CN105634051A - 电池余量预测装置以及电池组 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电池余量预测装置以及电池组，该电池组低成本并且能够高精度地预测充电池的电池余量。电池余量预测装置具有：电压检测部，其测定电池的电池电压和电池温度；运算部，其根据电池电压和电池温度来预测计算电池余量；以及控制部，其控制电池余量预测装置的动作以及运算部，所述电池余量预测装置采用了通过如下的运算流程来预测所述电池的余量的结构，该运算流程是根据电池等效电路中的电池的内部阻抗、以及以规定的时间间隔测定出的电池电压和电池温度，对电池余量进行递归计算。

Description

电池余量预测装置以及电池组

技术领域

本发明涉及电池组，尤其涉及对锂离子充电池等的电池余量进行预测的电池余量预测装置。

背景技术

充电池被以便携设备为首的许多装置使用，必须要有管理充放电的电池管理系统。特别是在设备运行时，需要更准确地知道运行时间，因此使用电池余量预测装置。

以往的具备电池余量预测装置的电池组如图6所示。电池余量预测装置20具有进行信号处理运算的CPU21、信号处理运算时使用的RAM22、用于检测充电池7的一个单元的电池电压经电平转换器26转换后的电池电压的ADC23、用于检测由检测充电池7的电流的电流检测电阻6产生的电压的ADC24、以及预先保存电池的特性数据等的非易失性存储器25。电池余量预测装置20根据充电池7的电压和移动电荷量等来求得电池的余量，其中，移动电荷量由库伦计数器根据使用电流检测电阻6所计测的充电池7的电流值求得。在高精度的余量预测中，充电池7的电压以及电流的高精度的计测是必须的。

特别是注意到电流计测时，电流检测电阻6要求电阻值的高精度。

【专利文献1】美国专利第6789026号说明书

以往的具备电池余量预测装置20的电池组为了进行高精度的电池余量预测，需要高精度的电流容许量大的电流检测电阻6。因此，有电流检测电阻6价格高、尺寸大这样的课题。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的电池余量预测装置采用了如下的结构。

电池余量预测装置具有：电压检测部，其测定电池的电池电压和电池温度；运算部，其根据电池电压和电池温度来预测计算电池余量；以及控制部，其控制电池余量预测装置的动作以及运算部，电池余量预测装置通过如下的运算流程来预测电池的余量，该运算流程是根据电池等效电路中的电池的内部阻抗、以及以规定的时间间隔测定出的电池电压和电池温度，对电池余量进行递归计算。

根据本发明的电池余量预测装置，由于能够根据检测出的电池电压进行高精度的电池余量预测，所以不需要电流检测电阻。因此，能够提供一种小型尺寸且低成本的电池组。

附图说明

图1是具备本实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。

图2是示出了电池等效电路的一例的电路图。

图3是示出了电池等效电路的其他例的电路图。

图4是与图2的电池等效电路对应的电池余量预测运算流程。

图5是与图3的电池等效电路对应的电池余量预测运算流程。

图6是以往的具备电池余量预测装置的电池组的框图。

标号说明

1：电池余量预测装置；7：充电池；11：电压检测部；12：运算部；15：充放电控制电路；16：控制部；30、40：电池等效电路。

具体实施方式

图1是具备本实施方式的电池余量预测装置1的电池组的框图。本实施方式的电池组具有电池余量预测装置1、充电池7、充放电控制用的MOSFET8、充放电控制电路15、外部端子18以及19。电池余量预测装置1具有电压检测部11、控制部16、以及进行余量预测计算等的运算部12。

本实施方式的电池组按如下方式连接。

电池余量预测装置1连接在充电池7的两端。MOSFET8被设置在外部端子19。充放电控制电路15连接在充电池7的两端，输出端子与MOSFET8连接。外部端子18和19之间连接着作为负载3的应用系统。电压检测部11的输入端子与充电池7连接，输出端子与控制部16连接。控制部16与运算部连接。

电压检测部11检测充电池7的端子电压以及温度并输出到控制部16。控制部16具有例如定时器电路、RAM或非易失性存储器等存储装置等。运算部12根据控制部16的信息以及控制对充电池7的电池余量进行高精度的预测计算。即，电池余量预测装置1执行图4或图5所示的电池余量预测运算流程，对充电池7的电池余量进行高精度的预测计算。

图2是示出了电池等效电路的一例的电路图。电池等效电路30是由电压源31、串联连接了M组的C-R电路、电阻Ro构成的。电压源31依赖于充电状态或电池温度来输出电池开路电压。C-R电路是由构成电池的内部阻抗的等效电路的电阻R和电容器C并联连接而成。电压V_OCV是电压源31的电压。电压V_B是电池的电压。电流源32是流过负载电流i_L的负载3的等效电路。

