CN113311347A - 估算电池可用荷电状态的设备、方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了估算电池荷电状态的设备、方法和系统。该设备包括将指示当前电池电压、电流和温度的模拟信号转换为数字信号的模数转换电路；存储包括多个数据组的剩余容量查找表的存储器，其中每个数据组包括电压值、电流值、温度值和容量值；处理器，对流过电池的电荷量进行计数，根据所述数字信号在查找表中搜索与当前电池电压、电流和温度对应的绝对剩余容量，在查找表中搜索与放电终止电压、当前电池电流和温度对应的放电终止剩余容量，根据绝对剩余容量和放电终止剩余容量的差值估算电池的满充可用电量，并且根据满充可用电量和流过电池的电荷量估算电池的可用荷电状态。该设备结合库伦计数和剩余容量查找表以消除荷电状态估算值突变的现象。

Description

估算电池可用荷电状态的设备、方法和系统
技术领域
本发明涉及电池领域，尤其涉及一种估算电池可用荷电状态的设备、方法和系统。
背景技术
移动设备已经被广泛地应用在人们的生活中，对移动设备中电池的可用荷电状态(也称为：相对荷电状态，relative state of charge，简称为rSOC)的估算尤为重要。现有技术中用于估算电池的可用荷电状态的方法包括两个步骤。第一步骤包括利用库伦计数法对流过电池的电荷量进行计数，在先前获得的电荷量的基础上进行累加，并且根据累加所得的值来估算可用荷电状态。第二步骤包括在预先存储的查找表中搜索与当前的电池电压、电池电流和电池温度所对应的剩余容量，并且根据搜索所得的剩余容量估算可用荷电状态。第一步骤适用于电池处于一般放电状态或者一般充电状态，而第二步骤适用于电池处于接近放电终止状态或者接近满充状态。然而，由于这两个步骤各自存在误差，所以从第一步骤转到第二步骤时，电池可用荷电状态的估算值会出现突变情况。以下结合图1A和图1B进行描述。
图1A所示为现有技术的电池放电过程中估算所得的可用荷电状态rSOC的曲线示意图。如图1A所示，当电池处于一般放电状态时(例如：在t1时刻之前)，可用荷电状态rSOC基于库伦计数法获得，并且随着电池的放电而减小，电池电压也随之减小。在t1时刻，电池电压减小至一个比放电终止电压稍大的预设电压值，因此电池进入接近放电终止状态。在所述接近放电终止状态下，可用荷电状态rSOC基于预先存储的查找表获得。由于在t1时刻的前后所使用的估算法相互独立，并且各自存在误差，所以可用荷电状态rSOC在t1时刻出现突变，该突变可能会随着电池的老化越来越严重。这种突变会给用户带来极大的不便，甚至可能带来严重的损失。举例说明，如图1A所示，在t0时刻，移动设备(例如：手机)显示电池还有30％的电量，用户由此判定电池至少可以坚持到t3时刻不断电，所以该用户按原计划准时地参加了一个重要的会议。然而，手机却在这个重要会议期间突然关机。
类似的，图1B所示为现有技术的电池充电过程中估算所得的可用荷电状态rSOC的曲线示意图。当电池处于一般充电状态时(例如：在t4时刻之前)，可用荷电状态rSOC基于库伦计数法获得，并且随着电池的充电而增加，电池电压也随之增加。在t4时刻，电池电压增加至一个约等于电池满充电压的预设电压值，因此电池进入接近满充状态。在所述接近满充状态下，可用荷电状态rSOC基于查找表获得。由于在t4时刻的前后所使用的估算法相互独立，并且各自存在误差，所以可用荷电状态rSOC在t4时刻出现突变。这种突变可能会给用户带来不便。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种估算电池的可用荷电状态的设备、方法和系统，用于在估算电池的可用荷电状态过程中，消除荷电状态估算值突变的现象。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种估算电池的可用荷电状态的设备，所述设备包括：模数转换电路，被配置为将指示当前电池电压、当前电池电流和当前电池温度的模拟信号转换为数字信号；存储器，被配置为存储包括多个数据组的剩余容量查找表，其中每个数据组包括电压值、电流值、温度值和容量值；以及与所述模数转换电路和所述存储器连接的处理器，被配置为从所述模数转换电路接收指示电池电流的信号以对流过所述电池的电荷量进行计数，所述处理器还被配置为根据所述数字信号在所述剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值，在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值，根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量，并且根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
本发明还提供了一种估算电池的可用荷电状态的方法，所述方法包括：利用模数转换电路将指示当前电池电压、当前电池电流和当前电池温度的模拟信号转换为数字信号；利用处理器接收来自所述模数转换电路的指示所述当前电池电流的信号以对流过所述电池的电荷量进行计数；根据所述数字信号在剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值；在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值；根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量；以及根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
