CN112505555A - 用于监视电池的装置和用于监视电池的方法 - Google Patents

用于监视电池的装置和用于监视电池的方法 Download PDF

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Abstract

本发明题为“用于监视电池的装置和用于监视电池的方法”。本发明涉及用于监视电池的装置和用于监视电池的方法。本技术的各种实施方案可提供用于电池的方法和系统。该系统可提供电量计电路，该电量计电路被配置为从多个能量曲线中选择能量曲线并且基于所选择的能量曲线和所计算的该电池的剩余容量来确定剩余能量值。该电量计电路基于该剩余能量值控制流至负载的电流。

Description

用于监视电池的装置和用于监视电池的方法
技术领域
本发明涉及用于监视电池的装置和用于监视电池的方法。
背景技术
“电池容量”是由电池储存的电荷的量度(通常以安培小时为单位)并且通过包含在电池中的活性材料的质量来确定。剩余电池容量可提供对电池的“运行时间”(即，寿命)的指示，其反映了电池在其耗尽之前将继续提供功率的时间量。期望准确估计运行时间以向用户提供关于电池剩余寿命的警示。然而，剩余电池容量并不总是等于剩余能量，因为用于计算剩余容量的经过的时间和电池电流可能与用于计算剩余能量(其使用经过的时间、电流和电压来计算)的经过的时间不同。因此，可能期望除剩余容量之外，还基于剩余能量来确定电池的运行时间。
发明内容
本发明涉及用于监视电池的装置和用于监视电池的方法。
本技术的各种实施方案可提供用于电池的方法和系统。该系统可提供电量计电路，该电量计电路被配置为从多个能量曲线中选择能量曲线并且基于所选择的能量曲线和所计算的该电池的剩余容量来确定剩余能量值。该电量计电路基于该剩余能量值控制流至负载的电流。
本发明解决的技术问题是常规系统不能提供对电池的运行时间的准确估计。
根据一个方面，一种用于监视电池的装置包括：电压传感器，该电压传感器被配置为测量电池的电压；存储器，该存储器被配置为存储：预先确定的电压阈值；以及预先确定的电池数据，该预先确定的电池数据包括多个能量曲线；以及逻辑电路，该逻辑电路被配置为：确定所测量的电池的电压是否小于预先确定的电压阈值；以及基于所测量的电池的电压从多个能量曲线中选择一个能量曲线。
在一个实施方案中，该装置还包括计算电路，该计算电路被配置为根据所测量的电压测量电池的剩余容量，并且其中逻辑电路被配置为基于所测量的剩余容量从所选择的剩余能量曲线中选择剩余能量值。
在一个实施方案中，该装置还包括定时器，该定时器被配置为计数到预先确定的时间。
在一个实施方案中，逻辑电路被进一步配置为如果所测量的电池电压小于预先确定的阈值，则复位定时器并且重启定时器以对经过的时间进行计数。
在一个实施方案中，多个能量曲线中的每个能量曲线包括剩余能量值和对应的剩余容量值。
在一个实施方案中，存储器被进一步配置为存储先前测量的电压数据，并且其中逻辑电路被进一步配置为基于先前测量的电压数据和所选择的能量曲线来估计电池的寿命。
在一个实施方案中，逻辑电路被进一步配置为基于所测量的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量值。
根据另一方面，一种用于监视电池的方法包括：测量电池的电压；基于所测量的电压计算电池的剩余容量；确定所测量的电压是否小于预先确定的阈值；基于所测量的电池的电压从多个能量曲线中选择能量曲线；以及基于所选择的能量曲线和所计算的剩余容量来确定剩余能量值。
在一个实施方案中，该方法还包括基于所计算的剩余容量和所选择的能量曲线来生成所修改的剩余容量。
在一个实施方案中，该方法还包括利用剩余能量值来估计电池的寿命。
本发明所实现的技术效果是提供一种使用电池的剩余能量和剩余容量两者更准确地估计电池的运行时间的方法和装置。
附图说明
当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图中的类似元件和步骤。
图1为根据本技术的示例性实施方案的电池系统的框图；
图2示出了根据本技术的示例性实施方案的电池的电压特性和电流特性；
图3A为示出了放电电池的恒定电压的曲线图；
图3B为示出了在恒定电流和恒定电压下的放电电池的剩余能量和剩余荷电状态的曲线图；
图4A为示出了放电电池的可变电压的曲线图；
图4B为示出了在恒定电流和可变电压下的放电电池的剩余能量的曲线图；
图5为示出了在可变电压下的随时间推移的剩余能量和在恒定电压下的随时间推移的剩余能量的曲线图；
图6为示出了根据本技术的示例性实施方案的在各种电压状况下的随时间推移的剩余能量作为RSOC的函数的曲线图；并且
图7为根据本技术的示例性实施方案的用于操作电池系统的流程图。
具体实施方式
本技术可在功能块部件和各种加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置为执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种电压传感器、电流传感器、库仑计数器、逻辑门、定时器、存储器设备、半导体设备，诸如晶体管和电容器等。此外，本技术可集成在任何数量的电子系统(诸如汽车、航空、“智能设备”、便携式设备、电子烟和消费性电子器件)中，并且所描述的系统仅为本技术的示例性应用。
根据本技术的各个方面的用于电池的方法和系统可结合任何合适的电子系统和/或设备一起操作，诸如“智能设备”、可穿戴设备、消费电子器件、便携式设备、电池动力车辆等。参见图1，示例性系统100可集成在由可再充电电池101(诸如锂离子电池)供电的电子设备(未示出)(诸如电子烟)中。例如，在各种实施方案中，电池101可结合充电器105一起操作以向负载160(诸如电子烟中的加热线圈)提供功率。
系统100还可包括电量计电路110以管理各种电池操作并且监视各种电池状况。例如，电量计电路110可被配置为测量电池101的电压VB，测量电池101的电流IDD，计算电池101的剩余容量(也表示为百分比并且称为相对荷电状态RSOC)，计算电池101的健康状态(SOH)，并且估计电池101的寿命。
