用于次级电池的剩余容量计算方法和电池组 【技术领域】
本发明涉及一种用于次级电池的剩余容量计算方法和电池组。
背景技术
在各种电气设备中使用包含多个次级电池的电池组，并且，广为人知的是，布置电气设备的机体以便通过从发光二极管等闪烁或脉动地发光来将电池组的剩余容量通知给用户。例如，在用于广播台的摄录一体机(摄录一体机：摄像机和录像机的缩写)的情况中，它们的商业应用需要以一定的精度显示或通知剩余容量。
作为检测次级电池的充电容量(charge capacity)的方法，一种通过求电流或电功率地积分来获得充电容量的积分方法是公知的。当使用次级电池时(在充当、放电时)，测量此时的电压和电流，并通过将电压乘以电流来积分已使用的电功率。然后，通过获得次级电池的积分电功率和可放电电功率之间的比率来计算该次级电池的剩余容量比率。
日本公开专利申请第7-198807号公开了基于电池的消耗电流和电池的温度来计算电池剩余容量。
【发明内容】
然而，利用积分方法的电功率积分方法的缺点是：在放电终止阶段(放电的最后阶段)期间，剩余容量计算的误差大。例如，即使剩余容量显示为0％，也有可能使用电气设备，而即使剩余容量显示为5％，也存在该电气设备不能供使用的可能性。对于专业设备，这可能构成相当大的缺点。
由于测量误差的累积、由热量损耗等导致的无功电功率的产生、以及由次级电池的DC阻抗(在下文中简称为DC-Imp)增大导致的有效电功率的损耗，放电最后阶段的剩余容量计算误差这一事实被放大。在电功率积分方法中，进行电功率的积分，使得所有类型的误差也被积分，从而放大了放电最后阶段的误差。在上述日本公开专利申请第7-198807号中，难以顾及放电最后阶段的误差被放大这一事实。
因此，对于用于电功率积分方法的剩余容量检测方法，为了提供可根据诸如负载、温度的环境计算可放电电功率、并可减小放电最后阶段的误差的用于次级电池的剩余容量计算方法和电池组，构思了本发明。
为了解决诸如上述的问题，本发明的优选实施例提供一种用于次级电池的剩余容量计算方法，其中
以预定的时间间隔测量使用次级电池时的电压和电流，并利用电压和电流的乘积来积分已使用的电功率；
通过从次级电池的放电电功率中减去能量损耗和不可用的能量来获得可供使用的可放电电功率，以及
从积分电功率和可放电电功率之间的比率获得剩余容量比率。
此外，本发明的另一优选实施例提供一种次级电池的电池组，其中，该电池组包括用于测量次级电池的电压和电流的测量单元以及剩余容量计算单元；该剩余容量计算单元以预定的时间间隔测量使用次级电池时的电压和电流；利用电压和电流的乘积来积分已使用的电功率；通过从次级电池的放电电功率中减去能量损耗和不可用能量而得到可使用的可放电电功率，并从积分电功率和可放电电功率之间的比率来计算剩余容量比率。
根据本发明的优选实施例，即使通过利用电功率积分方法的剩余容量计算方法，也有可能准确地计算可放电电功率，使得可以更准确地计算放电最后阶段的剩余容量。
【附图说明】
根据结合附图对本发明的当前优选示例实施例的以下描述，本发明的上述和其它目的、特征及优点将变得更加清楚，其中：
图1是示出可应用本发明优选实施例的电池组的结构示例的示意图；
图2是用于解释根据本发明优选实施例的剩余容量计算方法的优选实施例的处理流程的流程图；
图3是用于解释根据本发明优选实施例所使用的剩余容量参考表(reference table)和DC-Imp参考表的示例的图；
图4是用于解释可放电电功率的计算的图；
图5是示出用于获得放电终止估计点的处理流程的流程图；
图6是用于解释积分过程的流程图；以及
图7是示出使用进行余数相加的积分方法时的数据积分的示例的图表。
【具体实施方式】
