專利名稱：電池截止放電電壓測量及修正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是關(guān)于一種可充電電池的截止放電電壓(EDV)測量，特別是一種依據(jù)電池放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2(7％電池電量的EDV)及EDV0(0％電池電量的EDV)的方法。
背景技術(shù)：
電池可以說是一切可攜式電子裝置的動力來源。比如說移動電話、筆記型計算機(jī)、個人數(shù)字助理、隨身聽等等，都有賴電池提供電力。但畢竟電池只是一種蓄積電量的裝置，可攜式電子裝置使用時就消耗電池的電能。當(dāng)耗損到一定程度而使剩余的電能不足以驅(qū)動該裝置的電路后，一種選擇是丟掉，另一選擇則是再充電。一般而言，不管是以環(huán)?？紤]，還是以長時間總平均成本思考，可攜式電子裝置多數(shù)采取電池再充電的方式，將原來耗損的電能補(bǔ)充回來。
當(dāng)然，電池可以提供可攜式電子產(chǎn)品使用的時間與該可攜式電子裝置的消耗功率息息相關(guān)，也和電池蓄電能力有著密切的關(guān)系。
而電池蓄電能力除了和電池的蓄電材料有關(guān)，也和蓄電材料的記憶效應(yīng)有關(guān)。所謂電池的記憶效應(yīng)是指電池在使用過程中，由于長期得不到完全的放電，導(dǎo)致電池的實(shí)際容量小于真實(shí)容量的現(xiàn)象。該現(xiàn)象和電池中的某些元素的特性有關(guān)。例如早期的鎳鎘電池，到近期的鎳氫電池或鋰電池都發(fā)現(xiàn)有不同程度的記憶效應(yīng)。
充電電池還有一個必須注意的特性，即電池端電壓和電池容量關(guān)系，請參考圖1所示的放電曲線。如圖所示，放電曲線中有兩個電壓徙降點(diǎn)，即當(dāng)電池充電至飽和狀態(tài)時與電池電量快要釋放耗盡時，其它情形下曲線是平緩的。其中和使用者最為息息相關(guān)的是電池電量快要釋放耗盡時，電池端電壓劇降。此時，可以放出的電能非常有限，此電壓一般稱為截止放電電壓(Endof Discharge Voltage，EDV)。在電池端電壓等于EDV時，電池的殘余電量值可能為完全充電時的8％或7％(這個電壓有時也稱為EDV2)。另外，還有另一個重要的參數(shù)稱為EDV0，指的是電池的殘余電能為0％。事實(shí)上，可攜式電子裝置的充電電池通常不會把截止放電電壓設(shè)在殘余電能為0％處。因?yàn)?，一來可攜式電子裝置若包含隨機(jī)存取存儲器時，電池突然地不再供電，將導(dǎo)致使用者的未儲存數(shù)據(jù)或設(shè)定流失。另外，若這個裝置屬于病人的醫(yī)護(hù)產(chǎn)品時，情況更嚴(yán)重，因?yàn)槟菍⒖赡軐?dǎo)致病患立刻身陷危險。
因此，一個智能型的電池管理系統(tǒng)應(yīng)該具備有隨著提供殘余電量值供使用者參考的能力，特別是在殘余電量值可能為完全充電時的20％、10％時預(yù)先警示使用者?；蛘咧辽僭贓DV2就不再供電，以免這顆電池提早宣告壽終正寢。
然而，另有一點(diǎn)必需注意的是，EDV2并非是一成不變的，它與使用的環(huán)境溫度、電池老化程度及電池負(fù)載電流(可攜式電子裝置放電電流)等有關(guān)。請再參考圖1所示的放電曲線。單純的設(shè)定一固定EDV門檻來監(jiān)控，而忽略環(huán)境溫度及放電電流等因素對電池的影響，是得不到正確的EDV2的。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明提供一種電池容量的測量方法，將同時考慮環(huán)境溫度與電池的放電電流，以取得更準(zhǔn)確的電池截止放電電壓。
本發(fā)明提出一種電池截止放電電壓測量及修正方法，其是依據(jù)放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0的方法。其中EDV2為電池端電壓和殘余電量的放電曲線關(guān)系中，放電曲線由平緩至下彎的轉(zhuǎn)折處的電池端電壓，其值約為電池殘余電量的7％至8％，而EDV0為放電曲線中電池殘余電量約為0％時的電池端電壓。本發(fā)明的方法是先利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出兩個二元一次經(jīng)驗(yàn)公式，每一經(jīng)驗(yàn)公式包含三個參數(shù)及兩個變量。該兩個變量的其中一個和溫度有關(guān)，另一個則是放電電流。三個參數(shù)中的其中一個是兩個經(jīng)驗(yàn)公式都有，另外兩個參數(shù)則是兩個經(jīng)驗(yàn)公式都不同。再設(shè)定以特定溫度及放電速率作為邊界條件進(jìn)行定額電流特定溫度的放電曲線測量，以找出三個參數(shù)，即可依據(jù)放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0。
