TWI528043B

TWI528043B - 電池之電量狀態及健康狀態的估測電路

Info

Publication number: TWI528043B
Application number: TW103135441A
Authority: TW
Inventors: 王朝欽; 盧文哲; 曾民佑
Original assignee: 國立中山大學
Priority date: 2014-10-14
Filing date: 2014-10-14
Publication date: 2016-04-01
Also published as: US9817076B2; US20160103181A1; TW201614257A

Description

電池之電量狀態及健康狀態的估測電路

本發明是關於一種估測電路，特別是關於一種電池之電量狀態及健康狀態的估測電路。

近年來基於個人行動裝置、電動車及綠色能源的發展，其主要的儲能元件-電池之相關技術的研發越趨重要。其中於車用電池中，為了行車安全，使用者必須準確地掌握電池的一些相關資訊，最重要的部分就是掌握電池目前的殘存電量以及健康狀態，使電動車的使用者可得知電池的截止充電、截止放電或更換電池的時機。

目前電池殘量估測技術包含放電測試法(Discharge Test)、開路電壓法(Open Circuit Voltage Measuring)、內阻值偵測法(Internal Resistance Measuring)、有載電壓法(Loaded Voltage Measuring)、電解液濃度量測法(Electrolyte Concentration Measuring)、庫侖積分法(Coulomb Counting Method)等多種技術，但由於影響電池充放電特性的因素眾多，且電池的種類繁多，相異之電池種類的充放電特性亦不相同，因此，除了針對單一電池種類進行估測電路的設計外，若要使估測電路能達到高精準又能適用多種種類電池則需要極高的成本，並以特殊應用積體電路實現，而較難應用於可攜式個人行動裝置上。

此外，由於電池釋能時是將化學能轉換為電能而對負載進行放電，理論來說一額定容量為2000mAh的電池，若其放電電流大小為2A時，可以持續放電一小時，同理，若放電電流大小為1A時，則應該可持續放電兩小時。但實際上，電池內部的化學反應速度會來不及提供所需的電能大小，因此，隨著放電電流的提升，電池所能供應的總電量越小，這就是電流的加乘效應，加乘效應造成電池於放電時是等同於以一大於原放電電流的加成效應電流進行放電，而加乘效應電流又稱為恢復電流(Recovery current)，使得習知技術若以電池之放電電流對時間的積分估測電池電量時，會因電流的加乘效應，而造成所預估之充放電電量值小於實際之電量值，這會導致於充電時雖然偵測電路顯示電池尚未完全充電，但實際上電池已過度充電的情形，以及放電時雖然偵測電路顯示電池尚有足夠之電量，但實際上電池已經無殘存電量的情形發生。

本發明的主要目的在於提供一種可適用於多種種類電池的電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其藉由控制電路根據所接受之電壓訊號、電流訊號及重置訊號而操作於不同模式中，將所估測之電量值儲存於不同的暫存器中，以偵測電池的電量狀態及健康狀態。

本發明的次要目的在於藉由電流估測電路進行修正型庫侖積分法，其中電流估測電路對所偵測得到的電流訊號進行加成修正後，再透過庫侖積分電路積分，使得庫侖積分電路所積分之電流可接近實際之恢復電流，而可得到更加精準的電量估測值。

本發明之一種電池之電量狀態及健康狀態的估測電路包含一控制電路、一電流估測電路、一開路電壓偵測電路、一選擇多工器及一電量計算電路。該控制電路接收一重置訊號、一電壓訊號及一電流訊號，且該控制電路根據該重置訊號、該電壓訊號及該電流訊號決定其輸出之一電量計算重置訊號、一估測選擇訊號、一過電壓致能訊號、一普通狀態致能訊號、一低電壓致能訊號及一電流估測重置訊號的電位高低，該電流估測電路具有一電流修正電路及一庫侖積分電路，該電流修正電路接收該電流訊號，其中該電流修正電路將該電流訊號乘上一修正參數並輸出一修正電流訊號，該庫侖積分電路接收該修正電流訊號及該控制電路之該電流估測重置訊號，該庫侖積分電路對該修正電流訊號積分，以輸出一估測電量值，該開路電壓偵測電路接收該電壓訊號，該開路電壓偵測電路根據該電壓訊號輸出一初始電量值，該選擇多工器接收該控制電路之該估測選擇訊號、該電流估測電路之該估測電量值及該開路電壓偵測電路之該初始電量值，且該選擇多工器輸出一估測電量訊號，其中該選擇多工器根據該估測選擇訊號決定其輸出之該估測電量訊號等於該估測電量值或該初始電量值，該電量計算電路具有一過電壓暫存器、一普通狀態暫存器及一低電壓暫存器，該過電壓暫存器接收該估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該過電壓致能訊號，該普通狀態暫存器接收該估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該普通狀態致能訊號，該低電壓暫存器接收估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該低電壓致能訊號，其中該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器分別由該過電壓致能訊號、該普通狀態致能訊號及該低電壓致能訊號的控制決定是否儲存該估測電量值，其中，該普通狀態暫存器儲存的一訊號與該低電壓暫存器儲存的一訊號之間的差值為一電池殘存電量訊號，該過電壓暫存器儲存的一訊號與該低電壓暫存器儲存的該訊號之間的差值為一電池健康狀態訊號。