在下文中，将参考附图描述本发明的优选实施例。首先参考图1，将描述使用次级电池如锂离子电池的电池组示例。在充电时，给充电器配备该电池组。+(正)端子1和-(负)端子2分别连接到充电器的+端子和-端子，并进行充电。此外，当使用电气设备时，与充电时相同，+端子1和-端子2连接到该电气设备的+端子和-端子，并进行放电。
电池组主要由电池单元7、微计算机10、测量电路11、保护电路12、开关电路4以及通信端子3a和3b构成。电池单元7是次级电池，例如锂离子电池，其中，4个次级电池串联连接。
微计算机10被布置为测量电流值，并通过使用从测量电路11输入的电压值和电流值来积分电功率。此外，利用如附图标记8所示的温度检测元件(例如，热敏电阻器)来监控电池温度。另外，将测量值等保存在如附图标记13所示的非易失性存储器EEPROM(电可擦除和可编程只读存储器)中。
测量电路11测量电池组中的电池单元7的每个单元的电压，并将测量值提供给微计算机10。此外，使用电流检测电阻器9来测量电流的大小和方向，并将测量值发送到微计算机10。所测量的温度数据被提供给微转换器10。此外，测量电路11还具有作为稳定器的功能，以稳定电池单元7的电压，并产生电源电压。
当电池单元7的任意一个的电压变为过充电检测电压时，或者当电池单元7的电压变为过放电检测电压或更小时，保护电路12通过将控制信号发送给开关电路4来防止过充电和过放电。这里，在锂离子电池的情况中，过充电检测电压被确定为4.2(V)±0.5(V)，而过放电检测电压被确定为2.4(V)±0.1(V)。
开关电路4由如附图标记5所示的充电控制FET(场效应晶体管)和如附图标记6所示的放电控制FET构成。当电池电压变为过充电检测电压时，充电控制FET 5被设置为关断，并且，对它进行控制，使得充电电流不流动。此外，在关断充电控制FET 5之后，只能通过如附图标记5a所示的内部二极管实现放电。
此外，当电池电压变为过放电检测电压时，放电控制FET 6被设置为关断，并且，对它进行控制，使得放电电流不流动。此外，在关断放电控制FET6之后，只能通过如附图标记6a所示的内部二极管来实现充电。
通信端子3a和3b用于在连接到电气设备，如商业用途的摄录一体机时，将关于电池容量的信息传送到该设备。接收到此信息以后，设备侧在诸如液晶显示器的显示单元上显示充电容量或充电率。
图2是示意性地示出利用在微计算机10中实施的电功率积分方法的剩余容量计算方法的处理流程的流程图。该剩余容量计算在连接了负载的情况下进行。将所计算的剩余容量，如剩余容量率(％)，通过通信端子3a和3b从微计算机10传送到电气设备，并按照所需在电气设备等的显示单元上显示它。
在步骤ST1，从测量电路11获取电压值和电流值。以预定的时间间隔，例如每250(ms)，获取该电压值和电流值。在步骤ST2，积分所获取的电流，并将其作为放电电流量保存。此外，通过电压×电流的运算来计算电功率，积分该电功率，并将其作为放电积分电功率保存。
在步骤ST2，从积分电流量和电池拥有的放电电流量之间的比率获得剩余容量比率(％)。换句话说，通过下式获得剩余容量比率：剩余电流比率＝100-(放电电流量/全部充电容量)×100。通过使用示出电压和剩余容量比率之间对应关系的剩余容量参考表，获得关于所计算的剩余容量比率的电压(无负载电压)。从所计算的无负载电压中减去当前测量的放电电压，并计算它们之间的差，作为IRV(由于放电电流导致的电压降)。
此外，在步骤ST3，通过使用示出DC-Imp因子和剩余容量比率之间对应关系的DC-Imp表，获得关于所计算的剩余容量比率的DC-Imp因子。DC-Imp因子是对应于电池单元7的内部直流阻抗值的值。通过将所计算的IRV除以DC-Imp因子，计算参考(reference)IRV。