本发明还提供了一种估算电池的可用荷电状态的系统，所述系统包括：感应电路，被配置为指示当前电池温度的第一信号，产生指示当前电池电压的第二信号，以及指示当前电池电流的第三信号；以及与上述感应电路连接的控制器，被配置为根据所述第三信号对流过所述电池的电荷量进行计数，以及被配置为根据所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号在所述控制器存储的剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值，在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值，根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量，并且根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
本发明提供的估算电池可用荷电状态的设备、方法和系统将库伦计数和剩余容量查找表相互结合以估算电池的可用荷电状态，从而消除了现有技术中存在的可用荷电状态估算值突变现象。因此，用户可以根据估算所得的可用荷电状态，对如何操作移动设备做出更准确的判断。
附图说明
以下通过对本发明的一些实施例将结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。
图1A所示为现有技术的电池放电过程中估算所得的可用荷电状态的曲线示意图。
图1B所示为现有技术的电池充电过程中估算所得的可用荷电状态的曲线示意图。
图2A所示为根据本发明一个实施例的具有荷电状态估算功能的电池管理系统的模块示意图。
图2B所示为根据本发明一个实施例的具有荷电状态估算功能的电池管理系统的模块示意图。
图3所示为根据本发明一个实施例的电池电压在多种电池状态下的曲线示意图。
图4所示为根据本发明一个实施例的电池电压在多种电池状态下的曲线示意图。
图5所示为根据本发明一个实施例的用于更新电池满充绝对电量的方法的流程示意图。
图6所示为根据本发明一个实施例的用于估算电池可用荷电状态的方法的流程示意图。
具体实施方式
以下将对本发明的实施例给出详细的参考。尽管本发明通过这些实施方式进行阐述和说明，但需要注意的是本发明并不仅仅局限于这些实施方式。相反，本发明涵盖后附权利要求所定义的发明精神和发明范围内的所有替代物、变体和等同物。
另外，为了更好的说明本发明，在下文的具体实施方式中给出了众多的具体细节。本领域技术人员将理解，没有这些具体细节，本发明同样可以实施。在另外一些实例中，对于大家熟知的方法、手续、部件和电路未作详细描述，以便于凸显本发明的主旨。
本发明的实施例提供了一种用于估算电池的可用荷电状态(也称为：相对荷电状态，relative state of charge，简称为rSOC)的估算方法。所述估算方法以特定的方式将库伦计数和剩余容量查找表相互结合以估算电池的可用荷电状态，因此消除了上述现有技术中存在的可用荷电状态估算值突变现象。因此，用户可以根据估算所得的可用荷电状态，对如何操作移动设备做出更准确的判断。此外，本发明的实施例还提供一种改进方法，通过估算电池的衰老因子并且根据所述衰老因子更新电池的满充绝对电量，从而估算出更准确的可用荷电状态。
图2A所示为根据本发明一个实施例的具有荷电状态估算功能的电池管理系统200A的模块示意图。电池管理系统200A可用于对电池210的状态进行监测和控制。在一个实施例中，电池管理系统200A通过感应电路(例如：包括温度感应电路204、电压感应电路206和电流感应电路208)对电池210的温度、电压和电流进行监测，根据监测所得的数据估算电池210的可用荷电状态，并且控制rSOC指示器224(例如：显示屏)以百分比的形式显示估算所得的可用荷电状态。在一个实施例中，电池210可以包括一个或多个可充电电池单元(例如：锂离子电池(Li-lon))。
更具体地说，如图2A所示，电池管理系统200A包括温度感应电路204、电压感应电路206、电流感应电路208和电池管理控制器202。温度感应电路204可以包括，但不限于，热敏电阻，用于产生指示电池210的电池温度TBAT的第一信号212。电压感应电路206可以包括，但不限于，与电池210的正极连接的电阻分压器，用于产生指示电池210的电池电压VBAT的第二信号214。电流感应电路208可以包括，但不限于，与电池210串联的感应电阻。电流感应电路208用于产生指示电池210的电池电流IBAT的第三信号216和第四信号218。在一个实施例中，第三信号216和第四信号218可以由同一个电流感应器件产生，因此可以为同一个信号。在另一个实施例中，第三信号216和第四信号218可以由两个单独的电流感应器件产生，因此可以为两个不同的信号。电池管理控制器202是一种具有估算电池的可用荷电状态功能的设备。电池管理控制器202接收来自感应电路(例如：包括电路204、206和208)的信号212、214、216和218，并且根据这些信号估算电池210的可用荷电状态。在一个实施例中，电池管理控制器202包括模数转换电路220(analog-to-digital conversion circuit)、存储器230和处理器228。