此外，电量计电路110可被配置为存储各种电池数据。例如，电量计电路110可存储预先确定的电池特性诸如多个能量曲线，该多个能量曲线描述不同电压电平下的电池的剩余能量作为电池101的荷电状态(即，RSOC)的函数之间的关系。电量计电路110还可存储预先确定的值，诸如预先确定的阈值电压值VTH。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括温度传感器120以测量电池101的温度T。温度传感器120可包括生成信号的热敏电阻器(未示出)和用于将信号转换成对应于电池101的温度T的电压的模拟-数字转换器(未示出)。然而，温度传感器120可包括任何适当的传感器或其他设备或系统，用于生成对应于电池101的温度的信号。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括电压传感器130以测量电池101的电压VB。电压传感器130可连接到电池101并且可包括适用于测量电压电位的任何电路和/或设备。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括电流传感器135以测量去往/来自电池101和负载160的电流IDD。电流传感器135可结合感测电阻器155一起操作，其中电流传感器135测量跨感测电阻器155的电压的变化以确定电流。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括计算电路125以计算剩余容量RC(以安培小时为单位测量)和/或RSOC(剩余容量RC表示为百分比)。计算电路125可连接到电压传感器130以接收所测量的电压VB数据。计算电路125还可连接到电流传感器135以接收所测量的电流数据IDD。计算电路125可被配置为根据所测量的电压VB和所测量的电流来计算剩余容量。计算电路125可根据常规的“基于电压的”方法和技术来计算电池101的剩余容量。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括存储器140以存储电池101的已知的电池特性和配置文件数据，诸如作为电压和剩余容量的函数的多个能量曲线(例如，如图6所示)。能量曲线可存储在查找表或适用于存储关系数据的任何其他数据存储装置中。
存储器140还可存储各种先前和当前所计算或所测量的变量，诸如阈值电压VTH、经过的时间值、所测量的电池电压值、预先确定的时间值(诸如恢复时间RT)等。
存储器140可包括任何数量的存储设备，诸如寄存器、闪存存储器设备、EEPROM(电可擦可编程只读存储器)、ROM(只读存储器)和RAM(随机存取存储器)等。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括定时器145以对从起始时间起的经过时间量t进行测量或以其他方式进行计数。定时器145可包括适用于对从起始时间起经过的时间量进行测量/计数的任何电路和/或设备。
在示例性实施方案中，电量计电路110可包括逻辑电路150以执行各种计算和/或估计电池101的寿命。根据示例性实施方案，逻辑电路150可被配置为基于电池101的多个能量曲线、剩余容量(即，RSOC)和电压VB来确定电池101的剩余能量。
逻辑电路150可被配置为从计算电路125接收所计算的剩余容量(即，RSOC)。逻辑电路150还可被配置为访问来自存储器140的各种数据，诸如来自多个能量曲线的数据。此外，逻辑电路150可被配置为与定时器145通信。例如，逻辑电路150可被配置为复位和重启定时器145和/或接收经过的时间值t。
根据示例性实施方案，逻辑电路150可被配置为基于所测量的参数和/或已知的参数(诸如剩余容量(即，RSOC)、电池101的电压VB和电池101的剩余能量)来估计电池101的寿命。
逻辑电路150可包括任何数量的电路、系统和/或逻辑门以执行期望的计算，如上所述。例如，逻辑电路150可包括现场可编程门阵列和专用集成电路等。
一般来讲并且参见图3A至图3B和图5，如果电池101的电压是随时间推移恒定的(在放电时段期间)并且电流在该相同时段期间也是恒定的，则电池101的剩余能量将与剩余容量(即，SOC或RSOC)相同，并且这两者将随时间推移线性地减小。然而并且参见图4A至图4B，当电池的电压是在放电时段期间不恒定的时，则电池101的剩余能量不等于剩余容量并且不线性地减小。在大多数应用中，电池电压是在放电时段期间不恒定的，因此剩余容量不等于电池101的剩余能量，并且剩余容量可能不能提供对电池101的寿命的准确估计。
此外并且参见图2，在操作期间，负载160可从电池101汲取大的电流。当发生这种情况时，电池101的电压下降。如果电压下降至阈值电压VTH以下，则电池101的电压不会立刻回到其额定电压，而是某个时间段之后恢复。因此，电池101能够提供的功率量可能小于预期。
在示例性操作中并且参见图1和图5至图7，系统100可设定有阈值电压VTH(700)。例如，存储器140可用于存储阈值电压VTH。阈值电压VTH的值可基于电池101的特定特性和/或特定应用。例如，可在预期应用(诸如电子烟)中在电池101的测试时段期间确定阈值电压VTH。
然后，系统100可设定恢复时间RT(例如，3600秒)(705)。例如，存储器140可用于存储恢复时间RT。恢复时间RT的值可基于电池101的特定特性和/或特定应用。例如，可在预期应用(诸如电子烟)中在电池101的测试时段期间确定恢复时间。
然后，系统100可例如使用电压传感器130和/或其他常规的电压测量技术或方法来测量电池电压VB(710)。然后，电压传感器130可将所测量的电压VB传输到逻辑电路150。
然后，逻辑电路150可确定所测量的电压VB是否小于阈值电压VTH。例如，逻辑电路150可从存储器140中检索阈值电压VTH并且将其与所测量的电压VB进行比较。如果所测量的电压VB不小于阈值电压，则系统100可重新测量电池电VB。
如果所测量的电压VB小于阈值电压VTH，则系统100可例如使用计算电路125来计算电池101的剩余容量(即，RSOC)(720)。计算电路125可将所测量的RSOC传输到逻辑电路150。