本發明藉由該控制電路操作於六種模式下以分別將該初始電量值或該估測電量值儲存於該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器中，以求得電池之電量狀態及健康狀態，且藉由該電流估測電路之該電流修正電路對該電流訊號修正，使其能更接近恢復電流，而使該庫侖積分電路可更精準地估測電池之電量值。

請參閱第1及2圖，為本發明之一實施例，一種電池之電量狀態及健康狀態的估測電路100，其用以量測一電池組的電量狀態(State of charge)及健康狀態(State of health)，該電池之電量狀態及健康狀態的估測電路100包含一控制電路110、一電流估測電路120、一開路電壓偵測電路130、一選擇多工器140一電量計算電路150及一分頻器180。

請參閱第1圖，該控制電路110接收一重置訊號reset、一電壓訊號V_BAT(t_n)及一電流訊號I_BAT(t_n)，該重置訊號reset由使用者透過一人機介面(圖未繪出)下指令給予該控制電路110，該電壓訊號V_BAT(t_n)及該電流訊號I_BAT(t_n)則分別可藉由一電流偵測器及一電壓偵測器量測該電池組之電流及電壓後透過數位類比轉換器轉換為數位訊號而得，其中，請參閱第7圖，該控制電路110根據該重置訊號reset、該電壓訊號V_BAT(t_n)及該電流訊號I_BAT(t_n)的大小決定其輸出之一電量計算重置訊號reset_MCU、一估測選擇訊號sel_predit、一過電壓致能訊號EN_H、一普通狀態致能訊號EN_NN、一低電壓致能訊號EN_L及一電流估測重置訊號reset_CCEA的電位高低而操作於六種模式下。

請參閱第2圖，該電流估測電路120具有一電流修正電路160及一庫侖積分電路170，該電流修正電路160接收該電流訊號I_BAT(t_n)，該電流修正電路160將該電流訊號I_BAT(t_n)乘上一修正參數N並輸出一修正電流訊號I_CALIB(t_n)，該庫侖積分電路170接收該修正電流訊號I_CALIB(t_n)及該控制電路110之該電流估測重置訊號reset_CCEA，該庫侖積分電路170對該修正電流訊號I_CALIB(t_n)積分，以輸出一估測電量值Q_CALIB(t_n)。該電流估測電路120藉由該電流修正電路160將該電流訊號I_BAT(t_n)乘上該修正參數N而得到該修正電流訊號I_CALIB(t_n)，可使該修正電流訊號I_CALIB(t_n)更接近該電池組之恢復電流(Recovery current)，而可更精準的估測得該電池組的電量值。

請參閱第5圖，在本實施例中，該修正參數N的求得方式是藉由預先之實驗，將該電池組以定電流充電至一充電截止電壓，轉為以定電壓充電至充電電流小於100mA後，再分別以不同大小之定值放電電流將該電池組放電至一放電截止電壓，並記錄其放電時間，而該電池組之恢復電流則可透過下式計算：透過該電池組的額定容量及其放電至該放電截止電壓的放電時間求得該電池組的恢復電流，而修正參數N則可透過下式計算：透過恢復電流與放電電流之間的比例關係，求出數個放電電流對應之該修正參數N，再藉由曲線擬合法(Curve fitting)求出放電電流與該修正參數N之間的關係式，其中該實驗值與該修正參數N的關係圖如第5圖所示，因此，將偵測得到之放電電流乘上相對應之該修正參數N後即可得到實際等效之恢復電流。