在一个实施例中，模数转换电路220包括第一模数转换器238A和第二模式转换器236。第一模数转换器238A可以包括一种具有较高转换精度的转换器，用于获得精度较高的电池电流信息。第一模数转换器238A可以将指示电池210的当前电池电流IN的模拟信号218转换为计算机可读的数字信号。第二模数转换器236可以包括一种具有较高转换速度的转换器，用于快速地获得电池的温度信息、电压信息和电流信息。在一个实施例中，第二模数转换器236的转换速度比第一模数转换器238A的转换速度快。第二模数转换器236可以将指示电池210的当前电池电压VN(或者说，电池电压VBAT的实时值)、当前电池电流IN(或者说，电池电流IBAT的实时值)和当前电池温度TN(或者说，电池温度TBAT的实时值)的模拟信号214、216和212转换为计算机可读的数字信号。在一个实施例中，处理器228根据来自模数转换器236和238A的数字信号，以及根据电池210的满充电量(full charge capacity，简称为FCC)和剩余电量(remaining capacity，简称为RC)等参数估算电池210的荷电状态(state ofcharge，简称为SOC)。
在一个实施例中，电池的满充电量FCC包括满充绝对电量(full absolute chargecapacity，简称为FACC)和满充相对电量(full relative charge capacity，简称为FRCC)。满充绝对电量FACC指的是电池处于满充状态时所存储的总电量。此外，满充绝对电量包括预定满充绝对电量(predetermined FACC，简称为pFACC)和实际满充绝对电量FACC。预定满充绝对电量pFACC指的是电池满充绝对电量的设计值，或者说是电池处于全新状态下的满充绝对电量。实际满充绝对电量FACC会随着电池的老化而逐渐减小。满充相对电量FRCC(又称为：满充可用电量)指的是电池处于满充状态时所存储的能够被释放的电量。更具体地说，在一个实施例中，当电池为负载供电时，电池电压VBAT随着电池放电而减小，当电池电压VBAT减小至放电终止电压VEOD时，系统会终止对电池放电以保护电池(此状态可称为：放电终止状态)。满充可用电量FRCC指的是电池从满充状态到放电终止状态所能够释放的电量。在一个实施例中，满充相对电量FRCC也可以称为满充可用电量，或者动态满充电量(dynamicfull capacity，简称为DFC)。在以下的描述中，使用DFC表示满充可用电量。
在一个实施例中，电池的剩余容量RC包括绝对剩余容量(absolute remainingcapacity，简称为aRC)和相对剩余容量(relative remaining capacity，简称为rRC)。绝对剩余容量aRC指的是电池中存储的总剩余电量。相对剩余容量rRC(又称为：可用剩余容量)指的是电池从开始放电到上述放电终止状态所能够释放的电量。电池的荷电状态SOC包括绝对荷电状态(absolute state of charge，简称为aSOC)和相对荷电状态(relativestate of charge，简称为rSOC)。绝对荷电状态aSOC指的是绝对剩余容量aRC与预定满充绝对电量pFACC的比值(例如：aSOC＝aRC/pFACC)。相对荷电状态rSOC(又称为：可用荷电状态)指的是可用剩余容量rRC与满充可用电量DFC的比值(例如：rSOC＝rRC/DFC)。
在一个实施例中，存储器230预先存储了剩余容量查找表aRC(V,I,T)和荷电状态查找表rSOC(OCV)。剩余容量查找表aRC(V,I,T)包括多个数据组，每个数据组包括电压值V、电流值I和温度值T，以及与这三个值对应的剩余容量aRC。更具体地说，电池的绝对剩余容量aRC与电池电压V、电池电流I和电池温度T有着特定的对应关系，并且可通过特定的函数aRC＝f(V,I,T)或者通过搜索剩余容量查找表aRC(V,I,T)的方式获得。荷电状态查找表rSOC(OCV)包括多个数据组，每个数据组包括电压值OCV和与所述电压值对应的荷电状态rSOC。更具体地说，电池的可用荷电状态rSOC与电池的开路电压(open-circuit voltage，简称为OCV)有着一种对应关系，因此可以通过搜索荷电状态查找表rSOC(OCV)的方式获得。
在一个可替换的实施例中，存储器230预先存储了荷电状态查找表aSOC(V,I,T)和荷电状态查找表rSOC(OCV)。荷电状态查找表aSOC(V,I,T)包括多个数据组，每个数据组包括电压值V、电流值I和温度值T，以及与这三个值对应的荷电状态aSOC。电池的绝对荷电状态aSOC可通过搜索荷电状态查找表aSOC(V,I,T)的方式获得。荷电状态查找表aSOC(V,I,T)可代替上述剩余容量查找表aRC(V,I,T)，用于可用荷电状态rSOC的估算。
在一个实施例中，处理器228可以包括中央处理器、微处理器、微控制器、或者其他类似的具有数据处理和计算功能的器件。处理器228从模数转换电路238A接收指示电池电流的信号218以对流过电池210的电荷量Q(t)进行计数。处理器228还根据数字信号212、214和216在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索与当前电池电压VN、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的当前绝对剩余容量aRCN的值，在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索与放电终止电压VEOD、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的放电终止剩余容量aRCEOD的值，根据当前绝对剩余容量aRCN和放电终止剩余容量aRCEOD的差值来估算电池210的当前满充可用电量DFC，并且根据当前满充可用电量DFC和上述流过电池210的电荷量Q(t)估算电池210的当前可用荷电状态rSOCN。
