TWI300999B

TWI300999B - Method of end of discharge voltage measurement for battery and calibration thereof

Info

Publication number: TWI300999B
Application number: TW095104439A
Authority: TW
Inventors: Chang Yu Ho
Original assignee: Neotec Semiconductor Ltd
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2008-09-11
Also published as: TW200731602A; US20070247118A1

Description

1300999 j—^ _______ ^ 兴年 >月V日修(更)正替換頁九、發明說明：【發明所屬之技術領域】本發明係關於一種可充電電池的截止放電電壓(EDV)量測，特別是一種依據電池放電電流及環境温度修正電池截止放電電壓EDV2(7%電池電量之EDV)及EDV0(0Q/〇電池電量之 EDV)的方法。

【先前技術】 •電池可說是一切可攜式電子裝置動力來源。舉 ^ •、行動電話、筆記型電腦、個人數位助理、隨身聽荨專，皆有賴電池提供電力。但畢竟電池只是一種蓄積，量的裝置，可攜式電子裝置使用時就消耗電池的電忐。當耗損至一定程度而使剩餘的電能不足以驅動該裝置的電路後，一種選擇是丟掉，另一選擇則是再充電。一般而言，不管以環保考量，或者以長時間總平均成本思考，可攜式電子裝置多會採取電池再充電的方式，將原來耗損的電能補充回來。當然，電池可以提供可攜式電子產品使用的和該項可攜<電子裝置的消耗功率息息相關，也和d 池蓄電能力有著強烈的關係。 ^ 而電池蓄電能力除了和電池的蓄電材料有關，也，蓄電材料的記憶效應有關。所謂電池的記憶效和電池在棘巾，由於長雜不到完全的放^ 導致電池的實際容量小於真實容量的現象。 5 1300999

FI V ，池中的某些元素的特性有關。例如早期的錦記憶S期的鎳氫電池或鐘電池都發現有不等程度的心ί電電池還有—個必需注意的特性，即電池端電今和ίί容量關係曲線，請參考圖一放電曲線。如圖二’放電曲線中有兩個電壓徙降點當飽和狀態時與電池電量快要釋放怠盡時，以·認时料息息相關的是電 ,、;22釋放忍盡時，電池端電壓劇降。此時，可壓（eH^非ΐ有限’此電壓—般稱為截止放電電 ge VQltage，勝）。在電池端電

的8^4 79Υ8Χ/電池的殘餘電量值可能為完全充電時的8i或7从這個電壓有時也稱為EDV 选二可心式電子裝置的充電電池通常不會把 $ΐ5ί if Hi餘電能為⑽處。因為，-來可攜 =電若SiKii未館存資料或設定^ 1 争ί舌3衣置疋和屬於病人的醫護產品時，情況因ΐ二能導致病患立刻身陷危險狀態。個θ W型的電池管理系統應該且備有隨著提 ίί?ίί=:ΐ參考的能力，翻，;是在殘餘電 dTt的2〇%、⑽時預先警示使用會提。2就不再供電，以免這顆電池就 ’另有-點必需注意的是歸2麟一成不變 6 1300999 辞，日修_

…而忽略環境溫度及放電電流等因素對其影響观侍不到正確的EDV2的。疋

、、有鑑於此，本發明提供一種電池容量的測量方法，將同時考慮環境溫度與電池的放電電流，以更準確的電池截止放電電壓。于【發明内容】

電、、去吏f的環境溫度、電池老化程度及電池負載電子裝置放電電流)財關。請再參考圖不的放電曲線。單純的設定一固定EDV門檻監控一種依據放電電流及環境温度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0的方法。其中EDV2為電池端電壓和殘餘電量之放電曲線關係中，放電曲線由平緩至下彎的轉折處的電池端電壓，其值約為電池殘餘電量的7〇/〇至8/^’而EDV0為放電曲線中電池殘餘電量約為〇%時之電池端電壓。包含下列步驟：首先，將電池充電至飽和，再分別於兩個特定溫度下，以定額電流進行第一及第二放電曲線量測依據該而楠放電曲線定出兩組 EDV2及EDV0;再將兩組EDV2及EDV0代入經驗公式（I) 及（II) (I) EDV2=EMC*(256-(放電電流 /64+QT)*EDV_gain/256)/256 (II) EDV0=EMC*(256-(放電電流/64+ QT)*EDVJactor/256)/256 7 1300999