請參閱第2圖，在本實施例中，該電流修正電路160具有一電流解碼器161、一對照表162、一第一多工器163及一第一乘法器164，該電流解碼器161接收該電流訊號I_BAT(t_n)，並對該電流訊號I_BAT(t_n)進行解碼以產生一符號位元sign及一解碼電流訊號I_BATCD(t_n)，該第一多工器I63接收該解碼電流訊號I_BATCD(t_n)，而該對照表162即為第5圖中放電電流與該修正參數N之間的關係式，在本實施例中，該第一多工器163根據該解碼電流訊號I_BATCD(t_n)的5個最高有效位(5MSB)及該對照表162求得對應之該修正參數N，該第一乘法器164將該解碼電流訊號I_BATCD(t_n)乘上該修正參數N後再進行適當之位元位移，留下所需之位元數後得到該修正電流訊號I_CALIB(t_n)，該修正電流訊號I_CALIB(t_n)則可相當接近於該電池組之該恢復電流，以使該庫侖積分電路170能更準確地積得該電池組的電量，而可避免估測得到之電量值比實際之電量值低，藉由該對照表162得到對應之該修正參數N的方式可使本發明應用於不同種類之電池時，僅須改變該對照表162中所儲存的數值即可使該電流估測電路120適用於不同種類之電池。

請參閱第2圖，在本實施例中，該庫侖積分電路170具有一第一暫存器171、一第二暫存器172、一第二乘法器173、一第一加法器174及一第三暫存器175，該第一暫存器171接收該電流解碼器161之該符號位元sign及一第一時脈訊號CLK_1，該第一暫存器171透過該第一時脈訊號CLK_1的觸發儲存該符號位元sign，該符號位元sign用以判別該修正電流訊號I_CALIB(t_n)的正負值並輸入至該第一加法器174，以決定該電池組於充電時，該庫侖積分電路170是持續累加電量值，並使該電池組於放電時，該庫侖積分電路170是持續遞減電量值。該第二暫存器172接收該修正電流訊號I_CALIB(t_n)及該第一時脈訊號CLK_1，並透過該第一時脈訊號CLK_1的觸發儲存該修正電流訊號I_CALIB(t_n)，該第二乘法器173接收該第二暫存器172所儲存之該修正電流訊號I_CALIB(t_n-1)及一取樣時間△t並將該修正電流訊號I_CALIB(t_n-1)及該取樣時間△t相乘而得到一乘積訊號I_CALIB(t_n-1)△t，該第一加法器174將該乘積訊號I_CALIB(t_n-1)△t加上一原估測電量值Q_CALIB(t_n-1)而得到該估測電量值Q_CALIB(t_n)，該第三暫存器175接收該估測電量值Q_CALIB(t_n)、該第一時脈訊號CLK_1、該電流估測重置訊號reset_CCEA及一當前電量值Q_N(t_n)，以透過該第一時脈訊號CLK_1的觸發儲存該估測電量值Q_CALIB(t_n)，該電流估測重置訊號reset_CCEA用以重置該第三暫存器175，該當前電量值Q_N(t_n)作為該第三暫存器175的預設值，且該第三暫存器175輸出該原估測電量值Q_CALIB(t_n-1)。該庫侖積分電路170藉由該第二暫存器172、該第二乘法器173、該第一加法器174及該第三暫存器175達成對該修正電流訊號I_CALIB(t_n)的積分，以估得該電池組之於一時間內的充放電電量值。

請參閱第1及3圖，在本實施例中，該開路電壓偵測電路130是以查表的方式求得該電池組之開路電壓所對應之充電電池容量，請參閱第6圖，其數值的取得是藉由預先之實驗，將該電池組以定電流充電至一充電截止電壓，轉為以定電壓充電至充電電流小於100mA後，分別以不同大小之定值放電電流，逐次地將該電池組放電至其額定容量的90%、80%、70%、60%、50%、40%、30%、20%、10%及0%，並記錄對應之開路電壓大小，而其實驗數值則如第6圖所示，由圖中可以看到該電池組之充電電池容量與該開路電壓之間的關係可區分為三個區域，分別為充電電池容量100%~50%、50%~20%及20%~0%，且充電電池容量100%~50%及50%~20%的區域幾乎為線性關係。

請參閱第3圖，在本實施例中，該開路電壓偵測電路130具有一第一運算單元131、一第二運算單元132、一第三運算單元133、一比較器134、一第二多工器135、一第三乘法器136及一第二加法器137，該第一運算單元131接收該電壓訊號V_BAT(t_n)以計算一第一電池電量狀態Q₁，該第二運算單元132接收該電壓訊號V_BAT(t_n)以計算一第二電池電量狀態Q₂，該第三運算單元133接收該電壓訊號V_BAT(t_n)以計算一第三電池電量狀態Q₃，其中該第一運算單元131、該第二運算單元132及該第三運算單元133分別對應至第6圖的三個區域，由於充電電池容量100%~50%及50%~20%的區域幾乎為線性關係，因此，該第一運算單元131及該第二運算單元132是以線性計算的方式得到該電壓訊號V_BAT(t_n)對應之電量值，而該第三運算單元133則是以查表的方式得到該電壓訊號V_BAT(t_n)對應之電量值。該第二多工器135接收該第一電池電量狀態Q₁、該第二電池電量狀態Q₂及該第三電池電量狀態Q₃，該比較器134接收該電壓訊號V_BAT(t_n)，且該比較器134根據該電壓訊號V_BAT(t_n)輸出一比較訊號S_com，該比較器134用以判斷該電壓訊號V_BAT(t_n)是落於第6圖的哪個區域，以控制該第二多工器135選擇地輸出該第一電池電量狀態Q ₁、該第二電池電量狀態Q ₂或該第三電池電量Q ₃狀態至該第三乘法器136，該第三乘法器136再將所接收之訊號乘上一電池總電量值Q _SOC(t _n)並透過該第二加法器137加上該低電壓暫存器153儲存的該訊號而得到該初始電量值Q _{N_initial}(t _n)。其中，將該電池組之充電電池容量與開路電壓之關係分為三個區間僅為本實施例所示，在其他種類之電池，則須依其實驗之數據設定。