C-R电路反映电池输出的瞬态响应。C-R电路的串联连接个数依赖于所求的等效电路精度，串联连接个数越增加高精度化越容易。如果C-R电路的时间常数比余量计算的时间间隔足够小，则电池输出的瞬态响应对余量计算的影响小。然而，电池输出的瞬态响应的时间常数有的达到几十分钟～几小时，对余量预测计算的影响大。特别是大电流且急剧变化的情况下，很容易导致余量预测计算的大的误差。

为了使电池瞬态响应的影响反映在余量预测计算上，需要根据包含构成电池的内部阻抗的电阻R_k和电容器C_k的时间微分方程式进行余量预测计算。

以下，设立微分方程式。当施加到电阻R_k和电容C_k上的电压为Δ_k(k≧1)时，各电阻R₁～R_M中流过的电流i_Rk为式1，各电容C₁～C_M中流过的电流i_Ck为式2，负载电流i_L为式3，所以得到式4和式5这两个方程式。

$i_{R_k}={\mathrm{\Δ}}_k/R_k---\left(1\right)$

$i_{c_k}=\frac{\∂}{\∂t}(C_k\·{\mathrm{\Δ}}_k)---\left(2\right)$

$i_L=i_{R_k}+i_{C_k}---\left(3\right)$

$i_L\·R_k={\mathrm{\Δ}}_k+R_k\·\frac{\∂}{\∂t}(C_k\·{\mathrm{\Δ}}_k)---\left(4\right)$

$V_{ocv}-VB=i_L\·R_0+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\Δ}}_k---\left(5\right)$

负载电流i_L能够通过式6用电池的充电状态、即电池余量SOC的变化和作为最大电池容量的Q_max来表示。另外，将放电电流作为正电流。

$i_L=-Q_{max}\·\frac{\∂SOC}{\∂t}---\left(6\right)$

如果将式6代入式4和式5，则得到式7和式8。

$-Q_{max}\·\frac{\∂SOC}{\∂t}\·R_k={\mathrm{\Δ}}_k+R_k\·\frac{\∂}{\∂t}(C_k\·{\mathrm{\Δ}}_k)---\left(7\right)$

$V_{ocv}-VB=-Q_{\max }\·\frac{\∂SOC}{\∂t}\·R_0+\underset{k=1}{\overset{M}{\Σ}}{\mathrm{\Δ}}_k---\left(8\right)$

在式7和式8中，V_OCV、R_k(k＝0～M)、C_k(k＝1～M)具有电池余量SOC和电池温度T的依赖性，实际测得的电池电压V_B和电池余量、以及电池内部电压各自的初始值SOC_i、Δ_k、i是已知的，通过求解联立方程式能够求得电池余量SOC。

然而，要想将本联立方程式作为微分方程式来求解，由于计算量也多，并且用于实现的逻辑规模也很大，所以是不现实的。因此，考虑将本联立方程式近似成差分方程式。当对式7进行时刻n以及t_c时间前的时刻n-1的差分式化时，能够表示成式9。

$-Q_{max}\·\frac{({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1})}{t_C}\·R_{k,n}={\mathrm{\Δ}}_{k,n}+R_{k,n}\·C_{k,n}\·\frac{({\mathrm{\Δ}}_{k,n}-{\mathrm{\Δ}}_{k,n-1})}{t_C}---\left(9\right)$

当根据式9求解Δ_k，n时，变为式10。

${\mathrm{\Δ}}_{k,n}=\frac{-Q_{\max }\·\left({\mathrm{SCO}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1}\right)\·R_{k,n}/t_C+C_{k,n}\·R_{k,n}\·{\mathrm{\Δ}}_{k,n-1}/t_C}{1+C_{k,n}\·R_{k,n}/t_C}---\left(10\right)$

并且，将式10代入式8求出式11。

$\begin{array}{c}{V}_{ocv,n}-{\mathrm{VB}}_n+\frac{Q_{\max }\·\left({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1}\right)}{t_C}\·R_0\\ -\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-Q_{\max }\·\left({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1}\right)\·R_{k,n}/t_C+C_{k,n}\·R_{k,n}\·{\mathrm{\Δ}}_{k,n-1}/t_C}{1+C_{k,n}\·R_{k,n}/t_C}=0\end{array}---\left(11\right)$

通过将电池余量SOC_n作为未知的变量来求解式11，可以求得时刻n的电流余量SOC_n的值。由于在时刻n的t_c时间后的时刻n+1进行预测计算，所以通过式10求出时刻n的Δ_k，n。以后，通过反复进行本计算，可以实时地进行电池余量预测计算。