^ 其中 Qt= [480—(τ—5)*10]*8/256 且以放電電流= 苐二定額電流以毫安培為單位，而τ分別為第一特定溫度及第二特定溫度（以。c為單位）為邊界條件，計算出 EMC、EDV_gain、EDV—factor 三個參數值； 1用上述經驗公式（I)及（11)即可計算在該電池使用範圍下任意放電電流及電池溫度的EDV2及 fDV〇。上述的第一特定溫度及第二特定溫度可以是5 * C、25 C及45°C的其中任選兩個温度的組合。【實施方式】一如在先前技術所述，電池容量的截止放電電 , 壓（7%-EDV或稱EDV2)既然與電池溫度、持續的放電電流專有關，那麼就有必要找出一公式，這公式以電池 - 溫度和放電電流為變數，以獲得較精準的EDV2。依據本發明的方法，EDV2可以依據放電曲線來獲得，請參考圖一，橫座標為電池容量，而縱座標為整 • 串電池組的端電壓。整串電池組是指電池由數顆電池串聯。本發明依據許多的貫驗數據歸納出放電曲線滿足以下經驗公式（二個二元一次方程式）： (I) EDV2=EMC*(256-(放電電流/64+Qt)*EDV—gain/256)/256 • 此處是截止放電電壓之估測曲線的基準點，而EDV— gain是EDV2 截止放電電壓之估測曲線斜率。 (II) EDV0=EMC*(256-(放電電流/64+QT)*EDV—factor/256) /256,此處EDV— factor是EDV0截止放電電壓之估測曲線斜率。 1300999 其中只有放電電流和Qt為變數，Qt是和温度有關的變數，請注意在（I)式的放電電流是以mA而qt是以 (ΠΙ) QT= [480-(T-5)*10]*8/256 計算而獲得，此一公式是經驗公式。僅管如此，在（I)及(II)進行計算時，就不再理會放電電流和QT的單位，即當作無單位因次來計算。 …

