電池組及電池剩餘電量計算方法

2023-05-23 08:17:46

專利名稱：電池組及電池剩餘電量計算方法
技術領域：
本發明涉及一種電池組和一種電池剩餘電量計算方法，尤其是，本發明涉及一種電池組和一種電池剩餘電量計算方法，該方法允許根據電池的充/放電循環次數和使用過程中的溫度計算電池剩餘電量。
背景技術：
諸如液體離子電池組的電池組(蓄電池)具有特定的容量，並且它們的容量具有根據電池組的使用溫度而產生變化的特性。
當電池組在低溫下使用時，其電池組電池的內阻抗增大，並且當施加與常溫下相同的電流時，會產生很大的電壓降，使得電池組容量降低。
圖11示出了電池組在25℃、10℃、和0℃時的放電特性。橫軸表示時間，縱軸表示電壓。
如圖11所示，在放電量為2.0W、端電壓為3.35V的情況下，獲得如下的測量結果例如，如果將環境溫度為25℃時的可放電容量設定為100％，那麼在環境溫度為10℃時可放電容量測量結果約為80％，以及0℃時約為60％。
另一方面，即使在持續使用和充/放電循環次數增加的情況下，電池組仍具有容量減少的特性。這是因為電池組重複進行充/放電循環，會導致電池組電池產生退化，使得其可使用容量減少，這稱為「循環退化」。
經歷很多次充/放電循環的電池組電池的可使用容量通過兩個因素發生改變循環退化和使用過程中的溫度。
迄今為止，如日本公開專利申請JP-A-2000-260488中所述，通過使用溫度傳感器檢測電池組溫度和校正電池剩餘電量的技術已經被用來校正在低溫下使用的電池組容量的減少。(段號 ～ )同樣地，對充/放電循環次數進行計數、根據計數得到的次數確定循環退化正在進行、並且估計電池剩餘電量低於電池實際電量的技術被用來校正由充/放電循環次數引起的電池退化。
在這些傳統技術中，在當前溫度環境中的可使用時間的校正是由熱敏電阻測量當前溫度實現，而經過多次充/放電循環後的電池組電池的可使用時間的校正則通過對充/放電循環次數進行計數來實施。
具體來說，存儲溫度數據和依賴於溫度的校正值，並且當溫度數據顯示為低溫時，考慮到電池組電池放電特性的退化，電池剩餘電量被估計為低於實際電池剩餘電量。類似地，準備循環退化的校正值，並且當充/放電循環次數增加時，電池剩餘電量被估計為較低。通過這種方式，準備兩種校正值，即，溫度和循環退化校正值，將其作為數據存儲在電池組內，由此根據使用環境和使用次數來校正電池剩餘電量。

發明內容
然而，循環退化和使用過程中的溫度是相互關聯的，並且當充/放電循環次數增加時，在低溫下使用的電池組電池容量的減少有變大的特性。就是說，如果將用於校正由於溫度引起的容量減少和由於充/放電循環次數引起的容量減少的校正值作為獨立參數，將存在這樣一個問題當充/放電循環次數增加時，在計算得出的電池剩餘電量與實際電池剩餘電量之間會產生誤差。
舉例來說，所存在的問題就是，如果設定校正值使得在常溫下的循環退化得到校正，那麼當充/放電循環次數增加時，計算低溫時電池剩餘電量的過程中會產生誤差，反之，如果設定校正值使得在低溫下的循環退化得到校正，那麼計算常溫時電池剩餘電量的過程中會產生誤差。
本發明已經鑑於上述提及的問題進行構想，並且本發明的優選實施例提供了一種電池組和一種電池剩餘電量計算方法，在考慮到由於循環退化和溫度引起的容量減小的情況下，能夠降低電池剩餘電量的計算誤差。
根據本發明的一個優選實施例，提供了一種能夠根據充/放電循環次數和使用過程中的溫度計算電池剩餘電量的電池組，其特徵在於包括溫度測量裝置，用於測量電池組電池的溫度；充/放電循環計數裝置，用於對充/放電循環的次數進行計數；校正值存儲裝置，用於存儲根據每隔預定充/放電循環次數發生變化、並根據所測溫度計算電池剩餘電量的校正值；剩餘電量計算裝置，用於在所測溫度和所計數得到的充/放電循環次數的基礎上檢索校正值存儲裝置來指定溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。