具體來說，上述方法包含下列步驟首先，將電池充電至飽和，再分別在兩個特定溫度下，以定額電流進(jìn)行第一及第二放電曲線測量，依據(jù)這兩個放電曲線定出兩組EDV2及EDV0，再將兩組EDV2及EDV0代入經(jīng)驗(yàn)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-(T-5)*10]*8/256，且以放電電流為第一額定電流，以毫安為單位，而T分別為第一特定溫度及第二特定溫度(以℃為單位)為邊界條件，計算出EMC、EDV_gain、EDV_factor三個參數(shù)值。
利用上述經(jīng)驗(yàn)公式(I)及(II)即可計算在該電池使用范圍下任意放電電流及電池溫度的EDV2及EDV0。上述的第一特定溫度及第二特定溫度可以是5℃、25℃及45℃的其中任選兩個溫度的組合。
此外，上述方法還包含在第三特定溫度下，以所述第一額定電流進(jìn)行第三放電曲線測量，再由該第三放電曲線定出第三組EDV2及EDV0，代入上述的(I)、(II)兩式，當(dāng)所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值和以第一及第二放電曲線所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值偏離值低于5％誤差值以內(nèi)，則接受，若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值，并以第二及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值。
其中，所述的第一額定電流，是以電池容量的40％至60％的電流量放電速率持續(xù)放電。所述的放電曲線測量，測量前電池必須在電池電量飽和時才進(jìn)行。所述的放電曲線測量電池放電過程，電池必須是連續(xù)放電下進(jìn)行，不可以中途被充電。所述的放電曲線測量電池放電過程，電池表面溫度不可以低于5℃下進(jìn)行。
本發(fā)明的有益效果在于(1)依據(jù)本發(fā)明的方法，使用兩個二元一次的經(jīng)驗(yàn)公式，即可估算出電池的截止放電電壓，配合CPU與ADC測量電池的電壓、電流、溫度以及三個參數(shù)值EMC、EDV_gain、EDV_factor。
(2)本發(fā)明的方法使用低階CPU即可輕易的完成電池截止放電電壓的計算，將可有效地將電池容量管理系統(tǒng)低價化。


通過以下詳細(xì)的描述結(jié)合所附圖式，將可輕易了解上述內(nèi)容及此項發(fā)明的諸多優(yōu)點(diǎn)，其中圖1為電池的放電曲線示意圖。
圖2為電池EDV曲線量度可靠度檢驗(yàn)流程。
圖3為電池監(jiān)測裝置的方塊示意圖。
圖4所示為脈波信號。
圖號對照表15ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)20CPU(中央處理單元)25時鐘脈沖產(chǎn)生器 30ROM(只讀存取存儲器)35SMBus接口 40LED1-4為EDV曲線量度可靠度檢驗(yàn)流程。
具體實(shí)施例方式
如前所述，電池容量7％的截止放電電壓(7％-EDV或EDV2)既然與電池溫度、持續(xù)的放電電流等有關(guān)，那么就有必要找出一個公式，這個公式以電池溫度和放電電流為變數(shù)，以獲得較準(zhǔn)確的EDV2。
依據(jù)本發(fā)明的方法，EDV2可以依據(jù)放電曲線來獲得，請參考圖1，橫坐標(biāo)為電池容量，而縱坐標(biāo)為整串電池組的端電壓。整串電池組是指電池由多個電池串聯(lián)。本發(fā)明依據(jù)許多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出放電曲線滿足以下經(jīng)驗(yàn)公式(兩個二元一次方程式)(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其中只有放電電流和QT為變量，QT是和溫度有關(guān)的變量，請注意在(I)式的放電電流是以mA為單位，而QT是以公式(III)QT＝[480-(T-5)*10]*8/256計算而獲得，這個公式是經(jīng)驗(yàn)公式。僅管如此，在(I)及(II)進(jìn)行計算時，就不再管放電電流和QT的單位，即當(dāng)作無單位因次來計算。
