TWI585429B - 估計電池容量的方法 - Google Patents

Description

估計電池容量的方法

本發明有關於一種庫倫演算法，且特別是一種估計電池容量的方法，其基於庫倫演算法提升量測電池容量的精準度。

電子裝置中常具有電池，用以提供內部工作元件運作的電力。然而，電池容量的多寡影響著電子裝置可以運作的時間長度，因此，需要對於電池容量的加以估計。

前述提及電子裝置的電池容量通常可利用查找表獲得，如電池電壓查表法。由於電池的電壓會隨著負載變動，當電流低於一個門檻值時電池電壓的跳動才不會過大大，才能取樣到正確的電池電壓。依據先前技術可以將傳統的電池電量估計方式歸類為以下三種。第一種方式是，單純電池電壓查表法：此種情況的缺點是，測得的電壓會跳動，所以有可能電池容量有可能是忽大忽小，例如75%->80%->65%->77%的跳動。第二種方式是，電流低於門檻值才利用測得的電壓進行查表，然而，此種情況的缺點是必須一直等待電流低於門檻值，但有可能很長一段時間(如30分鐘)甚至到電池沒電都沒低於門檻值。第三種方式是，單純使用庫倫演算法：此種方法是不斷重複地(或者間隔時間)偵測此電池的電流流量，並將多次電流的取樣結果進行累計累加(即是對時間進行積分)，就可以知道到底耗用了多少的電量。然後，再將開機時所測得的電池容量減去所耗的電量，就能取得目前電池所剩的電池容量。此第三種方法的優點是，電池容量是線性的下降，但缺點是， 取樣到的電池電流並非是電子裝置使用時的平均電流(取樣瞬間的電流無法代表電子裝置所有運行時間的電流)，如此可能造成對所耗的電量估計過大或過小的偏差現象。

又例如美國專利(US Patent)號US9,146,280的先前技術所述，其只有在電池達到待機狀態(idle)時，對電池進行開路電壓偵測，並利用查找表獲得電池容量。在電池並未達到待機狀態時，則利用庫倫演算法計算耗用電量。

然而，隨著科技的進展，對於電池容量的估計的需求越趨精準。上述所提及的先前技術所使用的電池容量估計方法各有缺點，且也可能造成的精準度不符合需求的問題。

本發明實施例提供一種估計電池容量的方法，基於庫倫演算法以及配合適當的校正條件，使經過校正後的電池容量能夠與實際電池容量相近。

本發明實施例提供一種估計電池容量的方法，執行於具有電池的電子裝置，所述電池具有電流與電壓。此方法包括以下步驟。判斷校正條件是否滿足。當校正條件不滿足時，進行庫倫演算法以將電池的電流進行累加以獲得估計耗用電量，並將電池的先前容量減去估計耗用電量，以獲得估計電池容量。當校正條件滿足時，偵測電池之電壓，且將測得的電池的電壓對照於查找表，以獲得電池的電池容量，藉此校正電池容量。

綜上所述，本發明實施例提供一種估計電池容量的方法，藉由在校正條件滿足時重新量測電池電壓，以校正電池容量。據此，經過校正後的電池容量能夠與實際電池容量相近。

為使能更進一步瞭解本發明之特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明之詳細說明與附圖，但是此等說明與所附圖式僅係用來說明本發明，而非對本發明的權利範圍作任何的限制。