更具体地说，在一个实施例中，对流过电池210的电荷量Q(t)进行计数的方法可以包括库伦计数。电荷量Q(t)可由下式给出：
Figure BDA0002394095680000081
其中，IN表示电池电流的实时值。举例说明，第一模数转换器238A可以是一种带积分功能的模数转换器。第一模数转换器238A包括积分电路用于对模拟信号218进行积分以产生斜坡信号。第一模数转换器238A还包括比较电路用于将该斜坡信号与预设参考进行比较，在斜坡信号增加至该预设参考时产生一个结果信号(例如：逻辑高电平信号/数字信号“1”，或者逻辑低电平信号/数字信号“0”)，并且将所述斜坡信号的值清零以产生一个新的斜坡信号，由此产生多个结果信号。所述多个结果信号的产生频率随电池电流增加而增加，减小而减小。处理器228对所述多个结果信号进行计数，所得的计数值指示流过电池210的电荷量Q(t)。因此，处理器228可以从第一模数转换器238A接收指示电池电流IN的信号以获得流过电池210的电荷量Q(t)。然而，本发明不限于此。在另一举例中，如图2B所示，第一模数转换器238B(例如：不带积分功能)将模拟信号218转换为一组二进制码，该组二进制码代表的值与电池电流成正比例关系。处理器228对第一模数转换器238B产生的多组二进制码进行累加，从而计算流过电池210的电荷量Q(t)。以上描述的对流过电池210的电荷量Q(t)的计数方法仅为举例说明。在其他实施例中，可以使用其他的方法对流过电池210的电荷量Q(t)进行计数。
在一个实施例中，处理器228从第二模数转换器236接收由模拟信号212、214和216转换所得的数字信号，从而获得当前电池电压VN、当前电池电流IN和当前电池温度TN的值。处理器228根据这些当前值VN、IN和TN在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索当前绝对剩余容量aRCN的值。此外，如上所述，电池210有一个放电终止电压VEOD。当电池电压VN减小至放电终止电压VEOD时，电池210被终止放电。处理器228还在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索与放电终止电压VEOD、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的放电终止剩余容量aRCEOD的值。处理器228根据当前绝对剩余容量aRCN和放电终止剩余容量aRCEOD的差值来估算电池210的当前满充可用电量DFC。举例说明，处理器228可以根据下式估算电池210的当前满充可用电量DFC：
Figure BDA0002394095680000091
其中，FACC表示电池210的当前满充绝对电量，pFACC表示电池210的预定满充绝对电量，以及rSOCN-1表示先前估算所得的电池210的先前可用荷电状态。
处理器228还根据当前满充可用电量DFC和上述流过电池210的电荷量Q(t)估算电池210的当前可用荷电状态rSOCN。举例说明，处理器228可以根据下式估算电池210当前可用荷电状态rSOCN：
Figure BDA0002394095680000101
因此，本发明实施例提供了一种以特定的方式将库伦计数和剩余容量查找表相互结合的方法以估算电池的可用荷电状态。更具体地说，在一个实施例中，处理器228利用剩余容量查找表获得当前绝对剩余容量aRCN和放电终止剩余容量aRCEOD的值，从而根据等式(2)计算当前满充可用电量DFC。处理器228还通过库伦计数获得流过电池210的电荷量Q(t)，并且将电荷量Q(t)和当前满充可用电量DFC代入等式(3)以获得当前可用荷电状态rSOCN。因此，本发明实施例提供的方法消除了现有技术中存在的可用荷电状态估算值突变现象。用户可以根据估算所得的可用荷电状态，对如何操作移动设备做出更准确的判断。
在另一个实施例中，上述等式(2)可由下列等式(4)代替。处理器228可以根据下式估算电池210的当前满充可用电量DFC：
Figure BDA0002394095680000102
其中，aSOCN表示当前绝对荷电状态，是当前绝对剩余容量aRCN与预定满充绝对电量pFACC的比值，aSOCEOD表示放电终止荷电状态，是放电终止剩余容量aRCEOD与预定满充绝对电量pFACC的比值。在一个实施例中，当前绝对荷电状态aSOCN可以通过将从剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索所得的当前绝对剩余容量aRCN除以预定满充绝对电量pFACC的方式获得。类似地，放电终止荷电状态aSOCEOD可以通过将从剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索所得的放电终止剩余容量aRCEOD除以预定满充绝对电量pFACC的方式获得。在等式(4)中，当前绝对荷电状态aSOCN和放电终止荷电状态aSOCEOD的差值指示当前绝对剩余容量aRCN和放电终止剩余容量aRCEOD的差值。以上描述了基于剩余容量查找表aRC(V,I,T)来获得当前绝对荷电状态aSOCN和放电终止荷电状态aSOCEOD的方法。但本发明不限于此。