而EMC、EDV_factor及EDV_gain則是相關(guān)的參數(shù)可利用預(yù)設(shè)的邊界條件而獲得。
邊界條件(1)設(shè)定在環(huán)境溫度25℃，以50％電池容量的放電速率，由完整充電至放電至電池管理芯片中的保護(hù)電路關(guān)閉放電為止，放電過程中則全程繪出放電曲線。舉例來說，比如筆記型計算機(jī)所用的電池約由三串電池所組成，典型容量為4400mAHr，則放電速率設(shè)定在每小時2200mA的放電速率下連續(xù)放電，一般而言，只要在電池容量的40％至60％下進(jìn)行即可，即每小時1760mA至2640mA下都可接受。電池管理芯片中的保護(hù)電路關(guān)閉放電時每串電池約為3V。此時3串電池的總串接端電壓即視為在25℃下的EDV0。而EDV2則由放電曲線找出(或依據(jù)積分方法計算出)。另外兩個邊界條件(2)及(3)，可分別設(shè)在環(huán)境溫度45℃及5℃下，使用相同條件求出。當(dāng)然，上述的邊界條件所示的溫度僅為說明舉例方便而已，并請注意是環(huán)境溫度，而非電池表面溫度。而且不是用以限定本發(fā)明的范圍。
依據(jù)上述方法，將5℃、25℃及45℃分別以(III)式求出三個QT值，即QT1、QT2、QT3值，而放電電流則代入上述的2200mA。依據(jù)上述的(I)式及(II)式各有兩個未知數(shù)，即(I)式中有EMC及EDV_gain，而(II)式中有EMC、EDV_factor，可將所得的邊界條件放入即可，所以，只要兩個邊界條件即可。
因此，當(dāng)假設(shè)上述EDV2及EDV0的經(jīng)驗(yàn)公式和放電曲線完全一致時，則兩個二元一次方程式應(yīng)該只用兩個邊界條件即可。但應(yīng)注意的是，上述公式畢竟只是經(jīng)驗(yàn)公式，因此，多放一個中間值溫度(室溫)，量度放電曲線，用以在當(dāng)所量得的放電曲線偏離經(jīng)驗(yàn)公式時進(jìn)行修正。依據(jù)本發(fā)明的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，偏離值多在實(shí)驗(yàn)的允許誤差之內(nèi)(典型為5％以下)。在允許誤差范圍內(nèi)時，則上述方法計算出的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值就予以接受。若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值，并以第二及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值。三組EMC、三組EDV_gain、三組EDV_factor，再分別取其平均值。
當(dāng)EMC、EDV_gain、EDV_factor三個參數(shù)利用上述邊界條件下的放電曲線取得之后，再利用本發(fā)明的電池管理芯片系統(tǒng)便可修正在任意放電電流及溫度下的截止放電溫度。
上述的電池學(xué)習(xí)過程中，必需注意以下圖2所示為電池EDV曲線量度可靠度檢驗(yàn)流程，該流程用以確保放電曲線是可靠的。
首先，如步驟1所示檢查電池的電力是否已被充滿(即飽和)，若否，則回到重新開始的步驟；接著，如步驟2所示檢查是否完全放電，若否，則回到重新開始的步驟；緊接著，如步驟3所示檢查電池放電過程是否連續(xù)(即，不可以在放電過程中又被充電)，若否，則回到重新開始的步驟；最后，再檢查被放電后的電池表面溫度是否仍超過5℃。若否，則仍需重來。經(jīng)過上述步驟的檢驗(yàn)后，電池EDV曲線的量度才被視為可靠的。