图4是与图2的电池等效电路对应的上述电池余量预测运算流程。

本实施方式的电池组在电池安装时等电池余量是不明确的。因此，在步骤S1中由电压检测部11检测初始的电池端子电压VB_i、电池温度T_i。充电池7在没有电流流过时，可以认为此时的电池端子电压VB_i与电池开路电压V_OCV相等。并且，电池等效电路内部电压Δ_k容易从图2可知，如果认为是电流没有流过的状态，则初始值Δ_k，i为0。

充电池7的电池开路电压V_OCV具有基于电池余量SOC和电池温度T的预先被确定的电池固有的依赖特性，按照式12假定该特性。

OCV＝f_ocv(SOC，T)(12)

在步骤S2中，根据充电池7的电池端子电压VB_i和电池温度T_i计算初始的电池余量SOC_i。以后，每隔规定的时间间隔tc(步骤S3)重复执行测定和电池余量预测计算。

在步骤S4中，电压检测部11检测经过tc时间后的时刻n的电池端子电压VB_n和电池温度T_n。

在步骤S5中，根据时刻n-1的电池余量SOC_n-1、电池温度T_n-1以及电池等效电路内部电压Δ_k，n-1、在时刻n检测出的电池电压VB_n、电池温度T_n，计算时刻n的电池余量SOC_n、电池开路电压V_OCV，n、电池电流i_L，n、电池等效电路内部电压Δ_k，n。但是，在初次的步骤S5中，电池余量SOC_n-1使用初始的电池余量SOC_i。

作为需要预先规定为电池特性的特性，除了式12中假定的特性以外，还有电阻R_k(k＝0～M)、电容C_k(k＝1～M)和最大电池容量Q_max。它们具有电池制造初期的固有的特性。作为电池等效电路的内部阻抗，假定为下述的2个式子。

R_k＝fr_k(SOC，T)、k≥0(13)

C_k＝fc_k(SOC，T)、k≥1(14)

如果将这2个式子应用于式11时，则能够得到式15。

$\begin{array}{c}{f}_{ocv}\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)-{\mathrm{VB}}_n+\frac{Q_{\max }\·\left({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1}\right)}{t_C}\·{\mathrm{fr}}_0\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)\\ -\underset{k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\frac{-Q_{\max }\·\left({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1}\right)\·{\mathrm{fr}}_k\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)/t_C+{\mathrm{fc}}_k\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)\·{\mathrm{fr}}_k\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)\·{\mathrm{\Δ}}_{k,n-1}/t_C}{1+{\mathrm{fc}}_k\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)\·{\mathrm{fr}}_k\left({\mathrm{SOC}}_n,T_n\right)/t_C}=0\end{array}---\left(15\right)$

通过递归计算来计算满足式15的时刻n的电池余量SOC_n。根据计算出的电池余量SOC_n，能够分别计算电池开路电压V_OCV，n、电池电流i_L，n、电池等效电路内部电压Δ_k，n。在步骤S6中，计算出的这些数值被写入到存储装置中进行保存。

通过反复执行以上的运算步骤S3～S6，可以实时地进行余量预测计算。

另外，在电池开路电压f_OCV(SOC，T)、电池内部电阻R_k＝f_rk(SOC，T)、电池内部电容器容量C_k＝f_CK(SOC，T)不能用代数函数简单地表达的情况下，定义为用数值表所表达的函数。对于作为表数值而不存在的变量值(SOC，T)，使用内插或外插的插值方法进行计算。

如以上说明那样，根据具备本实施方式的电池余量预测装置的电池组以及电池余量预测运算流程，能够进行考虑了电池输出的瞬态响应的高精度的电池余量预测计算，而不需要实际检测电池电流。因此，不需要检测电池电流所需的高精度的电流检测电阻，能够实现成本降低、实际安装尺寸降低。

图3是示出了电池等效电路的其他例的电路图。图3所示的电池等效电路40是将电池的内部阻抗的等效电路简化为一组C-R电路。即使是这种简化的电池的等效电路，按照以下所详细说明的方法也能够进行电池余量预测计算。

因为在式1～式3中M为1，所以得到式16和式17这两个方程式。

$i_L\·R_1={\mathrm{\Δ}}_1+R_1\·\frac{\∂}{\∂t}(C_k\·{\mathrm{\Δ}}_k)---\left(16\right)$

V_ocv-VB＝i_L·R₀+Δ₁(17)

并且，根据式16和式17能够求得式18。

$V_{ocv}-VB-i_L\·(R_0+R_1)+C_1\·R_1\·\frac{\∂}{\∂t}(V_{ocv}-V_B-i_L\·R_0)=0---\left(18\right)$