又在另一个实施例中，如上所述，荷电状态查找表aSOC(V,I,T)可代替剩余容量查找表aRC(V,I,T)，用于估算可用荷电状态rSOC。aSOCN和aSOCEOD可通过搜索荷电状态查找表aSOC(V,I,T)获得。更具体地说，处理器228可以在荷电状态查找表aSOC(V,I,T)中搜索与当前电池电压VN、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的当前绝对荷电状态aSOCN，在荷电状态查找表aSOC(V,I,T)中搜索与放电终止电压VEOD、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的放电终止荷电状态aSOCEOD，并且根据当前绝对荷电状态aSOCN和放电终止荷电状态aSOCEOD的差值来估算电池210的当前满充可用电量DFC。
此外，在一个实施例中，处理器228计算电池210的衰老因子以更新当前满充绝对电量FACC。处理器228将更新的当前满充绝对电量FACC代入等式(2)或者等式(4)以更新当前满充可用电量DFC。处理器228还将更新的当前满充可用电量DFC代入等式(3)以获得更准确的可用荷电状态rSOC。所述衰老因子包括充电衰老因子AFC(aging factor incharging)和放电衰老因子AFD(aging factor in discharging)。
更具体地说，在一个实施例中，在理想情况下，当电池被充电时，流过电池的电荷量Q(t)CHG与电池的可用荷电状态的变化量ΔrSOC的比例是不变的。然而，在实际情况下，该比例Q(t)CHG/ΔrSOC会随着电池的老化而变化(例如：减小)。所述比例Q(t)CHG/ΔrSOC可称为充电衰老因子AFC(例如：AFC＝Q(t)CHG/ΔrSOC)。此外，在一个实施例中，当电池开始放电时，电池电压VBAT会相对于放电前的电池开路电压OCV(open circuit voltage)下降一个量ΔV。在理想情况下，该电压降ΔV与放电电流IDIS的比例是不变的。然而，在实际情况下，该比例ΔV/IDIS会随着电池的老化而变化(例如：减小)。所述比例ΔV/IDIS可称为放电衰老因子AFD(例如：AFD＝ΔV/IDIS)。
图3所示为根据本发明一个实施例的电池210的电压VBAT在多种电池状态下的曲线示意图。以下结合图2A、图2B和图3对如何计算充电衰老因子AFC进行描述。如图3所示，电池210在tA1时刻进入空闲状态(以下称为：第一空闲状态)，在tA3时刻进入充电状态，并且在tA4时刻进入空闲状态(以下称为：第二空闲状态)。在一个实施例中，当电池210既不充电又不放电(或者放电量很小，可以忽略不计)时，电池210处于空闲状态。例如，当移动设备没有被充电并且处于关机时(或者安全模式时、超级省电模式时、又或者飞行模式时)，可以认为移动设备中的电池处于空闲状态。
电池210进入第一空闲状态后，电池210的开路电压逐渐稳定。当电池210的开路电压已经稳定时(例如：在t’A1时刻和tA3时刻之间)，处理器228从第二模数转换器236获得电池210处于第一空闲状态时的第一电池开路电压OCVA。在一个实施例中，当开路电压的变化率相对比较小(例如：小于一个预设值)可忽略不计时，可以认为“开路电压已经稳定”。举例说明，处理器228可以在检测到电池210进入第一空闲状态时刻起的预定时间间隔T1后(例如：在tA2时刻)获得第一电池开路电压OCVA。再举例说明，处理器228可以在检测到电池210从第一空闲状态转入充电状态时从一个记录电池电压的寄存器中读取最新的(例如：在t'A2时刻记录的)电池210的开路电压值OCVA。在获得第一电池开路电压OCVA后，处理器228在上述荷电状态查找表rSOC(OCV)中搜索与第一电池开路电压OCVA对应的第一荷电状态rSOCA。该第一荷电状态rSOCA可以认为是电池210处于第一空闲状态时电池210的可用荷电状态。此外，电池210进入第二空闲状态后，电池210的开路电压逐渐稳定。当电池210的开路电压已经稳定时，处理器228从第二模数转换器236获得电池210处于第二空闲状态时的第二电池开路电压OCVB。举例说明，处理器228可以在检测到电池210进入第二空闲状态时刻起的预定时间间隔T2后(例如：在tA5时刻)获得第二电池开路电压OCVB。其中，时间间隔T1和T2可以(但不是必须)相等。在获得第二电池开路电压OCVB后，处理器228在荷电状态查找表rSOC(OCV)中搜索与第二电池开路电压OCVB对应的第二荷电状态rSOCB。该第二荷电状态rSOCB可以认为是电池210处于第二空闲状态时电池210的可用荷电状态。
如图3所示，电池210在第一空闲状态和第二空闲状态之间(例如：在tA3时刻和tA4时刻之间)处于连续充电状态。处理器228计算(例如：根据等式(1)计算)电池210在所述连续充电状态中的充电量Q(t)CHG，并且根据充电量Q(t)CHG与第二荷电状态rSOCB和第一荷电状态rSOCA之差的比值更新电池210的当前满充绝对电量FACC的值。
更具体地说，处理器228根据下式计算当前充电衰老因子AFC：
Figure BDA0002394095680000131
处理器228还根据下式更新当前满充绝对电量FACC的值：
Figure BDA0002394095680000132
其中，FACC表示电池210的当前满充绝对电量，FACC0表示电池210的先前满充绝对电量，以及AFC0表示电池210先前充电衰老因子。先前充电衰老因子AFC0指的是在电池210经历上一次充电过程后计算所得的充电衰老因子。在一个实施例中，先前满充绝对电量FACC0指的是上一次更新所得的满充绝对电量。在另一个实施例中，如果电池210为新电池，则先前满充绝对电量FACC0指的是上述预定满充绝对电量pFACC。