請參閱第1圖，該選擇多工器140接收該控制電路110之該估測選擇訊號sel_predit、該電流估測電路120之該估測電量值Q _CALIB(t _n)及該開路電壓偵測電路130之該初始電量值Q _{N_initial}(t _n)，且該選擇多工器140輸出一估測電量訊號Q _predit，其中該選擇多工器140根據該估測選擇訊號sel_predit決定其輸出之該估測電量訊號Q _predit等於該估測電量值Q _CALIB(t _n)或該初始電量值Q _{N_initial}(t _n)。

請參閱第1及4圖，該電量計算電路150具有一過電壓暫存器151、一普通狀態暫存器152及一低電壓暫存器153，該過電壓暫存器151接收該估測電量訊號Q _predit、該電量計算重置訊號reset_MCU及該過電壓致能訊號EN_H，該普通狀態暫存器152接收該估測電量訊號Q _predit、該電量計算重置訊號reset_MCU及該普通狀態致能訊號EN_N，該低電壓暫存器153接收估測電量訊號Q _predit、該電量計算重置訊號reset_MCU及該低電壓致能訊號EN_L，其中該過電壓暫存器151、該普通狀態暫存器152及該低電壓暫存器153分別由該過電壓致能訊號EN_H、該普通狀態致能訊號EN_N及該低電壓致能訊號EN_L的控制決定是否儲存該估測電量訊號Q _predit，且該過電壓暫存器151、該普通狀態暫存器152及該低電壓暫存器153接收一第二時脈訊號CLK_1K，以藉由該第二時脈訊號CLK_1K的觸發而儲存該估測電量訊號Q _predit，其中，該普通狀態暫存器152儲存的一當前電量值Q _N(t _n)與該低電壓暫存器153儲存的該低電壓電量值Q _L(t _n)之間的差值為一電池殘存電量訊號Q _SOC(t _n)，該過電壓暫存器151儲存的一過電壓電量值Q _H(t _n)與該低電壓暫存器153儲存的該低電壓電量值Q _L(t _n)之間的差值為一電池健康狀態訊號Q _SOH(t _n)。

請參閱第1圖，該第一時脈訊號CLK_1及該第二時脈訊號CLK_1K是由該分頻器180輸出，該分頻器180接收一輸入頻率訊號CLKin_1K，並將該輸入頻率訊號CLKin_1K分頻為該第一時脈訊號CLK_1及該第二時脈訊號CLK_1K。其中該第一時脈訊號CLK_1的頻率與該第二時脈訊號CLK_1K的頻率不相同，較佳的，該第二時脈訊號CLK_1K的頻率大於該第一時脈訊號CLK_1的頻率，在本實施例中，該第一時脈訊號CLK_1的頻率為1Hz，該第二時脈訊號CLK_1K的頻率為1kHz，請參閱第2圖，由於該庫侖積分電路170須經由該第二乘法器173及該第一加法器174的計算得到該估測電量值Q _CALIB(t _n)，因此，該第一時脈訊號CLK_1的頻率較低可避免該庫侖積分電路170的運算時間過長。

請參閱第1及7圖，本發明之電路作動主要是操作於六種模式，該控制電路110根據該重置訊號reset、該電壓訊號V _BAT(t _n)及該電流訊號I _BAT(t _n)分別操作於一重置模式、一開路電壓緩衝模式、一開路電壓模式、一過電壓模式、一低電壓模式及一普通模式。其中該控制電路110根據該重置訊號reset決定是否進入該重置模式，使用者可設定當該控制電路110接收之該重置訊號reset為高電位或低電位時進入該重置模式，此時，該控制電路110輸出之該電量計算重置訊號reset_MCU及該電流估測重置訊號reset_CCEA為高電位，因此，請參閱第2及5圖，該庫侖積分電路170之該第三暫存器175以及該電量計算電路150之該過電壓暫存器151、該普通狀態暫存器152及該低電壓暫存器153分別被該電量計算重置訊號reset_MCU及該電流估測重置訊號reset_CCEA重置。