S1、S2、S3、S4‧‧‧曲線

4a、4a’‧‧‧電量下降曲線段

4b‧‧‧垂直線段

4c‧‧‧校正後的電池容量

S100、S110、S120、S130、S140、S150‧‧‧步驟流程

300‧‧‧電子裝置

310‧‧‧電池

320‧‧‧運算處理單元

330‧‧‧顯示單元

340‧‧‧電壓偵測單元

350‧‧‧電流偵測單元

360‧‧‧儲存單元

+‧‧‧正端

-‧‧‧負端

400‧‧‧正常校正

500‧‧‧調整校正條件

600‧‧‧立即校正

圖1是利用本發明實施例提供的估計電池容量的方法估計電池容量相較於傳統的庫倫演算法估計電池容量與實際電池容量的示意圖。

圖2是本發明實施例提供的估計電池容量的方法的流程圖。

圖3是本發明實施例提供的電子裝置的功能方塊圖。

圖4是本發明另一實施例提供的估計電池容量的方法的狀態圖。

〔估計電池容量的方法之實施例〕

請參照圖1，圖1是利用本發明實施例提供的估計電池容量的方法估計電池容量相較於傳統的庫倫演算法估計電池容量與實際電池容量的示意圖。在圖1中，實際電池容量以曲線S1表示，使用傳統庫倫演算法所估計的電池電量以曲線S2、S3表示。基於傳統的庫倫演算法。在某些情況下，例如電子裝置大量耗電時，使得在使用庫倫計數法取樣電流值時，因連續的取得了較大的電流值，耗電量計算時數值較實際值大，因此所估計得到的電池容量也就會偏小，如圖1的曲線S2所示。然而，如果連續取得了較小的電流量(例如電子裝置正在待機)，耗電量計算時數值較實際值小，如此所估計得到的電池容量也就會偏大，如圖1的曲線S3所示。相較於傳統的方法，利用本實施例所述的估計電池容量的方法，在電池的電流較低時(低於門檻值)，重新量測電池電壓以校正顯示的電池容量。如此，經過校正後所得到(或顯示)的電池容量就會與實際電池容量相近，如圖1中的曲線S4所示。本實施例的估計電池容量的方法基於庫倫演算法進一步提升量測電池容量的精準度，其詳細步驟將於以下敘述。

請參照圖2，圖2是本發明實施例提供的估計電池容量的方法 的流程圖。估計電池容量的方法執行於具有電池的電子裝置，所述電池在供電給電子裝置時具有可測得的電流與電壓。此方法所述的電池例如是二次電池，二次電池具有放電後可再進行充電、再放電的反覆充放電性質。目前常見的電子產品經常使用如鋰離子電池之類的二次電池。然而，本發明並不因此限定估計電池容量的方法所適用的電池的種類。此方法包括以下步驟。首先，在步驟S100中，獲得電池的初始容量。由於在進行庫倫演算法之前，需要得知電池的初始容量，因此進行步驟S100。步驟S100的執行方式例如是，將電池的電壓對照於查找表(Look-up Table)，以獲得電池的初始容量。此步驟的進行時機例如是電子裝置初始開機時(或啟動時)，也就是在電子裝置一開始運行時即獲得初始容量。關於所使用的查找表，將於後續的步驟S140一併說明。

然後，在步驟S110中，進行庫倫演算法以將電池的電流進行累加以獲得估計耗用電量，並將電池的先前容量減去估計耗用電量，以獲得並顯示估計電池容量。在此時，所述的先前容量是電池的初始容量。關於電池的電流的取樣方式，在實際應用時，可以利用習知的電流取樣電路(或電流偵測單元)取樣電池的電流，並將取樣的電流對時間積分以獲得估計的耗用電量。例如，可以每隔一段時間週期(例如1秒，但不限於此)對電池的電流進行取樣，但本發明並不因此限定。同時參照圖1，其中每一段平緩的電量下降曲線段4a或4a’的電量變化都是經由步驟S110進行庫倫演算法所估計得的耗用電量。若電量下降曲線段(例如：下降曲線段4a)在曲線S1之上時，代表在這個對應時間區間所估計的電池電量是偏大。另一方面，若電量下降曲線段在曲線S1之下時(例如：下降曲線段4a’)，代表在這個對應時間區間所估計的電池電量是偏小。經由步驟S110，顯示的電池容量是估計電池容量，例如是圖1中的下降曲線段4a、4a’所對應的電池容量的數值(可能偏大或偏小)。然而，也基於上述的說明可知，利用庫倫演算法所獲得的電 池容量可能不準確，故需進行後續的校正步驟。參照圖1，圖1中的曲線S4顯示電池容量的變化過程是類似於步階式的曲線，其中垂直線段4b是經過後續的校正程序而產生的電池電量變化。

