电池剩余容量的运算方法和组合电池 【技术领域】
本发明涉及一种准确计算电池剩余容量的运算方法和内置运算电路的组合电池。背景技术
能够计算并显示电池剩余容量的电子仪器非常方便用户使用。采用这种装置，用户在使用电子仪器时就可推测剩余地使用时间。对于这种电器装置来说能尽量准确显示电池的剩余容量非常关键。这是因为如果错误地显示剩余容量，则出现显示有电而实际已经不能使用，或者显示没电但实际还能使用等不符合实际的情况。
电池剩余容量的显示方法有，用以Ah表示的电流量表示的方法和用以Wh表示的电能表示的方法。用Ah表示剩余容量方法中，如果电池的电压下降，需要修正电压下降并换算成消耗电力。例如，即使剩余容量是充满容量的50％，电池的电压一下降，以Wh表示的剩余容量不到50％。因此，即使装在消耗固定电能的电器装置上的电池的Ah剩余容量为50％，使用时间也不到总使用时间的一半。这是因为由于电池的电压下降，为了供给规定电能而增加电流而致的。与此相对，用Wh表示剩余容量的方法中，当剩余容量变为充满电容量的50％后，安装在消耗规定电能的电器装置上时，使用时间为一半。即用Wh的电能表示剩余容量的方法具有即使电池的电压下降也能准确推测使用时间的特点。
用电能计算电池剩余容量时，从充满状态减去按电能计算的放电容量，或者从充电容量中减去电能的放电容量。电能的放电容量可按时间计算放电电流、电压和放电效率之积进行计算。
按时间计算放电电流、电压和放电效率之积的放电容量与电池实际的放电容量并不等同，有一些误差。尤其是放电电流变动时，计算的放电容量与实际的放电容量之间易产生误差。这是由于放电效率随放电电流发生大幅度的变动而造成的。发明内容
本发明的目的是解决这些问题，提供一种可以更准确地计算放电容量，并以高精度计算剩余容量的剩余容量运算方法和组合电池。
本发明技术方案1的电池的剩余容量运算方法是根据电池的放电电流与电压之积的累计值计算电池的放电容量，用电能计算剩余容量。剩余容量运算方法是通过检测电池的内部电阻，在利用电池的放电电流与电压之积的累计值计算的放电容量运算值上加上内部电阻消耗的电能的累计值，由此计算电池的放电容量，并由该放电容量计算剩余容量。
本发明技术方案7的组合电池具备由电池的放电电流与电压之积的累计值计算电池放电容量，以电能计算剩余容量的运算电路2。运算电路2在测定电池的内部电阻的同时，在利用电池放电电流与电压之积的累计值计算的放电容量运算值上加上内部电阻消耗的电能的累计值，由此计算电池的放电容量，并由该放电容量计算剩余容量。
本发明的电池剩余容量运算方法和组合电池能够从电池充电电流与电压之积的累计值计算的充电容量运算值中减去内部电阻消耗的电能的累计值，由此计算充电容量，并计算剩余容量。该剩余容量运算方法和组合电池不仅对放电容量，在充电容量的运算中也考虑到内部电阻消耗的电能，因此可以更准确地运算电池的剩余容量。
电池的内部电阻可通过测定电池的释放电压和电池充电时的充电电压及充电电流，进行计算。而电池的内部电阻可以通过测定电池放电时的放电电压及放电电流而进行计算。
放电容量运算值可以从电池的放电电流、电压和放电效率的之积的累计值计算。进而也能利用电池的充电电流、电压和充电效率之积的累计值计算充电容量运算值。附图说明
图1是本发明实施例的组合电池的框图。
图2是电池等效电路的电路图。
图中，
1二次电池
2运算电路
3保护电路
4开关元件
5温度保险丝
6电流检测电阻
7记忆电路
8温度传感器具体实施方式
下面根据附图说明本发明的实施例。下面所示实施例是将本发明技术思想具体化的方法和装置，本发明的方法和装置并不限于此。
另外，在本说明书中，为了便于理解权利要求书的内容，将在实施例中出现的各部件对应符号标记在权利要求部分和技术方案部分。但是，并不等于将权利要求书中所述的部件限定在实施例中的部件。
图1所示的组合电池具备二次电池1、用电能计算该二次电池1的剩余容量的运算电路2、电池保护电路3、受保护电路3控制的开关元件4、与开关元件4串联的温度保险丝5和检测电池电流的电流检测电阻6。
二次电池1中串联或者并联有一个或多个二次电池1。二次电池是指能充电的所有电池，例如，锂离子二次电池、镍-氢电池、镍-镉电池等。
运算电路2用电能(Wh)计算电池的剩余容量。可从电池充满状态减去放电容量计算出剩余容量，或者从充电容量减去放电容量进行计算。新电池的电池充满容量为额定容量。但是，电池的充满容量随着使用而减少。因此，运算电路2统计电池充放电的次数来修正充满容量。另外，从完全放电状态累计计算充电容量来修正充满容量，用电池电压检测电池完全放电状态。另外，也可由电池电压检测电池充满状态。锂离子二次电池中电压一达到设定电压就认为已处于充满状态。镍-氢电池、镍-镉电池是电压达到峰值电压、或检测出由峰值电压下降ΔV时，即认为处于充满状态。