图3示出了用作曲线图的表。在图3中，水平轴(横坐标轴)是剩余容量比率(％)，而纵轴(纵坐标轴)表示无负载电压和DC-Imp因子。附图标记Tb1示出剩余容量参考表的曲线，而附图标记Tb2示出DC-Imp参考表的曲线。根据要使用的电池组，预先创建这些表，并将其存储在微计算机10的存储器中。
在步骤ST3，如图3所示，获得关于某个剩余容量比率的无负载电压Va和当前放电电压Vb，并获得它们之间的差，作为IRV。
在步骤ST4，计算放电终止估计点。在步骤ST4，利用“估计放电电压＝剩余容量参考表电压(无负载电压)-参考IRV×DC-Imp因子”来计算估计放电电压。对于从剩余容量比率的0％开始的每个％(+)，得到无负载电压和DC-Imp因子，直到满足“放电终止电压≤估计放电电压”的条件为止，并且，计算条件被满足的剩余容量比率。这样得到的剩余容量比率表示电池所拥有的放电电流量的放电终止估计点。换句话说，它变为：
电池拥有的放电电流量×剩余容量比率＝可放电电流量。
接下来，在步骤ST5，计算可放电电功率。如图4所示，令横坐标轴表示放电容量，并令纵坐标轴表示电压，从次级电池(电池单元7)完全充电到放电终止的放电电压改变的曲线Q近似为y＝-ax+b1的直线(线性线)L1。这里，斜率(常数)是基于次级电池的放电曲线的数据计算的值。“a”变为根据要使用的电池组而定的值。
当完全充电时，在无负载条件下，截距b1取预定的电压值(标称电压值)。b1的值被称为负载因子，并且这个值根据温度和负载的条件而改变。根据放电电流和温度的值，负载因子变为小于标称电压值的值，并且根据放电电流和温度条件获得该负载因子。
预先创建温度因子的表，当温度升高时，温度因子取小值。从标称电压值中减去通过将放电电流和温度因子的平方根与预定数字相乘得到的乘积值，并获得负载因子。例如，即使标称电压值b1是16800(mV)，它也会下降如b2＝16496(mV)。因此，如果温度下降，则直线L1向下移动，并且可放电电功率进一步减小。如果放电电流增大，则直线L1同样向下移动。此外，通过将放电终止容量F1代入x，获得放电终止电压Ve1。放电终止容量F1根据电池组取预定的值。
因此，被直线L1、和从直线L1的放电终止电压Ve1向点F1垂直延伸的线包围的部分代表无负载时的理论可放电电功率。对于负载，存在由于负载和温度条件而不能供使用的无效容量、以及由次级电池退化(degradation)引起的容量减小(reduction)。
换句话说，从理论可放电电功率中减去由于负载电流导致的极化所产生的热量而不能供使用的电功率P1、在该负载或环境条件下不能供使用的电功率P2、以及由于电池退化而不能供使用的电功率P3，由此计算连接负载时的实际可放电电功率P4。由于有剩余容量，电功率P2可被用作电池，并因此与其它电功率P1和P3不同。
对在这里计算的可放电电功率P4和以预定时间间隔积分的电功率之间的比率进行计算，可以获得整个电池的剩余容量比率。
为了增大剩余容量比率计算的准确性，有必要以高度的准确性获得可放电电功率P4。根据本发明的优选实施例，以这样的方式来进行计算：由于上述负载和温度条件而不可用的容量、以及由于次级电池退化导致的容量减小在横坐标轴上沿负方向(向原点)移动放电终止容量。F2是这样得到的放电终止容量。
如稍后将描述的，获得放电终止估计点，并且，通过可放电容量比率(POSI比率)＝100(％)-放电终止估计点(％)而获得它。如F2所示的放电终止容量(CAPA结束)通过以下公式获得：
放电终止容量(CAPA结束)＝可放电容量比率(POSI比率)×完全充电容量
通过以下公式计算放电终止容量时的电压Ve2(放电终止电压)：
放电终止电压Ve2＝-a×放电终止容量+b2