在步驟S110之後，進行步驟S120，判斷校正條件是否滿足。所述校正條件例如是，電池的電流是否低於一電流門檻值，或者是電子裝置的中央處理器的負荷是否低於一個預設的負荷值，所述負荷值通常是一個低運算負荷量(例如是滿載的2%、3%、或是5%)。所述校正條件也可以包括判斷校正間隔時間是否已到達，當未到達校正間隔時間，則校正條件為不滿足。然而，本發明並不因此限定校正條件的內容。

當步驟S120的校正條件不滿足時，則回到步驟S110，進行庫倫演算法以將電池的電流進行累加以獲得估計耗用電量，並將電池的先前容量減去估計耗用電量，以獲得並顯示估計電池容量。也就是所顯示的電池容量仍然是對應於圖1的曲線S4中的平緩的電量下降曲線段，如下降曲線段4a、4a’。當校正條件滿足時，利用後續步驟S130與S140的校正程序，將估計電池容量更新為校正後的電池容量。詳細的說，當校正條件滿足時，則進行步驟S130，偵測電池的電壓。電池的電壓可用習知的電壓偵測電路實現，不做贅述。接著，在步驟S140中，將測得的電池電壓對照於查找表，以利用查表方式獲得電池的電池容量，藉此校正電池容量，並顯示校正後的電池容量。例如，若先前已由步驟S110獲得估計電池容量，則步驟S140是將原本顯示估計電池容量修正為顯示電池容量，換句話說，經由步驟S130和S140後，所顯示的電池容量是經由查表而得到的(校正後的)電池容量。參照圖1的情況，垂直線段4b表示，利用校正程序，將估計的電池容量更新為校正後的電池容量4c。因此，每一次校正後的電池容量4c應該是相當接近於電池容量的實際值。經過校正後，將原本顯示下降曲線段4a的估計電池容量，更改為顯示校正後的電池容量4c。查找 表例如下列所示的一個範例，但本發明並不因此限定。

在實際應用時，在當電池的供電的電流較高(高於門檻值)時，將偵測到電池的電壓對照於查找表所得的電池容量並不正確。查找表所儲存的電池電壓與電池容量的關係資料通常是在低負載或無負載的情況所得的參數資料。由於所述校正條件代表判斷電池是在高負載或者低負載狀態，在量測電池電壓的當下，電池的負載越低則利用查找表所得到的電池容量越準確。經過步驟S130、S140的校正過程後，則再次進行步驟S110，繼續利用庫倫演算法估計電池容量，其中此時步驟S110的庫倫演算法的計算過程中電池的先前容量是經由步驟S140(的校正)而得到對照於查找表的電池容量。

另外，由於電池的電流與電壓也可能受到電池溫度影響，故在步驟S140中的查找表也可包括電池的溫度、電池的電壓與電池容量的對應關係資料。然而，本發明也並不因此限定。

在一實施例中，當校正條件是電池的電流低於電流門檻值時，電流的門檻值例如是數十毫安培(mA)，例如是50毫安培(50mA)，但本發明並不因此限定。當電池的電流非低於電流門檻 值時，則再次進行步驟S110。當電池的電流低於電流門檻值時，則進行步驟S130。所述電流的門檻值可依據實際所應用的電池容量、電池大小、溫度、或電池種類等等參數而決定，也並非一個固定數值。並且，本發明也不限定門檻值的設定方式。另一方面，當校正條件不滿足時，也可以將電流門檻值提升，將於後續圖4實施例說明。因為，當校正條件一直不滿足時，則僅用庫倫演算法所得到的估計電池容量將可能越來越不準確，故也可以調整電流門檻值，以期能得到較為準確之電池電量。

在另一實施例中，當校正條件是中央處理器(CPU)的負荷低於一負荷值時，所述負荷值例如是滿載的2%、3%、或是5%，但本發明也不因此限定。就一般具有中央處理器的電子裝置而言，例如智慧型手機，當中央處理器的負荷越低時，則代表此電子裝置此時的用電量越少，也就使得電池的輸出電流也越小，故也可利用中央處理器的負荷大小作為是否達到校正條件的依據。然而，校正條件是要選擇利用電池電流或者選擇利用中央處理器的負荷大小，可能依據電子裝置的實際應用情況而做選擇，本發明並不因此限定。

