CN105974316B - 电池余量预测装置及电池组 - Google Patents

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Abstract

提供边维持低成本边能够进行充电池的电池余量的高精度预测的电池组。电池余量预测装置通过第一运算流程预测电池的余量，所述第一运算流程基于所测定的电池电压及电池温度和从电池余量变化算出的电流值及电池内阻回归性地算出电池开路电压和电池余量。另外，电池余量预测装置通过第二运算流程预测所述电池的余量，所述第二运算流程在作为电池负载进行既定期间恒流放电后，基于开始恒流放电前的电池余量、即将停止恒流放电前的电池电压和停止恒流放电后的稳定的电池电压算出电池容量和电池内阻。

Description

电池余量预测装置及电池组
技术领域
本发明关系到电池组，尤其涉及预测Li离子充电池等的电池余量的电池余量预测装置。
背景技术
充电池以便携设备为首使用于很多装置，管理充放电的电池管理系统是必需的。特别是当设备运转时需要更加正确地知道电池的运转时间，为此使用电池余量预测装置。
在图5示出具备现有的电池余量预测装置的电池组。现有的电池余量预测装置20具备：进行信号处理运算的CPU21；在信号处理运算时所使用的RAM22；用于检测以电平转换器26对充电池7的1个单元的量的电池电压进行转换后的电池电压的ADC23；用于检测在对充电池7的电流进行检测的电流读出电阻6产生的电压的ADC24；以及预先保持电池的特性数据等的非易失性存储器25。本电池余量预测装置根据充电池7的电压和用库仑计数器由利用电流读出电阻6计测的充电池7的电流值求出的移动电荷量等，求出电池余量。高精度的余量预测需要充电池7的电压及电流的高精度的计测。
若特别关注电流计测，则电流读出电阻6要求电阻值为高精度。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6789026号说明书。
发明内容
发明要解决的课题
具备现有的电池余量预测装置20的电池组，为了进行高精度的电池余量预测，需要高精度且电流容许量大的电流读出电阻6。因此，存在称为电流读出电阻6为高价且尺寸会变大的课题。
用于解决课题的方案
为了解决上述课题，本发明的电池余量预测装置采用如下的结构。
电池余量预测装置，通过第一运算流程（flow）预测电池的余量，所述第一运算流程基于所测定的电池电压及电池温度和从电池余量变化算出的电流值及电池内阻，回归性地算出电池开路电压和电池余量。另外，电池余量预测装置通过第二运算流程预测所述电池的余量，所述第二运算流程在作为电池负载进行既定期间的恒流放电后，基于开始恒流放电前的电池余量和即将停止恒流放电前的电池电压和停止恒流放电后的稳定的电池电压，算出电池容量和电池内阻。
发明效果
依据本发明的余量预测装置，基于检测的电池电压能够进行高精度的电池余量预测，因此不需要电流读出电阻。因而，能以小尺寸且低成本提供电池组。
附图说明
图1是具备第一实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。
图2是第一实施方式的电池余量预测装置中的电池余量预测运算流程。
图3是具备第二实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。
图4是第二实施方式的电池余量预测装置中的电池特性预测运算流程。
图5是具备现有的电池余量预测装置的电池组的框图。
具体实施方式
图1是具备第一实施方式的电池余量预测装置的电池组的框图。第一实施方式的电池组具备：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；以及外部端子18及19。
电池余量预测装置1具备：电压检测部11；控制部16；以及进行余量预测等的运算部12。
第一实施方式的电池组如以下那样地连接。
电池余量预测装置1连接在充电池7的两端。MOSFET8设在外部端子19与充电池7的负极之间。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。在外部端子18及19连接有成为负载3的应用系统。电压检测部11的输入端子连接有充电池7的正极，输出端子与控制部16连接。控制部16的输出端子与运算部12连接。
电压检测部11检测充电池7的端子电压及温度，向控制部16输出。控制部16具备例如定时（timer）电路、RAM或非易失存储器等的存储装置等。运算部12基于控制部16的信息及控制，高精度地对充电池7的电池余量进行预测计算。即，电池余量预测装置1执行图2所示的高精度余量预测运算流程，高精度地预测计算充电池7的电池余量。
第一实施方式的电池余量预测装置如以下那样地动作而高精度地预测充电池7的电池余量。
图2是第一实施方式的电池余量预测装置中的电池余量预测运算流程。在电池安装时等的初始状态下，充电池7的电池余量是未知的。因而，在步骤S1及S2算出充电池7的电池余量的初始值SOCo。
在步骤S1，用电压检测部11检测充电池7的电池端子电压VBo及电池温度To。若在充电池7无电流流过，则此时的电池端子电压VBo与电池开路电压OCV相等。
电池的开路电压OCV和电池余量（充电状态）SOC和电池温度T按电池的种类而处于既定关系，用式1表示该关系。
OCV＝focv（SOC，T）　（1）
其中，式1的focv（SOC，T）由于难以用函数表示，所以例如用预先测定而得到的数值表来定义。
在步骤S2，设电池开路电压为VBo、电池温度为To，由式1算出电池余量的初始值SOCo。
在步骤S3，对时间tc进行计数。然且，按每个时间tc执行步骤S4以后的电池余量预测运算。
在步骤S4，用电压检测部11检测充电池7的电池端子电压VBn及电池温度Tn。
在步骤S5，由前次的电池余量SOCn－1和在步骤S4中检测到的电池电压VBn和电池温度Tn，算出当前的电池余量SOCn、开路电压OCVn、电池电流In。