請參閱第1及7圖，當該控制電路110所接收之該電流訊號I_BAT(t_n)小於一預設值(負載端可視為開路，該預設值則視該電池組的容量決定)，且該電壓訊號V_BAT(t_n)無法於一預設時間中維持穩定時，該控制電路110進入一開路電壓緩衝模式，此時，該電量計算重置訊號reset_MCU、該過電壓致能訊號EN_H、該普通狀態致能訊號EN_N及該低電壓致能訊號EN_L為低電位，以關閉該過電壓暫存器151、該普通狀態暫存器152及該低電壓暫存器153，並等待該電壓訊號V_BAT(t_n)穩定。

請參閱第1及7圖，當該控制電路110所接收之該電流訊號I_BAT(t_n)小於該預設值，且該電壓訊號V_BAT(t_n)於該預設時間中維持穩定時，該控制電路110進入該開路電壓模式，該電量計算重置訊號reset_MCU及該估測選擇訊號sel_predit為低電位，該控制電路110輸出之該估測選擇訊號sel_predit使該選擇多工器140輸出之該估測電量訊號Q_predit等於該初始電量值Q_{N_initial}，且該普通狀態致能訊號EN_N上升為高電位，使該估測電量訊號Q_predit被儲存於該普通狀態暫存器152中，此時，該普通狀態暫存器152中所儲存的該當前電量值Q_N(t_n)即為該開路電壓偵測電路130藉由該電壓訊號V_BAT(t_n)所對應得到的該初始電量值Q_{N_initial}(t_n)，也可代表為當前該電池組的殘存電量。

請參閱第1及7圖，當該控制電路110所接收之該電壓訊號V_BAT(t_n)大於該充電截止電壓時，該控制電路110進入該過電壓模式，該電流估測重置訊號reset_CCEA為低電位，使該庫侖積分電路170進行電量值的積分，該估測選擇訊號sel_predit為高電位，且該估測選擇訊號sel_predit使該選擇多工器140輸出之該估測電量訊號Q_predit等於該估測電量值Q_CALIB(t_n)，該過電壓致能訊號EN_H及該普通狀態致能訊號EN_N上升至高電位，使該估測電量訊號Q_predit被儲存於該過電壓暫存器151及該普通狀態暫存器152中，請參閱第1、2及4圖，由於在上述之該開路電壓模式中，該初始電量值Q_{N_initial}(t_n)已被儲存於該普通狀態暫存器152中，因此，於該過電壓模式中，該庫侖積分電路170能以該當前電量值Q_N(t_n)做為初始值進行電量值的積分並將其儲存於該過電壓暫存器151及該普通狀態暫存器152中，此外，由於在本模式中該電壓訊號V_BAT(t_n)大於該充電截止電壓，因此，該過電壓暫存器151所儲存之該過電壓電量值Q_H(t_n)可作為該電池組當前所能被儲存的最大電量值。

請參閱第1及7圖，當該控制電路110所接收之該電壓訊號V_BAT(t_n)小於該放電截止電壓時，該控制電路110進入該低電壓模式，該電流估測重置訊號reset_CCEA為低電位，使該庫侖積分電路170進行電量值的積分，該估測選擇訊號sel_predit為高電位，且該估測選擇訊號sel_predit使該選擇多工器140輸出之該估測電量訊號Q_predit等於該估測電量值Q_CALIB，該低電壓致能訊號EN_L及該普通狀態致能訊號EN_N上升至高電位，使該估測電量訊號Q_predit被儲存於該低電壓暫存器153及該普通狀態暫存器152中，由於在本模式中該電壓訊號V_BAT(t_n)小於該充電截止電壓，因此，該低電壓暫存器153所儲存之該低電壓電量值Q_L(t_n)可作為該電池組當前所能被儲存的最小電量值。

請參閱第1及7圖，當該控制電路110所接收之該電壓訊號V_BAT(t_n)不小於該放電截止電壓且不大於該充電截止電壓時，該控制電路110進入該普通模式，該電流估測重置訊號reset_CCEA為低電位，使該庫侖積分電路170進行電量值的積分，該估測選擇訊號sel_predit為高電位，且該估測選擇訊號sel_predit使該選擇多工器140輸出之該估測電量訊號Q_predit等於該估測電量值Q_CALIB(t_n)，該普通狀態致能訊號EN_N上升至高電位，使該估測電量訊號Q _predit被儲存於該普通狀態暫存器152中，此時，該普通狀態暫存器152所儲存的該當前電量值Q _N(t _n)代表為該電池組當前的電量值。

