CN107076800B

CN107076800B - 电池容量监测器

Info

Publication number: CN107076800B
Application number: CN201480082758.2A
Authority: CN
Inventors: 李法龙; S·温
Original assignee: Texas Instruments Inc
Current assignee: Texas Instruments Inc
Priority date: 2014-10-24
Filing date: 2014-10-24
Publication date: 2019-10-08
Anticipated expiration: 2034-10-24
Also published as: US20160116544A1; US20190212390A1; CN107076800A; EP3210034B1; EP3611526A1; EP3611526B1; CN110515002A; US10557890B2; EP3210034A4; US10209316B2; WO2016061807A1; EP3210034A1; CN110515002B

Abstract

本申请公开一种用于动态地监测电池的容量的方法，该方法包括估计正在放电的电池的第一电压阈值，其中第一电压阈值对应于电池的低容量，以及测量放电电池的当前电压和当前电流。该方法另外包括基于放电电池的所估计的第一电压阈值和所测量的当前电压重新调节当前电流，以及基于重新调节所测量的当前电流，在当前电压电平减小到低于第一电压阈值之前，计算电池的容量。

Description

电池容量监测器

背景技术

电池通常用作用于便携式电动设备诸如手机、手提计算机、平板电脑等的电源。一般来说，电池包含有限的容量，这意指在电池需要再充电之前(在可再充电电池的情况下)电池能够在有限时间量内供应电力。电池监测器用于监测电池的剩余容量，以便为电池操作设备的操作者提供关于设备仍然存在多少有用的电池寿命的反馈。

发明内容

在本文中公开了通过实施电流重新调节模块监测电池的电容量的系统和方法。在实施例中，用于动态地监测电池的容量的方法包括估计正在放电的电池的第一电压阈值，其中第一电压阈值对应于电池的低容量，以及测量放电电池的当前电压和当前电流。该方法另外包括基于放电电池的所估计的第一电压阈值和所测量的当前电压重新调节当前电流，并且基于重新调节所测量的当前电流，在当前电压电平减小到低于第一阈值之前，计算电池的容量。

在另一个实施例中，用于确定电池的容量的装置包括测量单元，该测量单元被耦接到电池且被配置成以第一周期性间隔测量电池的电压电平和电流电平，并将测量的电压电平和电流电平保存在存储单元中；以及耦接到测量单元的计算资源。更具体地说，计算资源被配置成在每个周期性间隔估计电池的第一电压阈值，其中第一电压阈值对应于电池的低容量，将当前电压电平与第二电压阈值进行比较，并将在当前电压电平与第一电压阈值之间的差值与第三电压阈值进行比较。如果当前电压电平小于第二电压阈值且差值小于第三电压阈值，则计算资源计算电池的电压下降速率。另外，计算资源被配置成基于电池的所计算的电压下降速率，估算将电池从当前电压电平放电到第一阈值电压的时间量，基于所估算的时间量，估算比例因子以重新调节当前电流电平，并且基于所估算的比例因子估计电池容量的重新调节的状态。

还在另一个实施例中，方法包括每秒测量电池的电压电平和电流电平，每秒估计电池的第一电压阈值，其中第一电压阈值对应于电池的低容量，以及比较测量的电压电平与第二电压阈值，以及将在所测量的电压电平与第一电压阈值之间的差值与第三电压阈值进行比较。如果测量的电压电平小于第二电压阈值且差值小于第三电压阈值，则该方法包括基于先前测量的电压计算电池的电压下降速率。而且，该方法包括基于电池的电压下降速率，估算将电池从当前电压电平放电到第一阈值电压的时间量，以及基于所估算的时间量，估算比例因子以重新调节所测量的电流电平，以便估计电池容量的重新调节的状态。