在又一實施例中，當步驟S120中的判斷校正條件包括判斷校正間隔時間是否已到達。校正間隔時間例如是5分鐘，但本發明並不因此限定。當設定校正間隔時間，則表示若未到達校正間隔時間，則步驟S120的判斷結果必定為否，即校正條件為不滿足，而進行步驟S110。也就是說，當未到達校正間隔時間(例如未達5分鐘)，則持續利用庫倫演算法(步驟S110)以獲得估計電池容量。當校正間隔時間已到達，且電池電流低於電流門檻值(或者中央處理器的負荷低於負荷值)，則進行校正程序(步驟S130、S140)。參照圖1的例子，下降曲線段4a經過每隔一段時間之後會產生垂直線段4b，圖1中的兩個相鄰的垂直線段4b的時間差就是校正間隔時間，其中圖1的例子是假設當校正間隔時間已到達時，電池電 流也剛好低於電流門檻值(或者中央處理器的負荷低於負荷值)，因此能進行校正程序。以圖1的例子而言，當設定適當的校正間隔時間，由圖1中每一段平緩的下降曲線段4a(或4a’)可知，在相隔兩次的校正步驟(S130、S140)之間，利用庫演算法所得到的估計電池容量的變化應不會像曲線S2和曲線S3明顯偏離電池容量的實際值(曲線S1)。然而，本發明並不限定校正間隔時間為固定不變的值，校正間隔時間也可以是可以調整的參數。另外，當校正間隔時間已到達時，而電池電流卻未低於電流門檻值的情況，則可參照後續圖4實施例的說明，其利用調整校正條件而達成校正的目的。

基於上述圖2的流程，本實施例的估計電池容量的方法可例如執行於圖3所示的具有電池310的電子裝置300。在本實施例中，所述電子裝置例如是智慧型手機、筆記型電腦或平板電腦等，所述電池是智慧型手機、筆記型電腦或平板電腦內的鋰離子電池，但本發明並不因此限定。所述電子裝置也可以是任何具有電池的其他種類或具有其他功能的電子裝置。電子裝置300包括電池310、運算處理單元320、顯示單元330、電壓偵測單元340、電流偵測單元350與儲存單元360。運算處理單元320耦接並控制顯示單元330、電壓偵測單元340與電流偵測單元350。顯示單元330用於顯示電池電量。上述各單元與元件的連接關係僅是用於幫助說明，並非用於限定本發明。

本實施例的估計電池容量的方法執行於電子裝置時的判斷和演算的步驟是利用運算處理單元320實現，例如步驟S100、S110、S120、S140。而步驟S130則可由運算處理單元320控制電壓偵測單元340而完成。運算處理單元320例如是微控制器(MCU)或中央處理器(CPU)。為了讓使用者能夠知道電子裝置300的電池容量，電子裝置320設置有顯示單元330，顯示單元330可受控於運算處理單元320以接收並顯示電池容量，即執行步驟S110中的顯 示估計電池容量或步驟S140的顯示電池容量。顯示單元330例如是液晶顯示器、發光二極體顯示器、有機發光二極體顯示器等，但本發明並不限定電子裝置300的顯示單元330的種類。

電壓偵測單元340用於偵測電池310的正端(+)及負端(-)的電壓差。電流偵測單元350用於偵測電池310供電給此電子裝置300時所產生的電流。在實際應用時，為了偵測電池的電壓與電流，電壓偵測單元340可包括電壓取樣電路，電流偵測單元350可包括電流取樣電路，電壓取樣電路與電流取樣電路是所屬技術領域具有通常知識者的習知技術，不做贅述。而本實施例所使用的查找表則儲存於電子裝置300的儲存單元360，如非揮發性記憶體。

