TW201643457A - 電池殘量預測裝置及電池組 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種電池組，可應對電池特性偏差，雖為低成本但可更準確地進行充電電池的電池殘量預測。本發明採用了下述結構：在電池殘量預測裝置中，設置使恆電流作為負載電流而流至電池的恆電流源，對使恆電流負載流至電池前後的電池電壓進行多點計測，根據電池電壓的時間變化來計算出電池內部電阻。

Description

電池殘量預測裝置及電池組
本發明是有關於一種電池（battery）管理系統（system），尤其是有關於一種Li離子（ion）充電電池等的電池殘量預測裝置。
充電電池被用於以便攜式機器為代表的多種裝置中，需要對充放電進行管理的電池管理系統。尤其在機器工作時需要更準確地知曉電池的工作時間，因此使用電池殘量預測裝置。
具備習知的電池殘量預測裝置的電池組如圖5所示。電池殘量預測裝置20具備：中央處理單元（Central Processing Unit，CPU）21，進行信號處理運算；隨機存取記憶體（Random Access Memory，RAM）22，信號處理運算時使用；類比數位轉換器（Analog-to-Digital Converter，ADC）23，用於對以位準（level）轉換器26將充電電池6的1電芯（cell）量的電池電壓進行轉換後的電池電壓進行檢測；ADC 24，用於對在檢測充電電池6的電流的電流感測（sense）電阻10中產生的電壓進行檢測；以及非揮發性記憶體25，預先保持有電池的特性資料等。電池殘量預測裝置20根據充電電池6的電壓、與由庫侖計（Coulomb counter）根據使用電流感測電阻10所計測的充電電池6的電流值而求出的移動電荷量等，來求出電池殘量。對於高精度的殘量預測，需要充電電池6的電壓及電流的高精度計測。 現有技術文獻 專利文獻
專利文獻1：美國專利第6789026號說明書 [發明所欲解決之課題]
習知的電池殘量預測裝置存在下述問題，即，須預先準備電池內部電阻來作為電池內部電阻模型（model），無法直接應對電池特性的偏差。 而且，為了根據電池內部電阻來求出電壓降電壓，需要電池消耗電流的計測，因而需要用於此計測的高精度且電流容許量大的電流感測電阻。
本發明提供一種雖為低成本但可實現充電電池的電池殘量的高精度預測的電池組。 [解決課題之手段] 本發明的電池殘量預測裝置為了解決所述課題而採用了如下所述的結構。 電池殘量預測裝置採用下述結構，其設置有：第一電壓檢測部，對電池電壓進行測定；電流感測電阻，對流經負載的負載電流進行感測；第二電壓檢測部，對電流感測電阻的電壓進行測定；運算控制部，基於電池電壓及電流感測電阻的電壓來預測計算電池殘量；以及恆電流源，使恆電流作為負載而選擇性地流至電池，在運算控制部中，至少在3點以上測定使恆電流流至電池前後的電池電壓，並基於側定出的電池電壓來計算出電池內部電阻，藉此來預測所述電池的殘量。 [發明的效果]
根據本發明，可直接計測出電池內部電阻，因此可提供一種電池組，其可應對電池特性偏差，雖為低成本但可更準確地進行充電電池的電池殘量預測。
圖1是具備本實施形態的電池殘量預測裝置的電池組的方塊圖。 具備本實施形態的電池殘量預測裝置的電池組具備電池殘量預測裝置1、充電電池6、充放電控制用的金屬氧化物半導體場效電晶體（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor，MOSFET）9、電流感測電阻10及充放電控制電路16。電池殘量預測裝置1具備電壓檢測部11、運算控制部17、電壓檢測部12、恆電流源4及電流源控制開關5。