此外，如果所测量的电压VB小于阈值电压VTH，则逻辑电路150可复位定时器145并且开始对新的经过的时间tN进行计数(720)。
然后系统100可利用多个能量曲线、所测量的RSOC和电池电压VB来确定电池101的剩余能量(725)。例如，逻辑电路150可利用所测量的电池电压VB来从多个能量曲线中确定特定能量曲线，并且然后使用所测量的RSOC来确定电池101的剩余能量。例如并且参见图6，如果电池电压VB在第一电压范围(可变电压1)内，则选择“能量1”曲线。如果所测量的RSOC为50％，则基于“能量1”曲线，剩余能量为大约45％。然后，系统100可利用剩余能量来估计电池101的寿命(730)。
系统100可利用所确定的剩余能量来控制从电池101到负载160的电流，诸如以节省功率并且延长电池101的寿命。例如，逻辑电路150可被配置为控制(接通和断开)连接在电池101、充电器105和负载160之间的一个或多个开关，该一个或多个开关可被布置成防止电流流向负载160或允许电流流向负载160。
此外，系统100可将新的经过的时间tN与恢复时间RT进行比较。一旦经过的时间tN等于恢复时间RT，系统100就可继续使用所测量的剩余容量(即，RSOC)来确定电池101的寿命。
在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。
已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的部件和/或元件可以多种排列组装或者以其它方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体示例中阐述的具体配置。
上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其它优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。
术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排它性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其它要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或部件的其它组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其它方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其它操作要求。
上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出改变和修改。这些和其它改变或修改旨在包括在本技术的范围内，如以下权利要求书所述。
根据第一方面，一种用于监视电池的装置包括：电压传感器，该电压传感器被配置为测量电池的电压；存储器，该存储器被配置为存储：预先确定的电压阈值；以及预先确定的电池数据，该预先确定的电池数据包括多个能量曲线；以及逻辑电路，该逻辑电路被配置为：确定所测量的电池的电压是否小于该预先确定的电压阈值；以及基于所测量的电池的电压从多个能量曲线中选择一个能量曲线。
在一个实施方案中，该装置还包括计算电路，该计算电路被配置为根据所测量的电压测量电池的剩余容量。
在一个实施方案中，该逻辑电路被配置为基于所测量的剩余容量从所选择的剩余能量曲线中选择剩余能量值。
在一个实施方案中，该装置还包括定时器，该定时器被配置为计数到预先确定的时间。
在一个实施方案中，该逻辑电路被进一步配置为如果所测量的电池电压小于该预先确定的阈值，则复位该定时器并且重启该定时器以对经过的时间进行计数。
在一个实施方案中，该电池在该预先确定的时间恢复到初始电压。
在一个实施方案中，该多个能量曲线中的每个能量曲线包括剩余能量值和对应的剩余容量值。
在一个实施方案中，该存储器被进一步配置为存储先前测量的电压数据。
在一个实施方案中，该逻辑电路被进一步配置为基于先前测量的电压数据和所选择的能量曲线来估计该电池的寿命。
在一个实施方案中，该逻辑电路被进一步配置为基于所测量的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量值。
根据第二方面，一种用于监视电池的方法包括：测量该电池的电压；基于所测量的电压计算该电池的剩余容量；确定所测量的电压是否小于预先确定的阈值；基于所测量的电池的电压从多个能量曲线中选择能量曲线；以及基于所选择的能量曲线和所计算的剩余容量来确定剩余能量值。
在一个实施方案中，该方法还包括如果所测量的电压小于预先确定的阈值，则计数达预先确定的时间段。
在一个实施方案中，该方法还包括基于所计算的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量。
在一个实施方案中，该方法还包括利用该剩余能量值来估计该电池的寿命。
根据第三方面，一种系统包括：电池；电量计电路，该电量计电路连接到该电池并且被配置为：测量该电池的电压；基于所测量的电压计算该电池的剩余容量；存储：预先确定的电压阈值；以及预先确定的电池数据，该预先确定的电池数据包括多个能量曲线；确定所测量的电池的电压是否小于该预先确定的电压阈值；基于所测量的电池的电压从多个能量曲线中选择一个能量曲线；以及基于所选择的能量曲线和所计算的剩余容量来确定剩余能量值；和负载，该负载连接到该电池和电量计，其中电量计基于该剩余能量值控制流至该负载的电流。
在一个实施方案中，电量计电路被进一步配置为计数到预先确定的时间。
在一个实施方案中，电量计电路被进一步配置为如果所测量的电池电压小于该预先确定的阈值，则重启计数。
在一个实施方案中，该多个能量曲线中的每个能量曲线包括剩余能量值和对应的剩余容量值。
在一个实施方案中，电量计电路被进一步配置为基于所测量的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量值。
在一个实施方案中，电量计电路被进一步配置为基于该剩余能量值来估计该电池的寿命。