根據這種結構，剩餘電量計算裝置在溫度測量裝置所測得的電池組電池的溫度和充/放電計數裝置所計數得到的充/放電循環次數的基礎上，從存儲在校正值存儲裝置中的每隔預定充/放電循環次數發生變化的校正值中指定一個用於根據所測溫度計算電池剩餘電量的校正值，並根據所指定的校正值計算電池剩餘電量。使用根據每隔預定充/放電循環次數發生變化的溫度校正值來取代對所有的充/放電循環次數設定的不同的溫度校正值，由此，可通過少量參數而基於循環退化和溫度來執行電池剩餘電量的校正。
根據本發明的優選實施例的電池組，用於根據溫度計算電池剩餘電量的校正值，是在測得的電池組電池的溫度和計數得到的充/放電次數的基礎上，從根據每隔所存儲的預定充/放電循環次數發生變化的校正值中進行指定的，並且電池剩餘電量根據所指定的校正值來進行計算。因此，即使充/放電循環次數增加，並且循環退化發生，也可以更加精確地算出在各種溫度環境中的實際電池剩餘電量。
另外，由於使用的是根據每隔預定充/放電循環次數發生變化的校正值，因而可通過少量參數來執行電池剩餘電量的校正。
本發明可應用於與例如攝像機、數位照相機或電池組充電器、和類似設備相連接的電池組。


通過以下結合附圖對本發明的優選實施例進行的描述，本發明上述和其他的目的、特徵、和優點將更加明顯，在附圖中
圖1示出了根據本發明的優選實施例的電池組的原理的功能塊圖；圖2示出了所存儲的溫度校正值的實例；圖3示出了根據本發明的優選實施例的電池組的硬體結構的實例；圖4示出了在25℃(常溫)下、對於不同充/放電循環次數的電池組電池的放電特性圖；圖5示出了在0℃(低溫)下、對於不同充/放電循環次數的電池組電池的放電特性圖；圖6示出了對應於電池組電池的溫度和充/放電循環次數的容量改變特性圖；圖7示出了在常溫下、根據循環退化執行校正的過程中充/放電循環次數與容量的關係圖；圖8示出了在低溫下、根據循環退化執行校正的過程中充/放電循環次數與容量的關係圖；圖9示出了對根據本發明的優選實施例的電池組實現校正的方式的示意圖；圖10示出了根據本發明的優選實施例的電池組的操作流程圖；以及圖11示出了電池組在25℃、10℃、和0℃時的放電特性圖。
具體實施例方式
本發明優選實施例將參照附圖在下面進行詳細說明。
圖1示出了根據本發明的優選實施例的電池組的原理的功能塊圖。
根據本發明的優選實施例的電池組10包括溫度測量裝置12，用於測量電池組電池11的溫度；充/放電循環計數裝置13，用於對充/放電循環的次數進行計數；校正值存儲裝置14，用於存儲根據每隔預定充/放電循環次數發生變化、並用於根據所測溫度計算電池剩餘電量的校正值(下文中稱作「溫度校正值」)；剩餘電量計算裝置15，用於在所測溫度和計數得到的充/放電循環次數的基礎上通過檢索校正值存儲裝置14來指定溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量；以及，通信裝置16，用於將算出的電池剩餘電量發送給所連接的設備，該設備未示出。
例如，電池組電池11可以是鋰離子電池。溫度測量裝置12可以是安裝在電池組電池表面或電路板上的熱敏電阻。充/放電計數裝置13和剩餘電量計算裝置15可以通過例如微型控制器實現。校正值存儲裝置14可以是例如EEPROM(電可擦除可編程只讀存儲器)。
在下面對實施例的描述中，術語「充/放電循環」指的是將電池組電池充電一次、然後將電池組電池放電到某一電壓電平的過程，該過程被定義為一次充/放電循環。
本發明的優選實施例中使用的溫度校正值每隔預定充/放電循環次數發生變化。
圖2示出了所存儲的溫度校正值的實例。
例如，充/放電循環次數小於等於50次的溫度校正值分別存儲在校正值存儲裝置14的地址00～06中。根據不同的使用過程溫度，地址00～06分別存儲不同的溫度校正值，例如，0℃以下、0～10℃、10～20℃、20～30℃、30～40℃、40～50℃、50℃以上的情況下的溫度校正值。舉例來說，對於0～10℃，存儲有以10％/50次循環的比率減少容量的溫度校正值，而對於25℃，存儲有以4％/50次循環的比率減少容量的溫度校正值。另外，為了減少參數的個數，對於小於等於50次的循環，可以設定溫度校正值為對所有的溫度都以4％/50次循環的比率減少容量。
進一步，將通過改變這些每隔預定充/放電循環次數發生變化的溫度校正值所獲得的數值進行存儲。
