大，即意味着终止放电条件的到来。此处要强调的是虽然图4中可能有两段曲线陡降（A点与B点），其斜率相同或大于终止放电条件的曲线斜率，但只有后者（A点）能被决定为符合终止放电条件，此因充电电池组20在A点将耗尽其储存的电量。

接着，提供一充满电量给该充电电池组20（S02）。该充满电量可以是在充电电池组20出厂时所给定的额定值，它也能是基于经验的估算值。充满电量在其更新前，可被用于任何电池管理的目的。应当注意的是充满电量不必是所有充电电池芯201由充满至耗尽的电量。若如此，某些充电电池芯201可能会因过放电状况而受损。先不论电池不平衡状况，当充电电池芯201其中的一不能输出电力时，该充电电池组20就应停止放电。

接着，对充电电池组20进行充电直到充满为止（S03）。然后，对该充电电池组20放电（S04）。定期测量电流值与开路电压（S05）。如上所述，时间间隔为0.1秒。

在充电电池组20开始放电后，电流测量单元102基于测量的电流值，进行库伦计数（S06）。库伦计数的算法相当简单，将测量的电流值乘上0.1秒并累加其结果即可。当放电停止时，最终的累加结果即能为该充满电量。

接着，控制单元105于放电期间定期估算电量状态（S07）。要强调的是有许多的估算电量状态方法，只要某种方法适用于充电电池组20的设计即可被使用。接着，控制单元105在一时间范围内，计算一运行比值，其为测量的开路电压变化对该估算的电量状态变化的比值（S08）。最后，当运行比值等同或大于终止放电条件时，控制单元105以库伦计数总和，更新该充满电量（S09）。

请见图4。A点满足停止放电与决定更新的充满电量的规范要求。放电终止于A点。要强调的是该终止放电条件必须被选择以阻止充电电池组20进一步放电，决定终止放电条件点是非常重要的。

虽然本发明已以实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明，任何所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，作部分的更动与润饰，都落入本发明的权利保护范围。

Claims (2)

1.一种更新在一充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的方法，其特征在于，包含以下步骤：

预定义一终止放电条件，该终止放电条件为一开路电压变化对电量状态变化的比值；

提供一充满电量于一充电电池组，该充电电池组由多个以串联及/或并联连接的堆栈充电电池芯所组成；

对该充电电池组充电直到充满为止；

对该充电电池组放电；

定期测量该充电电池组的电流值与开路电压；

基于该测量的电流值进行库伦计数，并在一个放电周期开始时首先对该库伦计数清零；

于放电期间定期估算该充电电池组的电量状态；

在一时间范围内计算一运行比值，该运行比值为该测量的开路电压变化对该估算的电量状态变化；及

当该运行比值等同或大于该终止放电条件时，以当前的库伦计数的总和更新该充满电量。

2.一种能更新在一充电电池组内堆栈充电电池芯的充满电量的电池管理系统，包含：

一电压检测单元，电连接于一充电电池组，该充电电池组由多个以串联及/或并联连接的堆栈充电电池芯所组成，用以定期测量该充电电池组的开路电压；

一电流测量单元，电连接于该充电电池组，用以经由该充电电池组定期测量电流值，并基于该测量的电流值进行库伦计数，并在一个放电周期开始时首先对该库伦计数清零；

一记忆单元，用以储存与更新该充电电池组的充满电量；

一开关单元，用以开关控制该充电电池组充电与放电的一电路；及

一控制单元，连接至该电压检测单元、电流测量单元、记忆单元与开关单元，用以于该充电电池组放电时定期估算该充电电池组的电量状态、于一时间范围内计算该测量的开路电压变化对该估算的电量状态变化的一运行比值、当该运行比值等同或大于一终止放电条件时以当前的库伦计数总和更新该记忆单元中的充满电量，及控制该开关单元以进行充电或放电；

其中该终止放电条件为为一开路电压变化对电量状态变化的比值，在该充电电池组开始充电前，一预设充满电量已被储存于该记忆单元中，及该开关单元切换开关使该该充电电池组进行充电直到充满为止并接着使该充电电池组进行放电。