作为有必要作为电池特性而规定的特性，除了在式1中假定的特性之外，还有电池内部阻抗Rzb和电池容量Qmax。这些在制造初期具有固有的特性。作为内部阻抗特性，假定式2。
Rzb＝fzb（SOC，T）　（2）
若将这一时刻的电池电流设为In，则电池端子电压VBn和在这一时刻的开路电压由以下的关系式表示。
focv（SOCn，Tn）－VBn＝In·fzb（SOCn，Tn）　（3）
式3表示电池开路电压focv（SOCn，Tn）和电池端子电压VBn的差电压（左边），与取决于电池电流In和电池内部阻抗fzb（SOCn，Tn）的电压降（右边）相等。若认为此时的电流In为从tc时间前到当前时刻为止的电荷的移动量除以时间tc的值，则能用式4表示。
In＝－（SOCn－SOCn－1）·Qmax/tc　（4）
右边的分子为余量的变化和电池容量Qmax之积，意味着移动电荷量。此外，电流以从电池输出的方向为正。式3和式4有必要同时成立，以电池电流In和余量SOCn为未知的变量，作为联立方程式的解而能够求出。因此，不用实际计测电池电流而能够预测电池余量。
通过在步骤S5执行以上的运算，分别算出电池余量SOCn、开路电压OCVn（≡focv（SOCn，Tn））、电池电流In。在步骤S6这些算出的诸多数值被写入RAM、非易失存储器等的存储措施并加以保存。通过反复执行以上的步骤S3～S6来进行余量预测。
按照以上的步骤，依据本发明的实施方式，不用实际检测电池电流而能够预测电池余量，因而，将不需要现有的为进行电池电流检测所需的高精度电流读出电阻，能够实现成本减少、安装尺寸减小。
图3是示出具备第二实施方式的电池余量预测装置的电池组的其他例子的框图。
余量预测装置2具备作为已知的电池负载的恒流源4和开关5。另外，包括具备对已知恒流源进行导通/截止控制的开关5的控制功能等的控制部17和也使用已知恒流源的导通/截止的信息进行余量预测运算的运算部13而构成。在本发明的实施方式中，还以一并提供对称为电池容量的下降或电池内部阻抗的增加的老化进行预测的装置为目的。
第二实施方式的电池余量预测的运算流程，除了图2的电池余量预测运算流程之外，还具备图4所示的电池特性预测运算流程。作为执行电池特性预测运算流程的条件，使电池负载即应用系统处于停止或者睡眠状态等、极低消耗电流状态，在电池电流小于所期望的电流的状态下执行。
以下对电池特性预测运算流程进行说明。
在步骤S1中，判定是否执行电池特性预测。为了判断可否启动电池特性预测的执行，监视执行标志（flag）Flag，检测出出现标志（在本例中Flag＝1）的情形而启动电池特性预测运算。
在步骤S2中，求出在电池余量预测运算流程算出的开路电压OCVj与检测到的电池端子电压VBj的电压之差，判定该差值是否为所期望的电压δv以下，在成为以下的时刻进入下一步骤S3。
在步骤S3中，将成为│OCVj－VBj│≤δv时刻的电池余量SOCj保持在RAM等的存储装置。而且，余量预测装置2所具备的已知的恒流源4作为电池7的负载而连接，电池7通过恒流源4释放出恒流Idi。
在步骤S4中，监视所期望的恒流放电时间（k·tc）的经过，若检测到则进入步骤S5。
在步骤S5中，在RAM等的存储装置保持即将停止放电前的电池端子电压VB（k·tc）、电池温度T（k·tc）。然后，从电池7切断已知的恒流源4。
在步骤S6中，监视恒流源4切断后的开路电压OCVm、电池端子电压VBm的差电压（＝│OCVm－VBm│），判定该电压之差是否为所期望的电压δv2以下，在成为以下的时刻进入下一步骤S7。
在步骤S7中，将所述差电压成为所期望的电压δv2以下的时刻的电池余量SOCm、开路电压OCVm、电池温度Tm保持在RAM等的存储装置。
在步骤S8中，基于电池余量SOCj、恒流值Idi、恒流放电时间k·tc、电池端子电压VB（k·tc）、电池温度T（k·tc）、电池余量SOCm、开路电压OCVm、电池温度Tm，算出电池特性即电池容量、电池内部阻抗。
下面详述步骤S8中的电池特性算出方法。
首先，关于电池容量的算出进行说明。
恒流Idi下的恒流放电开始前、放电停止后的电池余量分别作为SOCj、SOCm算出。该电池余量的变化依据取决于恒流放电的电荷移动，因此若将电池容量设为Qrmx，则成为式5。
Idi·k·tc＝（SOCj－SOCm）·Qrmx　（5）
式5的左边为以恒流Idi放电k·tc时间的电荷量，与式5的右边的电池余量的变化和电池容量之积相等。因而，能以式6算出老化后的电池容量Qrmx。
Qrmx＝Idi·k·tc/（SOCj－SOCm）　（6）
接着，关于电池内部阻抗的算出进行说明。
若设即将停止恒流放电前的电池端子电压为VB（k·tc）、此时的电池开路电压为OCV（k·tc）、电池内部阻抗为Rz，则用式7表示其关系。
OCV（k·tc）－VB（k·tc）＝Idi·Rz　（7）
式7的左边为电池开路电压与电池端子电压的差电压，该差电压与取决于恒流Idi和电池内部阻抗Rz电压降相等。
此外，即将停止恒流放电前的电池开路电压OCV（k·tc），若采用恒流放电停止后的电池余量SOCm、即将停止恒流放电前的电池温度T（k·tc）、电池开路电压OCV和余量SOC、温度T的依赖性式OCV＝focv（SOC，T），则能以式8算出。
OCV（k·tc）＝focv（SOCm，T（k·tc））　（8）
由式7和式8，能够以式9求出电池内部阻抗Rz。
Rz＝（focv（SOCm，T（k·tc））－VB（k·tc））/Idi　（9）
在步骤S9中，使用步骤S8求出的老化后的电池容量和电池内部阻抗反映于电池余量预测所使用的电池特性数据。
在步骤S10中，随着电池特性预测运算结束，使预测执行标志Flag复位（在本例中，Flag＝0）。
如以上说明的那样，依据第二实施方式的电池余量预测装置，还能预测电池特性的老化，因此能够持久地进行高精度的余量预测，即便不进行电流检测也能实现，因此不需要现有的电流读出电阻，在低成本化、安装尺寸减小上具有效果。
标号说明
1、2 余量预测装置；4 恒流源；7 充电池；11 电压检测部；12、13 运算部；15 充放电控制电路；16、17 控制部。