图4所示为根据本发明一个实施例的电池210的电压VBAT在多种电池状态下的曲线示意图。以下结合图2A和图2B和图4对如何计算放电衰老因子AFD进行描述。如图4所示，电池210在tB1时刻进入空闲状态，并且在tB3时刻进入放电状态。所述放电状态紧接在所述空闲状态之后。
在一个实施例中，当电池210进入空闲状态后，电池210的开路电压逐渐稳定。当电池210的开路电压已经稳定时(例如：在t’B1时刻和tB3时刻之间)，处理器228从第二模数转换器236获得电池210处于该空闲状态时的电池开路电压OCVC。举例说明，处理器228可以在检测到电池210进入空闲状态时刻起的预定时间间隔T3后(例如：在tB2时刻)获得电池开路电压OCVC。再举例说明，处理器228可以在检测到电池210从空闲状态转入放电状态时从一个记录电池电压的寄存器中读取最新的(例如：在t'B2时刻记录的)电池210的开路电压值OCVC。
当电池210进入放电状态时(例如：在tB3时刻)，电池电压VBAT会从开路电压值OCVC迅速下降至一个放电初始电压值VD。处理器228可以从第二模数转换器236获得电池210处于放电状态时的放电初始电压VD和放电电流IDIS。更具体地说，处理器228可以从第二模数转换器236接收指示放电初始电压VD的信号214和指示放电电流IDIS的信号216。举例说明，处理器228可以在检测到电池210进入放电状态时刻起的预设时间间隔Δt(例如：3ms、4ms等等)后获得电池电压，所获得的电压可认为是所述放电初始电压VD。此外，处理器228还从第二模数转换器236获得放电电流IDIS。其中，预设时间间隔Δt大于电池电压从开路电压值OCVC下降至放电初始电压值VD所需要的时间，并且预设时间间隔Δt相对比较小(例如：小于5ms)使得在预设时间间隔Δt结束时所检测到的电池电压与实际的放电初始电压值VD的差值相对比较小，可忽略不计。再举例说，处理器228(或者电池管理系统200A或200B中的其他电路)可以检测电池电压的变化率dVBAT/dt。在电池210刚刚进入放电状态时，变化率dVBAT/dt相对比较大。当电池电压降至放电初始电压值VD时，变化率dVBAT/dt减小。当处理器228(或所述其他电路)检测到电池电压变化率dVBAT/dt小于预设阈值时，处理器228获得该时刻的电池电压，所获得的电池电压可认为是放电初始电压值VD。
在一个实施例中，处理器228根据放电电流IDIS以及放电初始电压VD和电池开路电压OCVC的差值更新电池210的当前满充绝对电量FACC的值。
更具体地说，处理器228根据下式计算当前放电衰老因子AFD：
Figure BDA0002394095680000141
处理器228还根据下式更新当前满充绝对电量FACC的值：
Figure BDA0002394095680000142
其中，FACC表示电池210的当前满充绝对电量，FACC0表示电池210的先前满充绝对电量，以及AFD0表示电池210先前放电衰老因子。先前放电衰老因子AFD0指的是在电池210经历上一次放电过程中(或之后)计算所得的放电衰老因子。
如上所述，在一个实施例中，处理器228可以根据充电衰老因子AFC和等式(6)来更新电池210的满充绝对电量FACC。在另一个实施例中，处理器228可以根据放电衰老因子AFD和等式(8)来更新电池210的满充绝对电量FACC。除此之外，又在另一个实施例中，处理器228可以根据充电衰老因子AFC和放电衰老因子AFD，以及根据特定的函数(例如：等式(9))来更新满充绝对电量FACC。
FACC＝f(AFC,AFD,FACC0) (9)
举例说明，处理器228可以根据下式更新当前满充绝对电量FACC的值：
Figure BDA0002394095680000151
其中α和β为小于1的权重值，并且α与β之和等于1(即：α+β＝1)。等式(10)仅为举例说明，本发明不限于此。
图5所示为根据本发明一个实施例的用于更新电池满充绝对电量的方法的流程500示意图。以下结合图2A、图2B、图3和图4对图5进行描述。本领域技术人员可以理解的是，图5所涵盖的具体步骤仅仅作为示例。也就是说，本发明适用于其他合理的流程或对图5进行改进的步骤。
如图5所述，在步骤502，处理器228检测电池210是否进入空闲状态。如果电池210进入空闲状态，则流程500转到步骤504。在步骤504，处理器228获得电池210在该空闲状态中的开路电压OCV，从荷电状态查找表rSOC(OCV)中获得对应的荷电状态rSOC，并且将开路电压OCV和荷电状态rSOC的值存储在寄存器中。
在步骤506，处理器228检测电池210是否从空闲状态转入充电状态或者放电状态。如果电池210从空闲状态转入充电状态，则流程500转到步骤512。如果电池210从空闲状态转入放电状态，则流程500转入步骤508。
在步骤508，处理器228检测电池210在所述放电状态中的放电初始电压VD和放电电流IDIS。在步骤510，处理器228根据放电初始电压VD、放电电流IDIS，以及步骤504中获得的开路电压OCV计算放电衰老因子AFD(例如：AFD＝(VD-OCV)/IDIS)，并且将计算所得的放电衰老因子AFD的值存储在寄存器中。
在步骤512，处理器228计算在所述充电状态中流过电池210的充电量Q(t)CHG。在步骤514，如果处理器228检测到电池210进入下一个空闲状态，则流程500转到步骤516。在步骤516，处理器228获得电池210的充电电量Q(t)CHG，获得电池210在当前空闲状态下的开路电压OCV’和荷电状态rSOC’，并且将开路电压OCV’和荷电状态rSOC’的值存储在寄存器中。在步骤518，处理器228根据充电量Q(t)CHG、荷电状态rSOC’，以及先前存储的荷电状态rSOC计算充电衰老因子AFC(例如：AFC＝Q(t)CHG/(rSOC’-rSOC))，并且将计算所得的充电衰老因子AFC的值存储在寄存器。