而EMC、EDV一factor及EDV—gain則是相關的參數可利用預設的邊界條件而獲得。 ^

邊界條件（1)設定在環境溫度25°C以50%電池容量，放電速率由完整充電至放電至電池管理晶片中的保護電路關閉放電為止，放電過程中則全程繪出放電曲線。以一實施例而言，例如筆記型電腦所用的電池，其約由3串的電池所組成，典型容量為44〇〇mAHr，則 f電速率設定在2200mA的電流下連續放電，電池管理 ^曰^中的保護電路關閉放電時每串電池約為3V。此時 ^電池的總串接端電壓即視為在25。〇下的EDV〇。而 =V2則由放電曲線找出（或依據積分方法計算出）。另 =邊界條件⑵及⑶’可分職在環境溫度做下，使用相同條件求出。當然，上述的邊界條件之酿度僅為說明舉例方便而已，並請注意是環境 =又，而非電池表面溫度。且非用以限定本發明之範 Π因τί ,據上述方法，將5°C、25°C及45°C分別求出3個仏值即Qt1、Qt2、Qti值，而放電電j代入上述的22_A。依據上述的⑴式及(Η) 9 1300999 式各有兩個未知數即（1)式中有EMC及EDV—gain。而 (Π)式中有EMC、EDV一factor可將所得的邊界條件放入即可，因此，只要兩個邊界條件即可。因此，當假設上述EDV2及EDV0的經驗公式和放電曲線完全一致時，則二個二元一次方程式理應只用兩個邊界條件即可。但應注意的是上述公式畢竟乂是經驗公式，因此，多放一個中間值溫度（室温），量I 放電曲線，用以在當所量得的放電曲線偏離經驗公式日進行修正。依據本發明的實驗數據顯示，偏離值多在κ驗的谷终誤差之内（典型為5%以下）。在容許誤差範圍内時，則上述方法計算出的EMC、EDV_gain、 ED^f^actor參數值就予以接受。若超出時二則以第一及第二放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、 ED^factor參數值及第二及第三放電曲線為基礎重新 ^算 EMC、EDV—gain、EDV—factor 參數值。三組 EMC、二組ED\Lgain、三組EDV—factor，再分別取其平均值。當EMC、EDV^gain、EDV一factor三個參數利用上述邊界條件下的放制線取得之後，制用明之電便可修正在任意放魏流及溫度下的截止放電電壓。學習過程中’必需注意以下圖二所示為電池EDV曲線量度可靠度檢驗流保放電曲線是可靠的·· U王用以確首先，如步驟1所示：檢查電池充飽⑽_，若不··檢查是否完全放電，若否，則回到重電it …緊接著，如步驟3所示鳴電池放甚丕否連、、只（即，不可以在放電過程中又被充電），德的雷重新’的步驟，最後，再檢查被放電表面溫度必須仍超過5。匚。若否，則仍重 t、°目Ϊ過i述步驟的檢驗後，電池EDV曲線的量度才不反視為可的。本么明的糸統1〇架構請參照圖三，包含一 A%(类負 b匕數5轉換器)15、- CPU(中央處理單元)2〇，一時脈產生态25，一 R〇M(唯讀存取記憶體)3〇、一界面35及LED 40。其中Smbus界面35和主機38連接。主機了以疋葦^己型電腦的主機板或筆記型電腦的充電器。時脈產生器25提供CPU 20運作的時脈。依據本 $明的方法，時脈產生器25在一預設的固定時間，就提供一中斷給CPU 20，由於這個中斷是由時脈產生器 25所產生的如圖四所示的脈波信號。這些脈波信號的周期約為0· 5秒(但不必然是），在脈波信號為低時，觸發CPU產生中斷（interrupt)的接腳，以產生中斷，因此稱為 RTC(real time clock)中斷，CPU 20 在每一次RTC中斷時輸出入界面將主機(h〇st)之電池相關資料，像是電池的溫度、目前的負載電流(放電電流)及電池的電壓值經ADC 15轉換為數位後，由CPU 20讀 ^ ’再以ROM内預存的程式計算電池的殘餘電能，計算結果存於暫存器或記憶體内。當SMBus(smart battery management;智慧型電池管理）界面35動作時，CPU會依據暫存器的内容將殘餘電能顯示於led 1300999

上。主機也可以經由SMBus介面35將殘餘電能讀出。詳細地說，當電流流過一已知的負載電阻值時，只要取得負載電阻的跨壓的類比信號，再經過仙c 的轉換為數位信號時，CPU 20只要根據這個數位的大小就可得知負載電流值。而電池的電壓值則^ 池的端電壓經ADC15的轉換也可以得知，再提供給 CPU20。而電池的溫度則由溫度感測器例如小型/的偶得到電動勢，電動勢經由ADC15的轉換提供給”、、 CPU20 ’就可以得知電池的温度。cpu則依據&的位信號（即電池溫度、負載電流及電池的電壓值經 15轉換後的信號)計算電池的殘餘電能。 μΓ，言，電池容量係以多少毫安培小時_r) 异早位，即若要達到確實監控電池的殘餘電量， t RTC中斷的時間，就必需加以校正。依據的方法’如上述每次RTC中斷是固定長度的，約二ΐϊΐΐ是真f的時間’因此’本發明的_内，汁式在出廠前就先作時間校正，即在一數額的RTC中斷後，例如120個RTC中斷，利用章换 =參考時脈，或已知的時鐘，校正每一 RTC的機，依據本發明的方法，晶體振盪器可以不用 $而J較低價的晶體振盪器即可。在求得真正的日吊電池殘餘電能可_庫倫計算法來計算流〜出電池的電容量。更詳細地說就是：一電池剩餘容量=電池充滿時的電荷量+電池〜進的電荷量-電池放電岐荷量_電池自我放 12