图2表示电池的等效电路。如该图所示，电池的内部电阻是串联连接的。在该等效电路中，将电池的输出电压设为VO，放电电流设为IL，内部电阻设为RL，供给负荷的电能设为P时，供给负荷的电能P满足下式。
P＝VO×IL
由运算电路2累计计算输出电压VO和电流IL之积，可计算出供给负荷的电能。但是，由电池输出的电能不仅被负荷所消耗，也被其内部电阻消耗。内部电阻消耗的电能为内部电阻电阻值乘上电流平方值。内部电阻消耗的电能变为RL×IL2。例如，将电池的内部电阻RL设为70mΩ，电池的平均输出电压VO设为3.7V，放电电流IL设为2A时，负荷消耗的电能P为3.7×2＝7.4W。这时，内部电阻消耗0.07×2×2＝0.28W的电能。内部电阻消耗的电能相当于负荷消耗电能的3.8％。因此，运算电路2只累计计算负荷的电能消耗，则会发生3.8％的误差。
运算电路2为了准确计算放电容量，在负荷消耗的电能上加上内部电阻消耗的电能累计值。负荷消耗的电能可通过电池的放电电流IL和电压VO之积的累计值进行计算。为了更加准确地计算负荷消耗的电能，运算电路2由电池的放电电流、电压与放电效率之积的累计值计算放电容量运算值，在该放电容量运算值上加上内部电阻消耗的电能的累计值，并由此计算电池的放电容量。
当将放电效率设为η时，运算电路2累计计算〔VO×IL×η〕，计算负荷消耗的放电容量运算值。进而，运算电路2累计计算〔RL×IL×IL〕，计算内部电阻消耗的电能的累计值。相加内部电阻消耗的电能的累计值与负荷消耗的电能，计算放电容量。
准确计算放电容量后，从满充容量中减去放电容量，就能计算电池的剩余容量。另外，运算电路2也能从充电容量中减去放电容量计算剩余容量。这时，运算电路2利用电池的充电电流与电压之积的累计值计算充电容量。此时，由充电器供给电池的电能并不能全部被电池充电使用。充电电能的一部分因内部电阻而消耗。因此，在计算电池的充电容量时，先计算内部电阻消耗的电能累计值，再从累计计算充电电能而得的充电容量运算值中减去该值。充电时，当充电电流设为IC时，内部电阻消耗的电能的累计值是累计计算〔RL×IC×IC〕而得出。当电池供给电压设为VO，充电效率设为η时，充电容量运算值是通过累计计算〔VO×IC×η〕而得出。
运算电路2为了计算内部电阻消耗的电能的累计值，计算内部电阻的电阻值。检测电池未充放电时的释放电压(VOPEN)和电池充电时的充电电压(VO)及充电电流(IC)，按下式计算内部电阻(RL)。
RL＝(VOPEN-VO)/IC
也可以通过检测出电池的释放电压、电池放电时的放电电压及放电电流，计算电池的内部电阻。这时，检测电池未放电时的电压-释放电压(VOPEN)和电池放电时的放电电压(VO)及放电电流(IL)，按下式计算电池的内部电阻(RL)。
RL＝(VOPEN-VO)/IL
考虑到温度和时间会引起电池的劣化，运算电路2也能修正已计算的内部电阻。一般状态下，二次电池1的电池性能随使用逐渐劣化。特别是在恶劣的使用环境下，其劣化尤为严重。电池一劣化其内部电阻也发生变化。因此，运算电路2能够以电池的使用温度和时间等作为参数修正内部电阻值。图1所示组合电池具有记忆电路7，该记忆电路7将温度和时间引起的劣化系数作为EEPROM参数值进行记忆。运算电路2通过检测的温度和时间和记忆电路记忆的劣化系数修正内部电阻。可用温度传感器检测电池温度。
检测与电池串联的电流检测电阻6的电压，就能检测充电电流和放电电流。放电电流(IL)和充电电流(IC)与电流检测电阻(RS)两端产生的电压(ER)成比例，可用下式计算。
IL＝ER/RS IC＝ER/RS
图中的组合电池可保护电池不受过充电、过放电和过电流的影响，还具备防止电池温度过高的保护电路3。保护电路3通过控制开关元件4的通断来保护电池。当电池剩余容量用完而变成过放电状态时，保护电路3就会使开关元件4断开，停止放电，充满电时开关元件4断开充电即停，而且过电流时也断开开关元件4，遮断过电流，当由温度传感器8检测的电池温度比设定温度高时，也断开开关元件4以切断电流。
图中的组合电池因开关元件4与温度保险丝5串联，当电池温度过高时，会熔断温度保险丝5，切断电流。
本发明的电池剩余容量运算方法和组合电池的优点是能更为准确地计算放电容量并高精度地计算剩余容量。这是由于本发明的剩余容量运算方法和组合电池中，可以在利用电池的放电电流和电压之积的累计值计算的放电容量运算值上加上电池内部电阻消耗的电能的累计值，来计算电池的放电容量。本发明中在计算放电容量时考虑到了电池内部电阻消耗的电能，，所以实际放电容量与计算的放电容量的误差极小，能够更准确地计算放电容量，并以高精度计算电池剩余容量。
本发明技术方案2的剩余容量运算方法和技术方案8的组合电池，是从电池充电电流和电压之积的累计值计算的充电容量运算值中减去电池内部电阻消耗的电能的累计值来计算充电容量，所以，不仅能准确地计算放电容量，也能更准确地计算充电容量，可高精度地计算电池的剩余容量。