請參閱第4圖，由於該過電壓暫存器151所儲存之該過電壓電量值Q _H(t _n)可作為該電池組當前所能被儲存的最大電量值，且該低電壓暫存器153所儲存之該低電壓電量值Q _L(t _n)可作為該電池組當前所能被儲存的最小電量值，因此，該過電壓電量值Q _H(t _n)與該低電壓電量值Q _L(t _n)之間的差值為該電池組之該電池健康狀態訊號Q _SOH(t _n)。此外，由於該普通狀態暫存器152所儲存的該當前電量值Q _N(t _n)代表為該電池組當前的電量值，因此，該當前電量值Q _N(t _n)與該低電壓電量值Q _L(t _n)之間的差值為該電池組之該電池殘存電量訊號Q _SOC(t _n)，而該電池組的電量狀態(State of charge)則可將該電池殘存電量訊號Q _SOC(t _n)除上該電池健康狀態訊號Q _SOH(t _n)而得。

請參閱第1圖，該電池之電量狀態及健康狀態的估測電路100另具有一多工器190，該多工器190接收該電池殘存電量訊號Q _SOC(t _n)、該電池健康狀態訊號Q _SOH(t _n)、該過電壓電量值Q _H(t _n)、該當前電量值Q _N(t _n)、該低電壓電量值Q _L(t _n)及一輸出選擇訊號Dout_sel，該輸出選擇訊號Dout_sel由該使用者透過該人機介面輸入，以決定該多工器190輸出的一輸出訊號dataout為該電池殘存電量訊號Q _SOC(t _n)、該電池健康狀態訊號Q _SOH(t _n)、該過電壓電量值Q _H(t _n)、該當前電量值Q _N(t _n)或該低電壓電量值Q _L(t _n)並顯示於該人機介面上。

本發明藉由該控制電路110操作於六種模式下以分別將該初始電量值Q _{N_initial}(t _n)或該估測電量值Q _CALIB(t _n)儲存於該過電壓暫存器151、該普通狀態暫存器152及該低電壓暫存器153中，以求得電池之電量狀態及健康狀態，且藉由該電流估測電路120之該電流修正電路160對該電流訊號I _BAT(t _n)修正，使其能更接近恢復電流，而使該庫侖積分電路170可更精準地估測電池之電量值。

本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。

100‧‧‧電池之電量狀態及健康狀態的估測電路
110‧‧‧控制電路
120‧‧‧電流估測電路
130‧‧‧開路電壓偵測電路
131‧‧‧第一運算單元
132‧‧‧第二運算單元
133‧‧‧第三運算單元
134‧‧‧比較器
135‧‧‧第二多工器
136‧‧‧第三乘法器
137‧‧‧第二加法器
140‧‧‧選擇多工器
150‧‧‧電量計算電路
151‧‧‧過電壓暫存器
152‧‧‧普通狀態暫存器
153‧‧‧低電壓暫存器
160‧‧‧電流修正電路
161‧‧‧電流解碼器
162‧‧‧對照表
163‧‧‧第一多工器
164‧‧‧第一乘法器
170‧‧‧庫侖積分電路
171‧‧‧第一暫存器
172‧‧‧第二暫存器
173‧‧‧第二乘法器
174‧‧‧第一加法器
175‧‧‧第三暫存器
180‧‧‧分頻器
190‧‧‧多工器
reset‧‧‧重置訊號
V_BAT(t_n)‧‧‧電壓訊號
I_BAT(t_n)‧‧‧電流訊號
I_CALIB(t_n)‧‧‧修正電流訊號
reset_MCU‧‧‧電量計算重置訊號
sel_predit‧‧‧估測選擇訊號
EN_H‧‧‧過電壓致能訊號
EN_N‧‧‧普通狀態致能訊號
EN_L‧‧‧低電壓致能訊號
reset_CCEA‧‧‧電流估測重置訊號
Q_CALIB(t_n)‧‧‧估測電量值
Q_{N_initial}(t_n)‧‧‧初始電量值
Q_SOC(t_n)‧‧‧電池殘存電量訊號
Q_SOH(t_n)‧‧‧電池健康狀態訊號
N‧‧‧修正參數
CLK_1‧‧‧第一時脈訊號
Δt‧‧‧取樣時間
I_CALIB(t_n-1)Δt‧‧‧乘積訊號
Q_predit‧‧‧估測電量訊號
CLK_1K‧‧‧第二時脈訊號
Q_H(t_n)‧‧‧過電壓電量值
Q_N(t_n)‧‧‧當前電量值
Q_L(t_n)‧‧‧低電壓電量值
Q1‧‧‧第一電池電量狀態
Q2‧‧‧第二電池電量狀態
Q3‧‧‧第三電池電量狀態
S_com‧‧‧比較訊號
Dout_sel‧‧‧輸出選擇訊號
dataout‧‧‧輸出訊號
I_BATCD(t_n)‧‧‧解碼電流訊號
Q_CALIB(t_n-1)‧‧‧原估測電量值
CLKin_1K‧‧‧輸入頻率訊號