在步骤520，处理器228判断寄存器中是否储存有先前充电衰老因子AFC0和/或先前放电衰老因子AFD0。
如果寄存器中既没有先前充电衰老因子AFC0也没有先前放电衰老因子AFD0，则流程500转到步骤522，以返回步骤502。
如果寄存器中有先前放电衰老因子AFD0，但没有先前充电衰老因子AFC0，则流程500转到步骤524。在步骤524，处理器228根据等式(8)更新当前满充绝对电量FACC并且将更新后的当前满充绝对电量FACC的值存储在寄存器中。
如果寄存器中有先前充电衰老因子AFC0，但没有先前放电衰老因子AFD0，则流程500转到步骤526。在步骤526，处理器228根据等式(6)更新当前满充绝对电量FACC并且将更新后的当前满充绝对电量FACC的值存储在寄存器中。
如果寄存器中存储有先前充电衰老因子AFC0和先前放电衰老因子AFD0，则流程500转到步骤528。在步骤528，处理器228根据等式(9)更新当前满充绝对电量FACC并且将更新后的当前满充绝对电量FACC的值存储在寄存器中。
因此，本发明实施例提供了一种更新当前满充绝对电量FACC的方法，从而获得更准确的当前满充可用电量DFC和当前可用荷电状态rSOC。
图6所示为根据本发明一个实施例的用于估算电池可用荷电状态的方法的流程示意图。以下结合图2A、图2B、图3、图4和图5对图6进行描述。本领域技术人员可以理解的是，图6所涵盖的具体步骤仅仅作为示例。也就是说，本发明适用于其他合理的流程或对图6进行改进的步骤。
如图所示，在步骤602，模数转换电路236和238A(或者236和238B)将指示电池210的当前电池电压VN、当前电池电流IN和当前电池温度TN的模拟信号转换为数字信号。
在步骤604，处理器228接收来自所述模数转换电路的指示所述当前电池电流IN的信号218以对流过电池210的电荷量Q(t)进行计数。
在步骤606，处理器228根据所述数字信号在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索与当前电池电压VN、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的当前绝对剩余容量aRCN的值。
在步骤608，处理器228在剩余容量查找表aRC(V,I,T)中搜索与放电终止电压VEOD、当前电池电流IN和当前电池温度TN对应的放电终止剩余容量aRCEOD的值。
在步骤610，处理器228根据当前绝对剩余容量aRCN和放电终止剩余容量aRCEOD的差值来估算电池210的当前满充可用电量DFC。举例说明，处理器228可以根据等式(2)估算当前满充可用电量DFC。
在步骤612，处理器228根据当前满充可用电量DFC和流过电池210的电荷量Q(t)估算电池210的当前可用荷电状态rSOCN。举例说明，处理器228可以根据等式(3)估算当前可用荷电状态rSOCN。
在此使用的措辞和表达都是用于说明而非限制，使用这些措辞和表达并不将在此图示和描述的特性的任何等同物(或部分等同物)排除在发明范围之外，在权利要求的范围内可能存在各种修改。其它的修改、变体和替换物也可能存在。因此，权利要求旨在涵盖所有此类等同物。

Claims (14)

1.一种估算电池的可用荷电状态的设备，所述设备包括：
模数转换电路，被配置为将指示当前电池电压、当前电池电流和当前电池温度的模拟信号转换为数字信号；
存储器，被配置为存储包括多个数据组的剩余容量查找表，其中每个数据组包括电压值、电流值、温度值和容量值；以及
与所述模数转换电路和所述存储器连接的处理器，被配置为从所述模数转换电路接收指示电池电流的信号以对流过所述电池的电荷量进行计数，所述处理器还被配置为根据所述数字信号在所述剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值，在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值，根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量，并且根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器根据下式估算所述当前满充可用电量：
DFC＝FACC×(aRCN-aRCEOD)/(pFACC×rSOCN-1)，
其中，DFC表示所述当前满充可用电量，FACC表示所述电池的当前满充绝对电量，aRCN表示所述当前绝对剩余容量，aRCEOD表示所述放电终止剩余容量，pFACC表示所述电池的预定满充绝对电量，以及rSOCN-1表示先前估算所得的先前可用荷电状态。
3.根据权利要求1所述的设备，其中，所述处理器根据下式估算所述当前满充可用电量：
DFC＝FACC×(aSOCN-aSOCEOD)/rSOCN-1，
其中，DFC表示所述当前满充可用电量，FACC表示所述电池的当前满充绝对电量，aSOCN表示所述当前绝对剩余容量与所述电池的预定满充绝对电量的比值，aSOCEOD表示所述放电终止剩余容量与所述预定满充绝对电量的比值，以及rSOCN-1表示先前估算所得的可用荷电状态。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述处理器根据下式估算所述当前可用荷电状态：
rSOCN＝[(DFC×rSOCN-1)+Q(t)]/DFC，