附图说明

针对本发明的示例性实施例的详细描述，现在将参考附图，在附图中：

图1根据各种实施例示出用于说明耦接到电池的电池监测器的框图；

图2根据各种实施例示出用于比较由两种方法计算的充电状态(SOC)的示例；以及

图3根据各种实施例示出用于实施电池监测器的电流重新调节模块的流程图。

符号和术语

在以下描述和随附权利要求中使用某些术语来指代特定系统组件。如本领域技术人员将理解的，相同的可以通过不同名称来指代组件。本文档不旨在区分名称不同而非功能不同的组件。在以下讨论和随附权利要求中，术语“包括(including/comprising)”以开放式的方式使用，且因此应被解释为意指“包括但不限于....”。再者，术语“耦接(couple/couples)”旨在意指间接连接或直接连接。因此，如果第一设备耦接到第二设备，则该连接可以通过直接连接，或者通过经由其他设备和连接的间接连接。

具体实施方式

以下讨论涉及本发明的各种实施例。虽然这些实施例中的一个或更多个实施例可为优选的，但是所公开的实施例不应被解释为或以其他方式用作为限制包括权利要求的本公开的范围。此外，本领域技术人员将理解，以下描述具有广泛的应用，并且任何实施例的讨论仅意指是该实施例的示例性，并且不旨在暗示包括权利要求的本公开的范围被限于该实施例。

在电池供电仪器诸如智能电话、电动车辆等的使用中，期望监测电池，以便提供通知用户电池的剩余容量的预测。一般来说，电池的剩余容量预测可以基于电池的充电状态。

电池的充电状态(SOC)是从电池可用的剩余能量或容量的百分比的表征。SOC的单位可为百分点(0％指定完全耗尽的电池；100％指定完全充电的电池)。一般地，不能直接测量SOC，但可以通过测量电池的变量(诸如电流、电压和化学值)来估计SOC。更特别地，测量流过电池的电流也称为“库仑计数”(或“电荷计数”)。库仑计数涉及通过测量电池电流且在时间上对所测量的电流进行积分计算SOC。

除了基于所测量的电流计算SOC之外，电池监测器还可以测量电池电压和电池操作的环境条件(例如，周围温度)，并且引入此类测量的变量(例如，电压和温度)以进一步估计SOC。一般地，在电池监测器中实施算法，以使用所测量的变量用于估计SOC。更具体地说，电池监测器可以在电池的放电期间周期性地(例如，每秒一次)测量电池的电压和电流，并且可以实时地计算一个或更多个参考点(例如，放电电压结束，也被称为EDV)，其对应于电池中的一定水平的剩余容量。也就是说，EDV是对应于一点的电压，在该点处，放电电池已达到较低阈值SOC点。例如，除了周期性地测量电池电压和电流之外，电池监测器还可以周期性地重新计算与SOC的低百分比阈值(例如，7％)相关联的EDV。EDV电压是一电压，在该电压下，不能再保证电池操作设备的正常操作。一般地，EDV电压阈值根据操作电池的各个方面(例如，电池的负载和电池周围的周围温度)变化。当电池放电时，电池的电压可减小，并且因此SOC(即，电池的容量)也减小。当电池的所测量的电压达到EDV电平时，电池监测器可以以例如警告用户电池的容量已经减小到不能再保证正常设备操作的水平的方式反应。与EDV点相关联的SOC可为例如7％。

然而，在一些电池监测器中，当所测量的电压达到EDV时，电池监测器可经受所计算的SOC的不连续下降。在一些实施例中，所计算的SOC的这种不连续的下降可为由于缺少可以随着电池的负载和周围温度而改变的电池的实时更新的完全充电容量(FCC)。可以以例如毫安时(mAh)为单位测量电池的FCC，并且电池的FCC一般是电池能够放出多少能量的最大值。给定电池的FCC可以随着电池的负载、周围温度、电池的老化等而变化。例如，当电池耦接到重负载(即，可操作用于驱动重负载)和/或在低周围温度环境下操作时，电池的FCC可以低于在其他条件(较轻的负载和/或较高的温度)下的FCC，并且电池监测器可不进行更新或提供有更新的FCC值。