本實施形態的電池組以下述方式連接。 電池殘量預測裝置1連接於充電電池6的兩端。電流感測電阻10被設置於充電電池6的負極端子與MOSFET 9之間。充放電控制電路16連接於充電電池6的兩端，輸出端子連接於MOSFET 9。在外部端子上，連接有作為負載8的應用系統（application system）。電壓檢測部11的輸入端子上連接有充電電池6，輸出端子連接於運算控制部17。電壓檢測部12的輸入端子上連接有電流感測電阻10的兩端，輸出端子連接於運算控制部17。恆電流源4與電流源控制開關5被設置於充電電池6的正極端子。
電壓檢測部11對充電電池6的電池電壓Vbat進行計測。電壓檢測部12對電流感測電阻10兩端的電壓進行檢測，所述電流感測電阻10對負載8的消耗電流進行計測。運算控制部17基於電池電壓Vbat與消耗電流來預測電池殘量。恆電流源4使用於對電池的內部電阻進行計測的已知的恆電流流動。
圖2是表示充電電池6的等價電路的一例的電路圖。充電電池6是採用包含電壓源18與內部電阻等價電路模型7者。一般的充電電池的內部電阻等價電路模型的結構為：將包含串聯連接的第一電阻及第二電阻、以及與第二電阻並聯連接的電容器的電路作為單位電路，並將多個該單位電路串聯連接。若欲利用等價電路來更準確地近似電池的內部電阻，則該單位電路的級數將增加，因此計算將變得複雜。圖2所示的充電電池6的內部電阻等價電路模型7為經簡化的電路結構，但作為用於電池殘量預測的內部電阻等價電路模型而言足夠實用。本實施形態中，基於圖2所示的充電電池6的內部電阻等價電路模型7來進行說明。
若設負載8的消耗電流為Isys、恆電流源4的電流為Idi，來求電流Idi連接於充電電池6時的充電電池6的電池電壓Vbat（t）、及電池開路電壓Vocv（t）的時間變化，則由式1表示。
再者，式1是假設恆電流源4在時刻t=t0 連接，即t＜t0 時Idi=0，t≧t0 時Idi＞0、τ≡Cp·Rb的情況。
在期間t＜to 時，由充電電池6消耗的電流為負載8的電流Isys。此時的電池電壓Vbat成為從電池開路電壓Vocv因電池內部電阻7與電流Isys而產生了電壓降的電壓。電壓降的量由-（Ra+Rb）Isys來表示，設此時的電池開路電壓為Vocv（t），電池電壓Vbat（t）成為式2。
在時刻t≧t0 時，加上因恆電流源4的電流Idi造成的電壓降，下降電壓成為式3。
若設恆電流源4即將附加之前及剛剛附加之後的電池電壓分別為Vbat（t0 -δ）、Vbat（t0 +δ），則如下述般表示。
若考慮在將恆電流源4剛剛附加之後的時間設為較短的情況下，電池開路電壓Vocv的變化小，則電池內部電阻7的第一電阻的電阻值Ra由式7表示，可根據電池電壓Vbat的變化量與恆電流源4的電流Idi來求出。
而且，時刻t=T+to及t=nT+to這2點時的電池電壓Vbat可由式8及式9來表示。
藉由分析性地解出式8與式9，從而可求出電池內部電阻7的二變數即Rb、Cp。即，藉由計測電池電壓Vbat的時間變化，從而可求出內部電阻等價電路模型7中的電阻值Ra及Rb、電容值Cp。
此外，為了根據所述式來求出電池內部電阻7，需要知曉電池開路電壓Vocv。電池開路電壓Vocv與充電電池6的充電狀態SOC具有較強的相關性。圖3是表示電池開路電壓Vocv與充電狀態SOC的依存性的一例的圖表。此處，Vmax為充電電池6充電時的最大電壓，Vmin為預先規定的充電電池6的所期望的下限電壓。Qmx為電池電壓從Vmin滿充電至Vmax為止所需的充電電荷量。在將充電電池6的某時刻的充電電荷量設為Qc的情況下，此時的充電狀態SOC由式10來規定。
若設即將對充電電池6附加恆電流Idi之前的充電狀態為Soco，則充電至此時的充電電池6的電荷量Qco由式11表示。
將從附加恆電流Idi後開始算起的經過時間設為n·T（n為整數），充電電池6的受到充電的電荷量的變化Qcms成為式12。
此時的充電狀態Soc（n·T）由式13表示。