如圖2所示，51～100次充/放電循環的溫度校正值存儲在地址10～16中，101～150次充/放電循環的溫度校正值存儲在地址20～26中，150次以上充/放電循環的溫度校正值存儲在地址30～36中，並且每個循環次數範圍的溫度校正值都經過修正。例如，溫度校正值可通過將容量減少比率修改為不同於小於等於50次循環的溫度校正值的減少比率來進行修改，或者可通過以階梯方式從每個循環次數範圍到下一範圍增加或減少容量來進行修改(這個實例將在後面進行描述)。
上述溫度校正值根據隨電池組電池11的溫度和充/放電循環次數發生變化的容量特性進行設定，並存儲在校正值存儲裝置14中。
電池組10的操作將在下面進行描述。
例如，當電池組10連接到例如攝像機或數位照相機等設備上並開始使用時，電池組電池11的溫度通過溫度測量裝置12進行測量。充/放電計數裝置13將當前計數得到的充/放電循環次數發送給剩餘電量計算裝置15。剩餘電量計算裝置15在所測溫度和充/放電循環次數的基礎上，通過檢索校正值存儲裝置14，從如圖2所示的所存儲的校正值中指定一個溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。通信裝置16發送已算出的電池剩餘電量，使得可使用時間能夠顯示在諸如例如攝像機或數位照相機等所連接的設備上。
按照這種方式，在電池組電池的測量溫度和計數得到的充/放電循環次數的基礎上，從每隔預定充/放電循環次數發生變化的溫度校正值中指定一個溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。因此，即使充/放電循環次數增加，並且發生循環退化，也可以更加精確地算出在各種溫度環境中的實際電池剩餘電量。
另外，這裡使用的是每隔預定充/放電循環次數(例如50和100次循環)發生變化的溫度校正值，而不是對所有次數的充/放電循環設定的不同的溫度校正值。因此，電池剩餘電量的校正可以通過少量的參數實現。
本發明的優選實施例的細節將在下面進行敘述。
圖3示出了根據本發明的優選實施例的電池組的硬體結構的實例。
電池組50包括電池組電池51、外設電路52、微型控制器53、熱敏電阻54、和通信電路55。
例如，電池組電池51可以是鋰離子電池、鎳-金屬氫電池、或鋰聚合物電池。
電池組電池51的正極與正極端子61相連，而電池組電池51的負極通過電流檢測電阻Rs及充電控制開關SW1和放電控制開關SW2與負極端子62相連，其中，充電、放電控制開關分別由功率MOSFET(金屬氧化物半導體場效應電晶體)和二極體製成。
外設電路52包括主要由電壓比較器(比較器)組成的電路結構，並具有可以檢測流經電流檢測電阻Rs的充/放電電流值的功能，以及具有防止電池組電池51過充電、過放電、或過電流的保護功能。具體來說，當電池組電池51的電壓等於或高於設定電壓時，外設電路52關閉充電控制開關SW1以停止充電，從而防止過充電。另一方面，當電池組電池51的電壓低於設定電壓時，外設電路52關閉放電控制開關SW2以停止放電，從而防止過放電。
微型控制器53將由外設電路52檢測出的充/放電電流累計加和，並根據工作過程中的溫度和充/放電循環次數計算電池剩餘電量。另外，微型控制器53控制熱敏電阻54測量電池組電池在使用過程中的溫度。微型控制器53也與用於存儲如圖2所示的溫度校正值的校正值存儲裝置一樣具有內置式EEPROM。微型控制器53還具有控制通信電路55將計算出的電池剩餘電量數值發送給所連接設備的功能。
在描述根據本發明的優選實施例的電池組50的操作之前，以下將對溫度和充/放電循環之間的相關性進行描述。
圖4示出了在25℃(常溫)下、對於不同充/放電循環次數的電池組電池的放電特性圖。
圖5示出了在0℃(低溫)下、對於不同充/放電循環次數的電池組電池的放電特性圖。
在圖4和圖5中，橫軸表示時間，而縱軸表示電壓，並且圖中顯示的放電特性是在4.2V電壓、0.5A電流、和2.5小時的充電條件、以及在2W恆定功率的放電條件下重複進行充/放電循環而獲得的。