1300999 電的電荷量所謂電荷量，就是電流對時間的積分，即利用通過電阻的電壓來計算電流。若電壓差為負值則視為敌電’將放電容量存放於放電暫存器DC(discharge counter)中，若為正值則視為充電，將充電容量存放於充電暫存器CC(charge counter)中，在不考慮電池自我放電的條件下，CC與DC的差值就是整體電池的剩 _ 餘容量 RM(remaining capacity，RM=CC-DC)。本發明有以下優點： (1) 依據本發明的方法，使用二個二元一次的經驗 • 公式，即可估算出電池的截止放電電壓，配合CPU與 ADC量測電池的電壓、電流、温度以及三個參數值EMC、 » EDV__gain、EDV一factor 〇 (2) 本發明的方法使用低階CPU即可輕易的完成池截止放電電壓的計算，將可有效地將電池容量管理系統低價化。本發明雖以較佳實例闡明如上，然其並非用以限定本發明精神與發明實體僅止於上述實施例爾。是以，在不脫離本發明之精神與範圍内所作之修改，均應包含在下述申請專利範圍内。【圖式簡單說明】 13

1300999 藉由以下洋細之描述結合所附圖式，將可輕易明瞭上此項發明之諸多優點，其中：圖一為電池之放電曲線示意圖。圖二為電池EDV曲線量度可靠度檢驗流程。圖二為電池監測裝置的方塊示意圖。圖四所示為脈波信號。

2〇 CPU(中央處理單元） 3〇 ROM(唯讀存取記憶體) 40 LED 【主要元件符號說明】 15 ADC(類比數位轉換器） 25時脈產生器 3 5 SMBus 界面 1-3為EDV曲線量度可靠度檢驗流程

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Claims

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μ

十、申請專利範圍： 1 一種依據放電電流及環境温度修正電、、也截止放雷雷 ==的方法’其中該，2為電之放電曲線_中，該放電鱗由平緩至下彎的轉折處之端電壓， =為放ΐ曲線中電_餘電量為G%時之電池端電壓，該方法至少包含下列步驟·· 池錢至飽和，於第—特定溫度下，以第- 進行第一放電曲線量測’再由該第一放電曲線疋出弟一組EDV2及EDV0 ; 將電池再充電至飽和，於第二特定溫度下，以相，之該第-物電流進行第二放電曲線量測，再由該弟二放電曲線定出第二組EDV2及EDV0 ; 以5亥第一組EDV2及EDV0及第二組EDV2及EDV0 代入以下經驗公式（I)及（II) (I) EDV2=EMC*(256-(放電電流 /64+Qt)*EDV—gain/256)/256 (II) EDV0=EMC*(256-(放電電流/64+ Qt)*EDV—factor/256)/256 ^ 其中 QT= [480一(τ—5)*1〇]*8/256 且以放電電流= 第一定額電流以毫安培為單位，而T分別為第一特定溫度及第二特定溫度（以。C為單位）為邊界條件，計算出 EMC、EDV___gain、EDV—factor 參數值；利用該經驗公式（I)及（Π)計算在該電池使用範圍下任意放電電流及環境溫度的EDV2及EDV0。 2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之第一特定溫度及第二特定溫度分別為環境溫度5°c、25°C及45 15 < 5 )· 1300999

c的其中任選兩個温度。 3. 如申請專利範圍第2項之方法，更包含在第三特定溫度下，以相同之該第-定_流進行進行第三放電曲線量測，再由该第二放電曲線定出第三組EDV2 &EDV〇，代入上述之 (I)、（II)兩式，當所得之 EMC、EDV—gain、ED〇act〇r 參數值和以該第一及第二放電曲線所得之EMC、EDV_gain、 EDV—factor參數值偏離值低於5%誤差值以内，則接受之，若超出時’則以第一及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、 EDV一gain、EDV_factor參數值及第二及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV—gain、EDV—factor參數值。 4. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之第一定額電流，係以放電一小時後達電池容量的40至60%的電流量放電速率持續放電。 5. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之放電曲線量測量度前電池必須在電池電量飽和時才進行。 6. 如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之放電曲線量測電池放電過程電池必須是連續放電下進行，不可以中途被充電。 16 1300999 w年ϋ修(更)正1沿丁:| 7.如申請專利範圍第1項之方法，其中上述之放電曲線量測電池放電過程電池表面溫度不可以低於5°C下進行。