此時的充電電池6的開路電壓Vocv（n·T）可基於根據所述式求出的充電狀態值，並根據圖3所示的電池開路電壓Vocv與充電狀態的依存性來求出。 另外，本實施形態中，對將電流感測電阻10設置於充電電池6的負極側的示例進行了說明，但即使如圖4所示般設置於充電電池6的正極側，亦起到同樣的效果。
如以上所說明般，根據本發明的電池殘量預測裝置，可直接計測電池內部電阻7，可使實際的電池內部電阻7直接反映到電池殘量預測中，從而可實現更準確的電池殘量預測。
另外，對於電壓檢測部，獨立地設置有電壓檢測部11與電壓檢測部12，但藉由在時間上分享（share）電壓計測時序，從而亦可僅利用一個電壓檢測部來進行。 而且，利用電流源控制開關5來進行恆電流源4的通斷控制，但已知的是，藉由對恆電流源4自身附加休眠（sleep）功能等，從而可容易地實現。 而且，負載8的電流Isys當然亦可為Isys=0。
1、20‧‧‧電池殘量預測裝置
4‧‧‧恆電流源
5‧‧‧電流源控制開關
6‧‧‧充電電池
7‧‧‧內部電阻等價電路模型
8‧‧‧負載
9‧‧‧金屬氧化物半導體場效電晶體
10‧‧‧電流感測電阻
11、12‧‧‧電壓檢測部
16‧‧‧充放電控制電路
17‧‧‧運算控制部
18‧‧‧電壓源
21‧‧‧中央處理單元
22‧‧‧隨機存取記憶體
23、24‧‧‧類比數位轉換器
25‧‧‧非揮發性記憶體
26‧‧‧位準轉換器
Cp‧‧‧電容值
Idi‧‧‧電流
Isys‧‧‧消耗電流
Qc、Qmx‧‧‧充電電荷量
Ra、Rb‧‧‧電阻值
SOC‧‧‧充電狀態
Vbat‧‧‧電池電壓
Vmax‧‧‧最大電壓
Vmin‧‧‧下限電壓
Vocv‧‧‧電池開路電壓
圖1是具備本實施形態的電池殘量預測裝置的電池組的方塊圖。 圖2是表示電池的等價電路的一例的電路圖。 圖3是表示充電電池的開路電壓與充電狀態的依存性的一例的圖表。 圖4是具備本實施形態的電池殘量預測裝置的電池組的方塊圖的另一例。 圖5是具備習知的電池殘量預測裝置的電池組的方塊圖。
1‧‧‧電池殘量預測裝置
4‧‧‧恆電流源
5‧‧‧電流源控制開關
6‧‧‧充電電池
8‧‧‧負載
9‧‧‧MOSFET
10‧‧‧電流感測電阻
11、12‧‧‧電壓檢測部
16‧‧‧充放電控制電路
17‧‧‧運算控制部
Idi‧‧‧電流
Isys‧‧‧消耗電流
Vbat‧‧‧電池電壓

Claims (3)

  1. 一種電池殘量預測裝置，計測電池的電池電壓，以預測所述電池的殘量，所述電池殘量預測裝置的特徵在於包括： 第一電壓檢測部，對所述電池電壓進行測定； 電流感測電阻，對流經負載的負載電流進行感測； 第二電壓檢測部，對所述電流感測電阻的電壓進行測定；以及 運算控制部，基於所述電池電壓及所述電流感測電阻的電壓來預測計算電池殘量， 所述電池殘量預測裝置設置有恆電流源，所述恆電流源使恆電流作為負載而選擇性地流至所述電池， 在所述運算控制部中，至少在3點以上測定使所述恆電流流至所述電池前後的所述電池電壓，並基於側定出的所述電池電壓來計算出電池內部電阻，藉此來預測所述電池的殘量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的電池殘量預測裝置，其中 所述第一電壓檢測部與所述第二電壓檢測部構成為一個電壓檢測部。
  3. 一種電池組，其特徵在於包括： 所述電池及金屬氧化物半導體場效電晶體，串聯連接於連接有負載的第一及第二外部端子之間； 充放電控制電路，連接於所述電池的兩端，監視所述電池的狀態，並控制所述金屬氧化物半導體場效電晶體；以及 如申請專利範圍第1項或第2項所述的電池殘量預測裝置，連接於所述電池的兩端，預測所述電池的殘量。
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