如果将式18的微分方程式近似为差分方程式，则成为式19。

$\begin{array}{c}{V}_{ocv,n}-{\mathrm{VB}}_n-i_{L,n}\·\left(R_{0,n}+R_{1,n}\right)+C_{1,n}\·R_{1,n}\·\frac{\left(V_{ocv,n}-{\mathrm{VB}}_n-V_{ocv,n-1}+{\mathrm{VB}}_{n-1}\right)}{t_C}\\ -C_{1,n}\·R_{1,n}\·R_{0,n}\·\frac{i_{L,n}-i_{L,n-1}}{t_C}-C_{1,n}\·R_{1,n}\·i_{L,n}\·\frac{R_{0,n}-R_{0,n-1}}{t_C}=0\end{array}---\left(19\right)$

另外，电池电流i_L，n作为差分方程式的近似式，能够用式20来表达。

$i_{L,n}=-Q_{max}\·\frac{({\mathrm{SOC}}_n-{\mathrm{SOC}}_{n-1})}{t_C}---\left(20\right)$

在式19中，由于没有变量Δ_k，n-1，所以不用计算电池等效电路内部电压，就能根据电池开路电压V_OCV，n-1、电池电压VB_n-1、电池余量SOC_n-1、SOC_n-2，由式19计算出当前时刻n的电池余量SOC_n。但是，在初次的步骤S5中，电池余量SOC_n-1、SOC_n-2使用初始的电池余量SOC_i。

图5是与图3的电池等效电路对应的电池余量预测运算流程。

如以上说明的那样，图5中示出的电池余量预测计算，由于按照二进制进行计算，所以通过将运算的时间间隔设为2^N(N为整数)秒，容易实现计算的逻辑规模的减小，在进行集成电路化时，在减小集成电路的芯片尺寸方面具有效果。

Claims (8)

1.一种电池余量预测装置，该电池余量预测装置计测电池的电压和温度从而预测电池的余量，其特征在于，

该电池余量预测装置具有：

电压检测部，其测定所述电池的电池电压和电池温度；

运算部，其根据所述电池电压和所述电池温度来预测计算电池余量；以及

控制部，其控制所述电池余量预测装置的动作以及所述运算部，

所述电池余量预测装置通过如下的运算流程来预测所述电池的余量，该运算流程是根据电池等效电路中的电池的内部阻抗、以及以规定的时间间隔测定出的所述电池电压和电池温度，对电池余量进行递归计算。

2.根据权利要求1所述的电池余量预测装置，其特征在于，

所述电池等效电路具有：

电压源，其输出电池开路电压；

第一电阻，其与所述电压源串联连接；以及

内部阻抗，其具有与所述第一电阻串联连接的、由电阻和电容器并联连接而成的阻抗元件。

3.根据权利要求2所述的电池余量预测装置，其特征在于，

所述运算流程是在电池安装时等测定初始电池端子电压和初始电池温度，根据所述初始电池端子电压和所述初始电池温度来计算初始电池余量，以规定的时间间隔测定电池端子电压和电池温度，根据本次测定出的电池端子电压和电池温度、上次测定出的电池端子电压和电池温度、以及上次计算出的电池余量和电池开路电压，计算电池余量和电池开路电压，将本次测定出的电池端子电压和电池温度、以及本次计算出的电池余量和电池开路电压保存到存储装置中。

4.根据权利要求2所述的电池余量预测装置，其特征在于，

所述电池等效电路的内部阻抗中串联连接有多个所述阻抗元件。

5.根据权利要求4所述的电池余量预测装置，其特征在于，

所述运算流程是在电池安装时等测定初始电池端子电压和初始电池温度，根据所述初始电池端子电压和所述初始电池温度来计算初始电池余量，将施加到所述阻抗元件上的电压设定为初始值，以规定的时间间隔测定电池端子电压和电池温度，根据本次测定出的电池端子电压和电池温度、以及上次计算出的电池余量和施加到所述阻抗元件上的电压，计算电池余量和施加到阻抗元件上的电压，将本次计算出的电池余量和施加到阻抗元件上的电压保存到存储装置中。

6.根据权利要求1至5中的任意一项所述的电池余量预测装置，其特征在于，

进行电池余量预测运算的时间间隔为2^N秒，其中，N为整数。

7.一种电池组，其特征在于，该电池组具有：

电池和负载电流控制用MOSFET，它们串联连接在连接有负载的第一外部端子和第二外部端子之间；

控制电路，其连接在所述电池的两端，监视所述电池的状态并控制所述MOSFET；以及

权利要求1至5中的任意一项所述的电池余量预测装置，其连接在所述电池的两端，预测所述电池的余量。

8.一种电池组，其特征在于，该电池组具有：

电池和负载电流控制用MOSFET，它们串联连接在连接有负载的第一外部端子和第二外部端子之间；

控制电路，其连接在所述电池的两端，监视所述电池的状态并控制所述MOSFET；以及

权利要求6所述的电池余量预测装置，其连接在所述电池的两端，预测所述电池的余量。