本發(fā)明的系統(tǒng)的架構(gòu)請參照圖3，包含一ADC(模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器)15、一CPU(中央處理單元)20，一時鐘脈沖產(chǎn)生器25，一ROM(只讀存取存儲器)30、一SMBus接口35及LED 40。其中SMBus接口35和主機(jī)38連接。主機(jī)可以是筆記型計算機(jī)的主機(jī)板或筆記型計算機(jī)的充電器。時鐘脈沖產(chǎn)生器25提供CPU 20運(yùn)作的時鐘脈沖。依據(jù)本發(fā)明的方法，時鐘脈沖產(chǎn)生器25在一預(yù)設(shè)的固定時間，就提供一中斷給CPU 20，這個中斷是由時鐘脈沖產(chǎn)生器25所產(chǎn)生的，如圖4所示的脈波信號。這些脈波信號的周期約為0.5秒(但不一定是)，在脈波信號為低時，觸發(fā)CPU產(chǎn)生中斷(interrupt)的接腳，以產(chǎn)生中斷，因此稱為RTC(real time clock)中斷，CPU 20在每一次RTC中斷時，輸出入接口將主機(jī)(host)的電池相關(guān)資料，比如電池的溫度、目前的負(fù)載電流(放電電流)及電池的電壓值等，經(jīng)ADC 15轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，由CPU 20讀取，再以ROM內(nèi)預(yù)存的程序計算電池的殘余電能，計算結(jié)果存于暫存器或存儲器內(nèi)。當(dāng)SMBus(smart battery management；智能型電池管理)接口35動作時，CPU會依據(jù)暫存器的內(nèi)容，將殘余電能顯示于LED上。主機(jī)也可以經(jīng)由SMBus接口35將殘余電能讀出。
詳細(xì)地說，當(dāng)電流流過一已知的負(fù)載電阻值時，只要取得負(fù)載電阻的跨壓的模擬信號，再經(jīng)過ADC 15轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號時，CPU 20只要根據(jù)這個數(shù)字信號的大小就可得知負(fù)載電流值。而電池的電壓值則由電池的端電壓經(jīng)ADC15的轉(zhuǎn)換也可以得知，再提供給CPU20。而電池的溫度則由溫度傳感器例如小型的熱電偶得到電動勢，電動勢經(jīng)由ADC15的轉(zhuǎn)換提供給CPU20，就可以得知電池的溫度。CPU則依據(jù)取得的數(shù)字信號(即電池溫度、負(fù)載電流及電池的電壓值經(jīng)ADC 15轉(zhuǎn)換后的信號)計算電池的殘余電能。
一般而言，電池容量是以毫安小時(mAHr)為計算單位，即若要達(dá)到確實(shí)監(jiān)控電池的殘余電量，每次RTC中斷的時間就必需加以校正。依據(jù)本發(fā)明的方法，如上述每次RTC中斷是固定長度的，約為0.5秒，但不一定是真正的時間，因此，本發(fā)明的ROM內(nèi)的計算程序在出廠前就先作時間校正，即在累積一定數(shù)額的RTC中斷后，例如120個RTC中斷，利用主機(jī)的參考時鐘脈沖，或已知的時鐘，校正每一RTC的時間。因此，依據(jù)本發(fā)明的方法，可以使用較低價的晶體振蕩器即可，而不是使用非常準(zhǔn)確的晶體振蕩器。在求得真正的時間后，電池殘余電能可利用庫倫計算法來計算流進(jìn)與流出電池的電容量。
更詳細(xì)地說就是電池剩余容量＝電池充滿時的電荷量+電池充電時流進(jìn)的電荷量-電池放電時流出的電荷量-電池自我放電的電荷量。
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(fù)值則視為放電，將放電容量存放于放電暫存器DC(dischargecounter)中，若為正值則視為充電，將充電容量存放于充電暫存器CC(chargecounter)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余容量RM(remaining capacity，RM＝CC-DC)。
本發(fā)明有以下優(yōu)點(diǎn)(1)依據(jù)本發(fā)明的方法，使用兩個二元一次的經(jīng)驗(yàn)公式，即可估算出電池的截止放電電壓，配合CPU與ADC測量電池的電壓、電流、溫度以及三個參數(shù)值EMC、EDV_gain、EDV_factor。
(2)本發(fā)明的方法使用低階CPU即可輕易的完成電池截止放電電壓的計算，將可有效地將電池容量管理系統(tǒng)低價化。