Claims (10)

1.一种用于监视电池的装置，其特征在于包括：
电压传感器，所述电压传感器被配置为测量所述电池的电压；
存储器，所述存储器被配置为存储：
预先确定的电压阈值；以及
预先确定的电池数据，所述预先确定的电池数据包括多个能量曲线；和
逻辑电路，所述逻辑电路被配置为：
确定所测量的所述电池的电压是否小于所述预先确定的电压阈值；以及
基于所测量的所述电池的电压从所述多个能量曲线中选择一个能量曲线。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于包括计算电路，所述计算电路被配置为根据所测量的电压测量所述电池的剩余容量，并且其中所述逻辑电路被配置为基于所测量的剩余容量从所选择的剩余能量曲线中选择剩余能量值。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征还在于包括定时器，所述定时器被配置为计数到预先确定的时间。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于所述逻辑电路被进一步配置为如果所测量的电池电压小于所述预先确定的阈值，则复位所述定时器并且重启所述定时器以对经过的时间进行计数。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述多个能量曲线中的每个能量曲线包括剩余能量值和对应的剩余容量值。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述存储器被进一步配置为存储先前测量的电压数据，并且其中所述逻辑电路被进一步配置为基于所述先前测量的电压数据和所选择的能量曲线来估计所述电池的寿命。
7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述逻辑电路被进一步配置为基于所测量的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量值。
8.一种用于监视电池的方法，其特征在于包括：
测量所述电池的电压；
基于所测量的电压计算所述电池的剩余容量；
确定所测量的电压是否小于预先确定的阈值；
基于所述电池的所测量的电压从多个能量曲线中选择能量曲线；以及
基于所选择的能量曲线和所计算的剩余容量来确定剩余能量值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于包括：基于所计算的剩余容量和所选择的能量曲线来生成修改的剩余容量。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于包括：利用所述剩余能量值来估计所述电池的寿命。
CN202010933271.8A 2019-09-13 2020-09-08 用于监视电池的装置和用于监视电池的方法 Pending CN112505555A (zh)

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