Claims (3)

1.一种电池余量预测装置，计测电池的电压而预测电池的余量，其特征在于，具备：
电压检测部，测定所述电池的电池电压及电池温度；
运算部，基于所述电池电压及所述电池温度预测计算电池余量；以及
控制部，控制所述电池余量预测装置的动作及所述运算部，
所述电池余量预测装置通过运算流程来预测所述电池的余量，所述运算流程基于所测定的所述电池电压及电池温度和从电池余量变化算出的电池内阻回归性地算出电池开路电压、电池余量和电流值，
所述电流值基于所述电池的最大容量和所述电池余量变化算出。
2.一种电池余量预测装置，计测电池的电压而预测电池的余量，其特征在于，具备：
电压检测部，测定所述电池的电池电压及电池温度；
运算部，基于所述电池电压及所述电池温度预测计算电池余量；
控制部，控制所述电池余量预测装置的动作及所述运算部；以及
恒流源，成为电池负载，
所述电池余量预测装置通过第一运算流程和第二运算流程来预测所述电池的余量，
所述第一运算流程基于所测定的所述电池电压及电池温度和从电池余量变化算出的电池内阻回归性地算出电池开路电压、电池余量和电流值，
所述第二运算流程，在将所述恒流源作为电池负载而连接，并在既定期间进行恒流放电后，基于开始所述恒流放电前的电池余量、即将停止所述恒流放电前的电池电压和停止所述恒流放电后的稳定的电池电压算出电池容量和电池内阻，
所述电流值基于所述电池的最大容量和所述电池余量变化算出。
3.一种电池组，其特征在于，具备：
电池及负载电流控制用的MOSFET，串联连接在连接有负载的第一及第二外部端子之间；
控制电路，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或2所述的电池余量预测装置，连接在所述电池的两端，预测所述电池的余量。
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