通过上述过程，有可能得到通过将直线L1平行移动而布置的直线L2。直线L2是用于获得连接负载时的可放电电功率的直线。
微计算机10的软件以这样的方式执行上述剩余容量计算过程：例如每当以预定时间间隔输入电流、电压或温度的测量值时，都中断微计算机10。
在如上所述的本发明的优选实施例的优选实施例中，将详细描述参考IRV计算(步骤ST3)和放电终止估计点的计算过程(步骤ST4)。在如图5所示的流程图中，在步骤ST41中，根据已经以预定时间间隔例如每250(ms)执行了积分过程的结果，计算当前的剩余容量比率。
将描述特定示例。令根据当前积分值获得的放电电流量为1341(mAh)，并令完全充电容量为4400(mAh)，通过以下公式获得剩余容量比率：
剩余容量比率＝100-(放电电流量/完全充电容量)×100
＝100-(1341/4400)×100
＝69.52％
在步骤ST42，根据所得到的剩余容量比率计算此时的无负载电压(图3中的Va)，并获得IRV(由于放电电流引起的电压降)。换句话说，从剩余容量参考表中参考剩余容量比率，并获取此时的无负载电压Va。然后，通过从该电压中减去所测量的当前放电电压(图3中的Vb)来计算IRV。
例如，在剩余容量比率＝69.92％时，以及在当前放电电压Vb是14626(mV)时，通过舍去小数点以下的值，可以从剩余容量参考表中得到69％时的无负载电压Va为15615(mV)。从该表可以得到69％+1％＝70％时的无负载电压为15637(mV)。
利用以下公式的线性插值，获得对于0.52％的电压，并将其加到69％时的电压上，并计算剩余容量比率为69.52％时的电压。
电压升高
＝(70％处的无负载电压-69％处的无负载电压)/(100/小数点以下的剩余容量比率)
＝(15637-15615)/(100/52)
＝11(mV)
69.52％时的无负载电压
＝15615(mV)+11(mV)
＝15626(mV)
IRV
＝无负载电压-当前放电电压
＝15626(mV)-14626(mV)
＝1000
在步骤ST43中，从剩余容量比率中查阅此时的阻抗因子。参照DC-Imp参考表，获得对应于剩余容量比率的DC-Imp因子。当从DC-Imp参考表中进行搜索时，舍去剩余容量比率的小数点以下的值。作为示例，在剩余容量比率为69.52％的情况中，舍去小数点以下的值，并在69％处，参照DC-Imp参考表而获得DC-Imp因子＝1.00。
在步骤ST44，计算参考IRV。根据先前计算的IRV和DC-Imp因子获得该参考IRV。
参考IRV＝IRV/DC-Imp因子
例如，令IRV：1000以及DC-Imp因子：1，则获得参考IRV＝1000/1＝1000(mV)。
在步骤ST46及以下步骤中计算放电终止估计点。
估计放电电压＝剩余容量参考表电压-参考IRV×DC-Imp因子
利用这一公式，对从0％开始的剩余容量比率的每+1％来计算估计放电电压，并检查放电终止点。并且，进行搜索，直到估计放电电压符合以下公式为止：
放电终止电压≤估计放电电压
作为示例，令参考IRV：1000，并且放电终止电压：11000(mV)。此外，如图3所示，按顺序进行剩余容量比率为0％时的搜索SR0、剩余容量比率为1％时的搜索SR1、...、以及剩余容量比率为7％时的搜索SR7。
在步骤ST45，设置所检查的剩余容量比率＝0％。在步骤ST46中，得到
估计放电电压＝剩余容量参考表电压(0％)∶11000(mV)-参考IRV∶1000×DC-Imp因子∶25.11＝-14000(mV)。
在步骤ST47，确定(放电终止电压：11000(mV)≤估计放电电压：-14000(mV)是否可以接受。在此情况中，由于它是不可接受的，因此确定0％不是放电终止点。该过程移动到步骤ST48，并使所检查的剩余容量比率为+1％。再次重复步骤ST46和ST47。