接著，請參照圖4，是本發明另一實施例提供的估計電池容量的方法的狀態圖。當在正常校正狀態400，校正條件例如是電池的電流門檻值低於50毫安培，而正常取樣狀態則進行圖2的流程，已如前述。若校正條件包括校正間隔時間為5分鐘，若經過多次校正條件的判斷(例如25分鐘後)，電池的電流都沒低於門檻值，即多次不滿足校正條件，則狀態改變至調整校正條件500。在調整校正條件500的狀態中，可增加電流門檻值，例如由50毫安培增加為55毫安培(電流門檻值增加5毫安培)，在其他實施例中也可以一次增加20毫安而變為70毫安培，但本發明並不因此限定。再者，在調整校正條件500的狀態中，若又過了5分鐘，電流仍然沒有低於電流門檻值(不滿足校正條件)的55毫安培，則再次增加電流門檻值，電池的電流都沒低於電流門檻值，再次將電流門檻值上調到60毫安培。然而，電流門檻值也須設定一個上限值，也就是即使增加電流門檻值但不允許超過所述上限值。依據電子裝置的設計，能事先預估合理的電流門檻值的上限，設定電流門檻值的上限可以確保利用查找表獲得電池電量的數值不會過於偏差。也就是說，可多次上調電流門檻值。直到電流門檻值的上限，在本實施例中，電流門檻值的上限例如為100毫安培，但本發明 並不因此限定。反之，若電池的電流已低於電流門檻值，則代表校正條件已滿足，因此回到正常校正400的狀態。另外，回到正常校正400的狀態後，電流門檻值也可以設定回到初始的電流門檻值，如50毫安培。

另一方面，在正常校正400的狀態，若中央處理器(CPU)的負荷降低至低於一個設定的負荷值時，則可以改變至立即校正600的狀態，即立即執行步驟S130及步驟S140，在取樣電池的電壓並獲得校正後的電池電量後，則回到正常校正400的狀態。簡言之，圖4實施例的狀態圖可視為：利用電池的電流門檻值作為執行如圖1的流程的正常校正，而遇到電池的電流未低於電流門檻值時(經過一次或重複多次步驟S120之後)，則可改變電流門檻值(改變校正條件)。並且，除了利用電池電流作為校正與否的依據，也在當中央處理器(CPU)的負荷低於設定的負荷值時，立即對電池電壓進行取樣，以立即進行一次校正，然後再回到利用電流門檻值作為正常取樣(400)的判斷依據。

〔實施例的可能功效〕

綜上所述，本發明實施例所提供的估計電池容量的方法，基於庫倫演算法以及配合適當的校正條件，重新量測電池電壓來校正電池容量，而可取得更精確的(剩餘)電池容量，避免因電子裝置的誤判而在使用者預期之外造成電量耗盡而使資料遺失。

以上所述僅為本發明之實施例，其並非用以侷限本發明之專利範圍。

S100、S110、S120、S130、S140、S150‧‧‧步驟流程

Claims (10)

1. 一種估計電池容量的方法，執行於具有一電池的一電子裝置，該電池具有一電流與一電壓，該方法包括：判斷一校正條件是否滿足；當該校正條件不滿足時，進行庫倫演算法以將該電池的該電流進行累加以獲得一估計耗用電量，並將該電池的一先前容量減去該估計耗用電量，以獲得一估計電池容量；當該校正條件滿足時，偵測該電池之該電壓，且將測得的該電池的該電壓對照於一查找表，以獲得該電池的一電池容量，並將該估計電池容量更新為透過該查找表獲得的該電池容量；以及當多次不滿足則該校正條件時，調整該校正條件的內容。
2. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該電池的該先前容量為該電池的一初始容量或對照於該查找表的該電池容量。
3. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該校正條件包括該電池的該電流低於一電流門檻值。
4. 根據請求項第3項之估計電池容量的方法，更包括：當該校正條件不滿足時，將該電流門檻值提升。
5. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該校正條件包括該電子裝置的一中央處理器的負荷低於一負荷值。
6. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，更包括：利用一顯示單元顯示該估計電池容量或者是校正後的該電池容量。
7. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該查找表包括該電池的該電壓與該電池容量的對應關係資料。
8. 根據請求項第1或3項之估計電池容量的方法，其中該校正條件包括判斷一校正間隔時間是否已到達，當未到達該校正間隔時間，則該校正條件為不滿足。
9. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該電池是二次 電池。
10. 根據請求項第1項之估計電池容量的方法，其中該電子裝置是智慧型手機、筆記型電腦或平板電腦。