根据所公开的实施例，在本文公开了自动重新调节所测量的电流的电池监测器。通过在时间上对重新调节的电流进行积分，可以通过所公开的电池监测器计算电池的经调整的剩余容量，以更精确地估计SOC。同样地，所公开的电池监测器可以避免SOC的不连续的下降。换句话说，当放电电池的所测量的电压减小到EDV时，所报告的SOC(经由重新调节的电流计算的)符合对应于EDV的参考SOC(例如，7％)。用于监测电池的所公开的实施例可以被限于电子设备，以及包括将被监测的电池的其它类型的设备。

图1根据各种实施例示出用于说明所公开的电池监测器106的系统100的框图。系统100包括电池104、负载102和电池监测器106。耦接到电池104的负载102可以是实行任何类型功能的电路(分立电路、集成电路等)或任何其它类型的负载。电池监测器106耦接到电池104。电池监测器106可以包括测量单元108、计算资源110和非暂时计算机可读存储设备112。非暂时计算机可读存储设备112可以另外包括电流重新调节模块114，电流重新调节模块114包括由计算资源可执行的机器指令。

在一些实施例中，非暂时计算机可读存储设备112可以被实施为易失性存储器(例如，随机存取存储器)、非易失性存储器(例如，硬盘驱动器、光存储器、固态存储器等)或各种类型的易失性和/或非易失性存储器的组合。计算资源110是硬件设备，并且可以包括一个或更多个处理器，一个或更多个计算机，或任何其他类型的计算资源，以执行电流重新调节模块114。

作为执行电流重新调节模块114的结果，测量单元108将实时测量包括电池104的电压和/或电流的信号以及其它特性诸如周围温度。虽然如图1所示的电池监测器106包括作为不同组件的计算资源110、存储设备112和测量单元108，但是在其他实施例中，计算资源110、存储设备112和测量单元108可以是相同组件的一部分。

图2示出比较分别通过常规和所公开的电池监测器106估计的SOC 210和SOC 220的两个曲线的图示200。也就是说，曲线210由常规电池监测器估计，并且曲线220因所公开的电池监测器106而产生。图示200包括表示“时间”的X轴和表示放电电池(例如，电池104)的SOC的Y轴。根据各种实施例，SOC(Y轴)的单位为％，并且时间(X轴)的单位可为分钟。继续电池对重负载放电的上面的示例，常规电池监测器的曲线210说明所报告的SOC和参考SOC之间的差异。曲线220示出由公开的电池监测器106估计的SOC。

如图2所示，常规电池监测器的曲线210包括第一段210-a，SOC的不连续下降(在205处标识的)和第二段210-b。更具体地说，第一段210-a在点250处开始且在点203处结束。点250一般被称为100％SOC，这意指电池被完全充电。出现不连续下降的点203一般对应于电池的所测量的电压达到EDV的SOC。段210-b在点207处开始且在对应于0％SOC的点260处结束。点207对应于在EDV点处的SOC百分比(例如，7％)。因为常规电池监测器基于恒定FCC计算SOC，所以出现不连续的下降。然而，如上面所讨论的，放电电池的FCC随着包括环境参数的各种因素改变。因此，当所测量的电压达到EDV时，实际的SOC可低于由监测器计算的SOC。例如，在点203处，实际SOC可为7％，但是所计算的SOC仍然示出高得多的值，诸如20％。

仍然参考图2，使用所公开的电池监测器106生成的曲线220是相对平滑的曲线，而没有因一些常规电池监测器而产生的SOC曲线210的205特性处的SOC的不连续下降。更具体地说，曲线220在点201处开始减小到低于曲线210。根据说明性实施例，点201对应于高于电池的EDV的电压阈值。电压阈值可为在电流重新调节模块114中定义的预设参数。根据当前实施例，因为常常当电压接近或达到EDV时出现不连续的下降205，所以点201的电压阈值被选择用于避免在放电电池的电压减小到EDV之前的不连续的下降205。从在曲线220中的点250到点201，所公开的电池监测器可以通过对所测量的电池电流进行积分计算SOC。