在步骤ST46，得到
估计放电电压＝剩余容量参考表电压(1％)∶12427(mV)-参考IRV∶1000×DC-Imp因子∶17.29＝-4863(mV)。
在步骤ST47，确定(放电终止电压：11000(mV)≤估计放电电压：-4863(mV))是否可以接受。在此情况中，由于它是不可接受的，因此确定1％不是放电终止点。该过程移动到步骤ST48，并使所检查的剩余容量比率为+2％。再次重复步骤ST46和ST47。
如果所检查的剩余容量比率增大到3％、4％、...，以及所检查的剩余容量比率变为7％，则在步骤ST46中，得到
估计放电电压＝剩余容量参考表电压(7％)∶14416(mV)-参考IRV∶1000×DC-Imp因子∶3.33＝11086(mV)。
在步骤ST47，确定(放电终止电压：11000(mV)≤估计放电电压：11086(mV))是否可以接受。在此情况中，由于它是可接受的，因此该过程移动到步骤ST49。在步骤ST49，放电终止估计点被确定为所检查的剩余容量比率(7％)。
根据该放电终止估计点计算可放电容量比率(POSI比率)。例如，当放电终止估计点是7％时，计算
POSI比率＝100％-放电终止估计点
＝100％-7％
＝93％
根据可放电容量比率(POSI比率)计算放电终止容量(CAPA结束)。在图4中，F2是放电终止容量。
放电终止容量(CAPA结束)
＝可放电容量比率(POSI比率)×完全充电容量
例如，在可放电容量比率(POSI比率)为93％、并且完全充电容量为4400(mAh)的情况中，获得：
放电终止容量(CAPA结束)＝0.93×4400＝4092(mAh)
在图4中，当实际放电终止容量已知时，可以正确地获得可放电电功率。因此，通过根据诸如负载和温度的环境条件而从可放电电功率获得放电功率积分值的比率，可以检测到剩余容量比率。
当利用积分方法计算充电容量时，如果伴有除法过程，则通过舍位等来舍去数据中小数点以下的值，并积分舍位后的值(电流值)。这样，在积分结果中累积了误差。结果，积分电流值的准确性受到损害，并且充电比率的检测的准确性也受到损害。
为了防止误差累积，增大有效数字的数目以对付由于舍位引起的误差的方法反过来增大了所使用的微计算机的存储器数量，这可能影响该过程。此外，当微计算机的存储器不足时，不能增大有效数字的数目，而是将积分舍位后的数据，这导致损害准确性。
因而，为了尽可能地减小舍位的影响，使用根据本发明优选实施例的以下积分方法。
在测量电流值时，使用提供24倍增益的放大器和提供125倍增益的放大器，来将每个放大器的输出电压提供给微计算机10的A/D转换器，以便将其转换为数字化数据。根据电流值适当地使用每个放大器。当电流大于例如2(A)时，使用24倍放大器。当电流为2(A)或更小时，使用125倍放大器。利用这一结构，有可能减少小电流值和大电流值之间的有效数字的数目的差异。
然而，由于在通过24倍放大器获得的测量值和通过125倍放大器获得的测量值之间，数字的权重不同，因此不能将这些值简单地加到一起。那么，可以通过以下方法来减小舍位的影响：
例如，电流测量的硬件条件形成如下：
A/D参考电压(AVREF)：3000(mV)
A/D分辨率：1024(10位)
电流检测电阻器(图1的电阻器9)：5(mΩ)
在此情况下，流经电池单元7的每1(A)电流，输入到A/D转换器中的电压值为：
在24倍放大器的情况中：
5(mΩ)×1(A)×24＝120(mV/A)...(1)
在125倍放大器的情况中：
5(mΩ)×1(A)×125＝625(mV/A)...(2)