第1圖：依據本發明之一實施例，一種電池之電量狀態及健康狀態的估測電路的功能方塊圖。第2圖：依據本發明之一實施例，一電流估測電路之功能方塊圖。第3圖：依據本發明之一實施例，一開路電壓偵測電路之功能方塊圖。第4圖：依據本發明之一實施例，一電量計算電路之功能方塊圖。第5圖：依據本發明之一實施例，放電電流與修正參數之關係圖。第6圖：依據本發明之一實施例，充電電池容量及開路電壓之關係圖。第7圖：依據本發明之一實施例，一控制電路於不同模式下對應之各個訊號的數值。

100‧‧‧電池之電量狀態及健康狀態的估測電路

110‧‧‧控制電路

120‧‧‧電流估測電路

130‧‧‧開路電壓偵測電路

140‧‧‧選擇多工器

150‧‧‧電量計算電路

180‧‧‧分頻器

190‧‧‧多工器

reset‧‧‧重置訊號

V_BAT(t_n)‧‧‧電壓訊號

I_BAT(t_n)‧‧‧電流訊號

reset_MCU‧‧‧電量計算重置訊號

sel_predit‧‧‧估測選擇訊號

EN_H‧‧‧過電壓致能訊號

EN_N‧‧‧普通狀態致能訊號

EN_L‧‧‧低電壓致能訊號

reset_CCEA‧‧‧電流估測重置訊號

Q_CALIB(t_n)‧‧‧估測電量值

Q_{N_inital}(t_n)‧‧‧初始電量值

Q_SOC(t_n)‧‧‧電池殘存電量訊號

Q_SOH(t_n)‧‧‧電池健康狀態訊號

CLK_1‧‧‧第一時脈訊號

Q_predit‧‧‧估測電量訊號

CLK_1K‧‧‧第二時脈訊號

Q_H(t_n)‧‧‧過電壓電量值

Q_N(t_n)‧‧‧當前電量值

Q_L(t_n)‧‧‧低電壓電量值

Dout_sel‧‧‧輸出選擇訊號

dataout‧‧‧輸出訊號

CLKin_1K‧‧‧輸入頻率訊號

Claims

一種電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其包含：一控制電路，接收一重置訊號、一電壓訊號及一電流訊號，且該控制電路根據該重置訊號、該電壓訊號及該電流訊號決定其輸出之一電量計算重置訊號、一估測選擇訊號、一過電壓致能訊號、一普通狀態致能訊號、一低電壓致能訊號及一電流估測重置訊號的電位高低；一電流估測電路，具有一電流修正電路及一庫侖積分電路，該電流修正電路接收該電流訊號，其中該電流修正電路將該電流訊號乘上一修正參數並輸出一修正電流訊號，該庫侖積分電路接收該修正電流訊號及該控制電路之該電流估測重置訊號，該庫侖積分電路對該修正電流訊號積分，以輸出一估測電量值，其中該修正參數的計算式為：該恢復電流的計算式為：一開路電壓偵測電路，接收該電壓訊號，該開路電壓偵測電路根據該電壓訊號輸出一初始電量值；一選擇多工器，接收該控制電路之該估測選擇訊號、該電流估測電路之該估測電量值及該開路電壓偵測電路之該初始電量值，且該選擇多工器輸出一估測電量訊號，其中該選擇多工器根據該估測選擇訊號決定其輸出之該估測電量訊號等於該估測電量值或該初始電量值；以及一電量計算電路，具有一過電壓暫存器、一普通狀態暫存器及一低電壓暫存器，該過電壓暫存器接收該估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該過電壓致能訊號，該普通狀態暫存器接收該估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該普通狀態致能訊號，該低電壓暫存器接收估測電量訊號、該電量計算重置訊號及該低電壓致能訊號，其中該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器分別由該過電壓致能訊號、該普通狀態致能訊號及該低電壓致能訊號的控制決定是否儲存該估測電量訊號，其中，該普通狀態暫存器儲存的一訊號與該低電壓暫存器儲存的一訊號之間的差值為一電池殘存電量訊號，該過電壓暫存器儲存的一訊號與該低電壓暫存器儲存的該訊號之間的差值為一電池健康狀態訊號。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中該電流修正電路具有一電流解碼器、一對照表、一第一多工器及一第一乘法器，該電流解碼器接收該電流訊號，並對該電流訊號進行解碼以產生一符號位元及一解碼電流訊號，該第一多工器接收該解碼電流訊號，且該第一多工器根據該解碼電流訊號及該對照表輸出該修正參數，該第一乘法器將該解碼電流訊號乘上該修正參數而得到之該修正電流訊號。