本發(fā)明雖以較佳實(shí)例闡明如上，然而其并非用以限定本發(fā)明，在不脫離本發(fā)明的精神與范圍內(nèi)所作的修改，均應(yīng)包含在權(quán)利要求的范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種電池截止放電電壓測量及修正方法，其是依據(jù)放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0的方法，其中所述EDV2為電池端電壓和殘余電量的放電曲線關(guān)系中放電曲線由平緩至下彎的轉(zhuǎn)折處的端電壓，而所述EDV0為放電曲線中電池殘余電量為0％時的電池端電壓，其特征在于，所述方法至少包含下列步驟將電池充電至飽和，在第一特定溫度下，以第一額定電流進(jìn)行第一放電曲線測量，再由該第一放電曲線定出第一組EDV2及EDV0；將電池再充電至飽和，在第二特定溫度下，以上述第一額定電流進(jìn)行第二放電曲線測量，再由該第二放電曲線定出第二組EDV2及EDV0；以第一組EDV2及EDV0及第二組EDV2及EDV0代入以下經(jīng)驗(yàn)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-(T-5)*10]*8/256，放電電流＝第一額定電流，以毫安為單位，T分別為第一特定溫度及第二特定溫度為邊界條件，計算出EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值；其中，溫度是以℃為單位；利用所述經(jīng)驗(yàn)公式(I)及(II)計算在該電池使用范圍下任意放電電流及電池溫度的EDV2及EDV0。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一特定溫度及第二特定溫度分別為環(huán)境溫度5℃、25℃及45℃的其中任選兩個溫度。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于，更包含在第三特定溫度下，以所述第一額定電流進(jìn)行第三放電曲線測量，再由該第三放電曲線定出第三組EDV2及EDV0，代入上述的(I)、(II)兩式，當(dāng)所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值和以第一及第二放電曲線所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值偏離值低于5％誤差值以內(nèi)，則接受，若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值，并以第二及第三放電曲線為基礎(chǔ)重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數(shù)值。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的第一額定電流，是以電池容量的40％至60％的放電速率持續(xù)放電。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放電曲線測量，測量前電池在電量飽和時進(jìn)行。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放電曲線測量電池放電過程，電池是連續(xù)放電下進(jìn)行，中途不被充電。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的放電曲線測量電池放電過程中，若電池表面溫度低于5℃下時，視為無效，需重新進(jìn)行。
全文摘要
一種電池截止放電電壓測量及修正方法，其是依據(jù)放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0的方法。其中EDV2為電池電量是總電量的7％至8％時的電池端電壓，而EDV0為電池電量為總電量的0％時的電池端電壓。所述方法是先利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)歸納出兩個二元一次經(jīng)驗(yàn)公式，每一經(jīng)驗(yàn)公式包含三個參數(shù)及兩個變量。該兩個變量的其中一個和溫度有關(guān)，另一個則是放電電流。三個參數(shù)中的其中一個是兩個經(jīng)驗(yàn)公式都有，另外兩個參數(shù)則是兩個經(jīng)驗(yàn)公式都不同。再設(shè)定以特定溫度及放電速率作為邊界條件進(jìn)行定額電流特定溫度的放電曲線測量，以找出三個參數(shù)，即可依據(jù)放電電流及電池表面溫度修正電池截止放電電壓EDV2及EDV0。
文檔編號G01R19/00GK101034137SQ20061005720
公開日2007年9月12日 申請日期2006年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年3月7日
發(fā)明者何昌祐 申請人:新德科技股份有限公司