此外，A/D转换器的每1分辨率的电压灵敏度变为3000(mV)/1024＝2.930(mV)。如果将其转换为使用24倍放大器时的电流灵敏度，则其给出为：
2.930(mV)/120(mV/A)×1000≈24.41(mA)。
基于上述值，将参考图6的流程图描述积分过程的流程。
首先，当在步骤ST11中开始积分过程时，利用图1中的电流检测电阻器9来测量输入到A/D转换器中的电流值。将测量的电流值作为A/D输入值提供给微计算机10(步骤ST12)。接下来，在步骤ST13，确定是使用24倍放大器还是使用125倍放大器来测量在步骤ST12计算的输入值。当电流检测电阻器9中的电流值大于2(A)时，使用24倍放大器，而当该电流值是2(A)或更小时，使用125倍放大器。
当使用24倍放大器时，根据上述公式(1)计算A/D输入电压。例如，当放电电流是2.5(A)时，A/D输入电压为：
120(mV/A)×2.5(A)＝300(mV)。
此外，当把A/D输入电压转换为数字化数据时，A/D转换后的输入值(积分值)为：
300(mV)/2.930(mV)≈102。
当使用24倍放大器时，将所得到的积分值按原样加到积分面积中。
当使用125倍放大器时，根据上述公式(2)计算A/D输入电压。例如，当放电电流是0.8(A)时，A/D输入电压为：
625(mV/A)×0.8(A)＝500(mV)。
此外，A/D转换后的输入值(BATT_CURRENT_BIT)为：
300(mV)/2.930(mV)≈170。
当使用125倍放大器时，在步骤ST15进行转换，使得数字的权重可以与使用24倍放大器时近似，然后进行积分(对于第一积分，将先前的余数设置为0)。将A/D转换后的输入值170转换为使用24倍放大器时的输入值给出170/5.208＝32和余数3.344。通过在步骤ST16将余数的小数点以下舍去，获得：积分值为32以及余数为3，并将32加到积分面积中。
现在，将描述这样的示例，其中，当放电电流为0.8(A)时，将积分执行10次。当忽略余数并且不进行余数相加时，积分值为：32×10(次)＝320。然而，如果通过使用转换前的输入值170来计算它，则它理论上为：{170×10(次)}/5.208≈326，从而在积分值中出现大小为6的差。
然后，当进行下一计算以执行积分过程时，将在先前的除法时得到的余数相加。换句话说，将第一余数3加到在第二次获得的转换前的输入值170上，并通过转换总和值来确定第二积分值。在第三次以及以下各次中，与第二次类似，在将先前的余数加到转换前的输入值之后，对整体进行转换。
在图7中示出了多达10次的积分过程的情形。作为利用相加余数的方法执行积分过程的结果，在此示例中，积分面积的值变为326，并且没有出现误差。因此，在将先前计算时的余数加到A/D输入值之后，可以通过进行除法来尽可能多地减小舍位的影响。
此外，由于没有必要增大有效数字的数目，因此可以将微计算机10中使用的存储器减到最少。
尽管在上面具体描述了本发明的优选实施例，但本发明不限于上述优选实施例。对本领域技术人员来说很明显：可以根据设计需要和其它因素进行各种改变、修改、组合、子组合和替换，只要它们在所附权利要求或其等同物的范围内即可。
例如，在电气设备中，可以通过除剩余容量比率之外的另一方式，如可用的剩余时间，来示出剩余容量。此外，仅作为示例来描述如上述优选实施例所示例的值，但可以按照需要使用与这些值不同的值。
此外，本发明可应用于各种电池，例如除了锂离子电池以外的Ni-Cd(镍-镉)电池和Ni-MH(镍-氢)电池。此外，构成电池组的微计算机可具有保护电路的功能。
【相关申请的交叉引用】
本文件基于2004年4月27日向日本专利局提交的日本优先权文件JP2004-130779，其内容通过引用而被合并于此。