如申請專利範圍第2項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中該庫侖積分電路具有一第一暫存器、一第二暫存器、一第二乘法器、一第一加法器及一第三暫存器，該第一暫存器接收該電流解碼器之該符號位元及一第一時脈訊號，該第二暫存器接收該修正電流訊號及該第一時脈訊號以儲存該修正電流訊號，該第二乘法器接收該第二暫存器所儲存之該修正電流訊號及一取樣時間並將該修正電流訊號及該取樣時間相乘而得到一乘積訊號，該第一加法器將該乘積訊號加上一原估測電量值而得到該估測電量值，該第三暫存器接收該估測電量值及該第一時脈訊號以儲存該估測電量值，且該第三暫存器輸出該原估測電量值。
如申請專利範圍第3項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器接收一第二時脈訊號，以藉由該第二時脈訊號的觸發，使該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器儲存該估測電量訊號。
如申請專利範圍第4項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其另包含一分頻器，該分頻器輸出該第一時脈訊號及該第二時脈訊號，其中該第一時脈訊號的頻率小於該第二時脈訊號的頻率。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中該開路電壓偵測電路具有一第一運算單元、一第二運算單元、一第三運算單元、一比較器、一第二多工器、一第三乘法器及一第二加法器，該第一運算單元接收該電壓訊號以計算一第一電池電量狀態，該第二運算單元接收該電壓訊號以計算一第二電池電量狀態，該第三運算單元接收該電壓訊號以計算一第三電池電量狀態，該第二多工器接收該第一電池電量狀態、該第二電池運算狀態及該第三電池電量狀態，該比較器接收該電壓訊號，且該比較器根據該電壓訊號輸出一比較訊號以控制該第二多工器輸出該第一電池電量狀態、該第二電池運算狀態或該第三電池電量狀態至該第三乘法器，該第三乘法器再將所接收之訊號乘上一電池總電量值並透過該第二加法器加上該低電壓暫存器儲存的該訊號而得到該初始電量值。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路根據該重置訊號而進入一重置模式時，該控制電路輸出之該電量計算重置訊號及該電流估測重置訊號為高電位，以重置該電流估測電路及該電量計算電路。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路所接收之該電流訊號小於一預設值，且該電壓訊號無法於一預設時間中維持穩定時，該控制電路進入一開路電壓緩衝模式，其中該電量計算重置訊號、該過電壓致能訊號、該普通狀態致能訊號及該低電壓致能訊號為低電位，以關閉該過電壓暫存器、該普通狀態暫存器及該低電壓暫存器。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路所接收之該電流訊號小於一預設值，且該電壓訊號於一預設時間中維持穩定時，該控制電路進入一開路電壓模式，其中該控制電路輸出之該估測選擇訊號使該選擇多工器輸出之該估測電量訊號等於該初始電量值，且該普通狀態致能訊號上升為高電位，使該估測電量訊號被儲存於該普通狀態暫存器中。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路所接收之該電壓訊號大於一充電截止電壓時，該控制電路進入一過電壓模式，其中該控制電路輸出之該估測選擇訊號使該選擇多工器輸出之該估測電量訊號等於該估測電量值，且該過電壓致能訊號及該普通狀態致能訊號上升至高電位，使該估測電量訊號被儲存於該過電壓暫存器及該普通狀態暫存器中。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路所接收之該電壓訊號小於一放電截止電壓時，該控制電路進入一低電壓模式，其中該控制電路輸出之該估測選擇訊號使該選擇多工器輸出之該估測電量訊號等於該估測電量值，且該低電壓致能訊號及該普通狀態致能訊號上升至高電位，使該估測電量訊號被儲存於該低電壓暫存器及該普通狀態暫存器中。
如申請專利範圍第1項所述之電池之電量狀態及健康狀態的估測電路，其中當該控制電路所接收之該電壓訊號不小於一放電截止電壓且不大於一充電截止電壓時，該控制電路進入一普通模式，其中該控制電路輸出之該估測選擇訊號使該選擇多工器輸出之該估測電量訊號等於該估測電量值，且該普通狀態致能訊號上升至高電位，使該估測電量訊號被儲存於該普通狀態暫存器中。