从点201开始，所公开的电池监测器106的曲线220与常规电池监测器的曲线210分开。虽然常规电池监测器可以继续对所测量的电池电流进行积分，但是所公开的电池监测器106重新调节所测量的电流且对重新调节的电流进行积分。重新调节电流是基于由所公开的电池监测器106估计电池从当前测量的电压放电到EDV需要的时间量。通过估计时间量，可以产生电池的更精确的剩余容量(即，SOC)，而不用电池监测器更新随着电池的负载和周围温度改变的FCC。可以在由计算资源110执行时由电流重新调节模块114计算重新调节的电流。将关于图3中的流程图解释对重新调节的电流进行积分以产生SOC(例如，曲线220)的细节。

图3根据各种实施例示出用于说明实施所公开的电池监测器106的方法的流程图300。可以以所示的次序或以不同的次序实行图3所示的操作。另外，可以顺序地实行操作，或者可以并行实行操作中的两个或更多操作。

方法可以实施为作为执行电流重新调节模块114的电池监测器106的计算资源110的结果。该方法从框301开始，在框301电池监测器106的测量单元108测量放电电池104的电压和电流。在框301，在计算资源110执行电流重新调节模块114之后，计算资源110可以请求测量单元108开始测量电池104的电压和电流，并且从测量单元108获得所测量的电压和电流。根据说明性实施例，测量单元108可以被配置成周期性地(例如，每秒一次)测量电压和电流。

该方法继续在框303处，在框303处周期性地(例如，每秒一次)估计电池104的EDV。如上所述，电池的EDV可以随着负载102和/或电池104周围的周围温度而变化。因此，在周期性地测量放电电池104的电压和电流时，电池监测器106还根据改变的环境参数(诸如重或轻负载104和周围温度)估计EDV。

随后，方法继续在框305，在框305处在当前时间“t”时，将框301中测量的电压与平滑启动电压(SIV)进行比较，并将在所测量的电压(框301)和在框303中估计的EDV之间的差值与平滑启动增量电压(SIDV)进行比较。SIV可为对应于图2中的点201的电压阈值。根据各种实施例，SIV和SIDV可以在电流重新调节模块114中被预设和编码。更具体地说，可以期望SIV大于电池的EDV的最大值，以便防止关于图2中曲线210描述的SOC的不连续下降(例如，205)。由于EDV随着环境参数(例如，温度)而变化，所以重负载和/或低周围温度可导致低EDV。因此，SIV可以被选取为大于电池的EDV的最大值。

如图3所示，如果所测量的电压(在时间“t”)小于SIV且差值(在时间“t”)小于SIDV，则该方法进行到框307，在框307计算放电电池104的电压下降速率。下降速率被定义为先前两个时间间隔(例如，用于该计算的一分钟时间间隔)中的每个时间间隔的最大增量电压之间的差值。也就是说，基于从先前两个时间间隔获得的数据计算用于当前时间段的电压下降速率。假设一分钟时间间隔且将计算在分钟M内的电压下降速率，获得来自分钟M-1和M-2的数据。从之前两分钟的每分钟获得的数据包括在每个此类分钟期间计算的最大增量电压。增量电压是所测量的电池电压和EDV之间的差。可每秒计算一次该差，并且因此在每分钟间隔期间存在60个此类增量电压。在给定分钟内的最大增量电压是在该分钟内所计算的增量电压值中的最大的。分钟M-1具有特定的最大增量电压，并且类似地，M-2具有其自己的最大增量电压。来自之前分钟M-1和M-2的最大增量电压之间的差是在当前分钟M内的电压下降速率。