其中，rSOCN表示所述当前可用荷电状态，DFC表示所述当前满充可用电量，rSOCN-1表示先前估算所得的先前可用荷电状态，以及Q(t)表示所述流过所述电池的电荷量。
5.根据权利要求1至3中任一项所述的设备，其中，所述存储器还被配置为存储荷电状态查找表，所述荷电状态查找表中的数据包括多个电压值，以及与所述多个电压值分别对应的多个荷电状态。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述处理器从所述模数转换电路获得所述电池处于第一空闲状态时的第一电池开路电压，并且在所述荷电状态查找表中搜索与所述第一电池开路电压对应的第一荷电状态，所述处理器还从所述模数转换电路获得所述电池处于第二空闲状态时的第二电池开路电压，并且在所述荷电状态查找表中搜索与所述第二电池开路电压对应的第二荷电状态，其中，所述电池在所述第一空闲状态和所述第二空闲状态之间处于连续充电状态，所述处理器计算所述电池在所述连续充电状态中的充电量，并且根据所述充电量与所述第二荷电状态和所述第一荷电状态之差的比值更新所述电池的当前满充绝对电量的值。
7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述处理器根据所述电池的当前充电衰老因子更新所述当前满充绝对电量的值，并且根据下式计算所述当前充电衰老因子：
AFC＝Q(t)CHG/(rSOCB-rSOCA)，
其中，AFC表示所述当前充电衰老因子，Q(t)CHG表示所述电池在所述连续充电状态中的充电量，rSOCB表示所述第二荷电状态，以及rSOCA表示所述第一荷电状态。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述处理器根据下式更新所述当前满充绝对电量的值：
FACC＝FACC0×(AFC/AFC0)，
其中，FACC表示所述电池的当前满充绝对电量，FACC0表示所述电池的先前满充绝对电量，以及AFC0表示所述电池的先前充电衰老因子。
9.根据权利要求5所述的设备，其中，所述处理器从所述模数转换电路获得所述电池处于空闲状态时的电池开路电压，并且从所述模数转换电路获得所述电池处于放电状态时的放电初始电压和放电电流，其中，所述放电状态紧接在所述空闲状态之后，所述处理器根据所述放电初始电压和所述电池开路电压的差值与所述放电电流的比值更新所述电池的当前满充绝对电量的值。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述处理器根据所述电池的当前放电衰老因子更新所述当前满充绝对电量的值，并且根据下式计算所述当前放电衰老因子：
AFD＝(VD-OCVC)/IDIS，
其中，AFD表示所述当前放电衰老因子，VD表示所述放电初始电压，OCVC表示所述电池开路电压，以及IDIS表示所述放电电流。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述处理器根据下式更新所述当前满充绝对电量的值：
FACC＝FACC0×(AFD/AFD0)，
其中，FACC表示所述电池的当前满充绝对电量，FACC0表示所述电池的先前满充绝对电量，以及AFD0表示所述电池的先前放电衰老因子。
12.根据权利要求9所述的设备，其中，所述模数转换电路包括：
第一模数转换器，所述处理器从所述第一模数转换器接收所述指示电池电流的信号以获得所述流过所述电池的电荷量；以及
第二模数转换器，所述处理器从所述第二模数转换器接收指示所述放电初始电压的信号和指示所述放电电流的信号，从而计算所述电池的当前放电衰老因子，其中，所述第二模数转换器的转换速度比所述第一模数转换器的转换速度快。
13.一种估算电池的可用荷电状态的方法，所述方法包括：
利用模数转换电路将指示当前电池电压、当前电池电流和当前电池温度的模拟信号转换为数字信号；
利用处理器接收来自所述模数转换电路的指示所述当前电池电流的信号以对流过所述电池的电荷量进行计数；
根据所述数字信号在剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值；
在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值；
根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量；以及
根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
14.一种估算电池的可用荷电状态的系统，所述系统包括：
感应电路，被配置为产生指示当前电池温度的第一信号，产生指示当前电池电压的第二信号，以及产生指示当前电池电流的第三信号和第四信号；以及
与上述感应电路连接的控制器，被配置为根据所述第四信号对流过所述电池的电荷量进行计数，以及被配置为根据所述第一信号、所述第二信号和所述第三信号在所述控制器存储的剩余容量查找表中搜索与所述当前电池电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的当前绝对剩余容量的值，在所述剩余容量查找表中搜索与放电终止电压、所述当前电池电流和所述当前电池温度对应的放电终止剩余容量的值，根据所述当前绝对剩余容量和所述放电终止剩余容量的差值来估算所述电池的当前满充可用电量，并且根据所述当前满充可用电量和所述流过所述电池的电荷量估算所述电池的当前可用荷电状态。
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