仍然参考图3，在框307中计算了下降速率之后，该方法前进到框309，在框309计算将电池104从当前测量的电压(在301处测量的)放电到在303处估计的EDV的时间量(T)。也就是说，从当前增量电压到零增量电压计算放电时间。在一个示例中，时间量(T)由电池监测器106计算为当前增量电压除以下降速率。

该方法继续在框311，在框311计算比例因子以重新调节所测量的电流，使得可以通过对重新调节的电流进行积分获得重新调节的SOC。在框311中，可以由电池监测器106将电池104的增量剩余容量计算为，ΔSOC×FCC/100％，其中ΔSOC被定义成当前SOC和与EDV相关联的SOC之间的差值。更具体地说，由电池监测器106通过对当前测量的电流(在时间“t”)进行积分计算当前SOC，并且与EDV相关联的SOC是如图2所示和描述的低百分比的SOC。一般地，与EDV相关联的SOC被选取为低百分比值诸如7％。在计算增量剩余容量(ΔRM)之后，可以由电池监测器106将电池从当前电压放电到EDV所需的电流量估计为I＝ΔRM×60/T。

仍然参考框311，基于电流量(I)和当前所测量的电流计算比例因子(β)。根据各种实施例，比例因子(β)被定义为I/当前所测量的电流。同样地，在当前时间“t”的重新调节的电流可以由电池监测器106计算为β×当前所测量的电流。

使用重新调节的电流，该方法继续在框313，在框313估计重新调节的SOC。更特别地，通过在例如一秒内对重新调节的电流进行积分计算重新调节的SOC。同样地，在所测量的电压被确定为满足在框305中的条件之后的每秒，所测量的电流将被重新调节，并且将由电池监测器106估计重新调节的SOC。

仍然参考流程图300，如果所测量的电压(在当前时间“t”处)不小于SIV或差值(在当前时间“t”处)不小于SIDV，则该方法进行到框315。在框315中，电池监测器106通过对当前测量的电流进行积分估计SOC(而不用首先重新调节电流)。

上面的讨论意指说明本发明的原理和各种实施例。一旦完全理解了上面的公开内容，许多变化和修改对于本领域技术人员将变得显而易见。旨在将权利要求被解释为涵盖所有此类变化和修改。

Claims

1.一种用于动态地监测电池的容量的方法，包括：

估计正在放电的所述电池的第一电压阈值，其中所述第一电压阈值对应于所述电池的低容量；

测量放电电池的当前电压和当前电流；

基于所述放电电池的所估计的第一电压阈值和所测量的当前电压重新调节所述当前电流；以及

基于重新调节所测量的当前电流，在当前电压电平减小到低于所述第一电压阈值之前，计算所述电池的容量。

2.根据权利要求1所述的方法，其中估计所述第一电压阈值是基于所述电池的负载和所述电池周围的周围温度。

3.根据权利要求1所述的方法，另外包括，在所述当前电压电平减小到低于所述第一电压阈值之前，将所述当前电压电平与第二电压阈值进行比较，并且将在所述当前电压电平和所述第一电压阈值之间的差值与第三电压阈值进行比较，其中所述第二电压阈值和所述第三电压阈值是预定义的。

4.根据权利要求3所述的方法，其中，如果所述当前电压电平小于所述第二电压阈值且所述差值小于所述第三电压阈值，则通过对所重新调节的当前电流进行积分计算所述电池的容量。

5.根据权利要求3所述的方法，其中，如果所述当前电压电平不小于所述第二电压阈值或所述差值不小于所述第三电压阈值，则通过对所测量的当前电流进行积分计算所述电池的容量。

6.根据权利要求4所述的方法，其中重新调节所测量的电流电平包括估计比例因子以重新调节所述当前电流，其中所述比例因子基于将所述电池从所述当前电压放电到所述第一电压阈值所需的电流量。

7.一种用于确定电池的容量的装置，包括：

测量单元，所述测量单元耦接到所述电池，并且被配置成以第一周期性间隔测量所述电池的电压电平和电流电平，并且将所测量的电压电平和电流电平保存在存储单元中；以及

计算资源，所述计算资源耦接到所述测量单元，并且被配置成：

在每个周期性间隔估计所述电池的第一电压阈值，其中所述第一电压阈值对应于所述电池的低容量；

将当前电压电平与第二电压阈值进行比较，并且将在所述当前电压电平与所述第一电压阈值之间的差值与第三电压阈值进行比较；

如果所述当前电压电平小于所述第二电压阈值且所述差值小于所述第三电压阈值，则计算所述电池的电压下降速率，

基于所述电池的所计算的电压下降速率，计算将所述电池从所述当前电压电平放电到所述第一电压阈值的时间量；以及

基于所计算的时间量，计算比例因子以重新调节当前电流电平；以及

基于所计算的比例因子，估计所述电池的容量的重新调节的状态。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述计算资源被配置成基于所述电池的负载和所述电池周围的周围温度，估计所述第一电压阈值。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述第二电压阈值和所述第三电压阈值是预定义的。

10.根据权利要求7所述的装置，其中，在第二周期性间隔，基于在第一增量电压和第二增量电压之间的差值，所述计算资源将计算所述电压下降速率，其中所述第一增量电压是在先前第二周期性间隔期间在每个第一周期性间隔处的所述电池的测量的电压电平和第一电压阈值之间的多个差值之中的最大值，并且所述第二增量电压是在另一个先前第二周期性间隔期间在每个第一周期性间隔处的所述电池的测量的电压电平与第一电压阈值之间的多个差值之中的最大值。

11.根据权利要求7所述的装置，其中所述计算资源通过将所述电池的所述当前电压电平除以所计算的电压下降速率，计算将所述电池从所述当前电压电平放电到所述第一电压阈值的所述时间量。

12.根据权利要求7所述的装置，其中所述计算资源通过在所述第一周期性时间间隔内对所重新调节的电流电平进行积分，估计所述电池的容量的所重新调节的状态。

13.根据权利要求7所述的装置，其中如果所述当前电压电平不小于所述第二电压阈值或所述差值不小于所述第三电压阈值，则所述计算资源基于当前电流电平估计所述电池的容量的状态。

14.一种用于操作可再充电电池供电的电子电路的方法，包括：

以一定间隔测量所述可再充电电池的电压电平和电流电平；

以所述间隔估计所述可再充电电池的第一电压阈值，其中所述第一电压阈值对应于所述可再充电电池的低容量；

将测量的电压电平与第二电压阈值进行比较，并且将在所测量的电压电平与所述第一电压阈值之间的差值与第三电压阈值进行比较；

如果所测量的电压电平小于所述第二电压阈值且所述差值小于所述第三电压阈值，则基于先前测量的电压，计算所述可再充电电池的电压下降速率；

基于所述可再充电电池的所述电压下降速率，计算将所述可再充电的电池从当前电压电平放电到所述第一电压阈值的时间量；以及

基于所计算的时间量，计算比例因子以重新调节测量的电流电平，以便估计所述可再充电电池的容量的重新调节的状态，从而确定所述可再充电电池的容量不低于能够保证所述电子电路的适当操作的电平。

15.根据权利要求14所述的方法，其中所述第二电压阈值和所述第三电压阈值是预定义的。

16.根据权利要求14所述的方法，其中如果所述当前电压电平不小于所述第二电压阈值或所述差值不小于所述第三电压阈值，则基于当前电流电平估计所述电池的容量的状态。

17.根据权利要求14所述的方法，其中计算所述电压下降速率包括计算第一增量电压和第二增量电压的差值，其中所述第一增量电压是在先前一分钟间隔期间每秒测量的所述电池的电压电平与第一电压阈值之间的多个差值之中的最大值，并且所述第二增量电压是在另一个一分钟间隔期间每秒测量的所述电池的电压电平和第一电压阈值之间的多个差值之中的最大值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中所述一分钟间隔连续发生。