如圖4所示，例如，在例如25℃(常溫)下使用過程中，在電池組電池51放電至3.35V、並且將使用過0次充/放電循環的電池組電池的放電時間設為100％的情況下，使用過50次充/放電循環的電池組電池的放電時間為94％，使用過100次充/放電循環的電池組電池的放電時間為90％，使用過500次充/放電循環的電池組電池的放電時間減少至68％。也就是說，可以觀察到由於循環退化，每使用50次，電池組電池的容量減少大約5％。
另一方面，如圖5所示，在0℃(低溫)下使用過程中，與圖4所示的在常溫下使用0次充/放電循環的電池組電池51相比，甚至使用過0次充/放電循環的電池組電池51的放電時間也減少至60％。隨著0℃下電池組10的充/放電循環次數的增加，與在常溫下使用0次充/放電循環的電池組電池51相比，循環50次放電時間減少至46％，循環100次放電時間減少至39％，循環500次放電時間減少至10％。就是說，可以看到，在0℃下使用的電池組電池51相比較在常溫下使用的電池組電池來說循環退化速率較大。
圖6示出了對應於電池組電池的溫度和充/放電循環次數的容量改變特性圖。
橫軸代表充/放電循環次數，而縱軸代表容量。在25℃(常溫)下使用0次充/放電循環的電池組電池的容量為100％。
從圖6中可以看到，由於充/放電循環次數增加而引起的循環退化程度在低溫時加劇。
如果該循環退化通過例如充/放電循環次數和運行溫度這兩個參數進行校正，將很難計算出正確的電池剩餘電量。
圖7示出了常溫下結合循環退化進行校正時，常溫和低溫下充/放電循環次數與容量之間的關係圖。
在顯示常溫和低溫下充/放電循環次數與容量之間關係的圖6中，根據在25℃(常溫)下的循環退化，圖7示出了經過校正的參數，該參數設定為每隔50次循環使容量線性下降4％。在這種情況下，如果將在0℃(低溫)下使用0次充/放電循環的電池組電池的容量設定為65％，當充/放電循環次數增加時，如圖7所示，理論值的誤差增大。就是說，可能產生這樣的問題，雖然計算出的電池剩餘電量仍然是一個可使用的數值，但實際電池剩餘電量低於計算出的電池剩餘電量，而無法使用。
圖8示出了在低溫情況下根據循環退化進行校正的情況下，常溫和低溫下充/放電循環次數與容量之間的關係圖。
在顯示常溫和低溫下充/放電循環次數與容量之間關係的圖6中，根據在0℃(低溫)下的循環退化(例如，0～100次充/放電循環)，圖8中將使用0次充/放電循環的容量設為60％，並且利用設定為每隔50次循環容量線性下降10％的參數來進行校正。在這種情況下，隨著在25℃(常溫)下充/放電循環次數增加，理論值產生的誤差增大。因此，可能發生這樣的問題，儘管增加了充/放電循環次數的電池組實際上可以在常溫下使用，但計算出的電池剩餘電量低於實際電池剩餘電量。
如果將用於校正循環退化的校正值和用於校正由溫度產生的容量減小的校正值相結合制定，則在常溫或低溫情況下都可能算出正確的電池剩餘電量，但存在這樣的問題，就是參數數目增加，並且難以進行設定。
另一方面，根據本發明的優選實施例的電池組50可通過使用如圖2所示的每隔預定充/放電循環次數(例如50次和100次)發生變化的溫度校正值來解決這個問題。
下面將對根據本發明的優選實施例的電池組50的操作進行描述。
當電池組50的正極端子61和負極端子62連接到例如攝像機或數位照相機的設備上，並且電池組50開始使用時，微型控制器53將由外設電路52檢測的充/放電電流值累計加和，並計算電池剩餘電量。另外，微型控制器53對充/放電循環次數進行計數，並將充/放電循環次數存入例如微型控制器53的內部EEPROM中。
在電池剩餘電量計算過程中，微型控制器53在充/放電循環次數和通過熱敏電阻54測量的溫度的基礎上，通過檢索例如存儲有如圖2所示的溫度校正值的EEPROM來指定一個溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。
圖9示出了對根據本發明的優選實施例的電池組實現校正的方式的示意圖。
在圖9中，在顯示常溫和低溫下充/放電循環次數與容量之間關係的圖6的基礎上，根據25℃(常溫)下的循環退化，進行每隔50次循環使容量線性下降4％的循環校正。在這種情況下，所進行的循環校正是以階梯方式每隔50次循環(在圖9的實例中，小於等於150次循環)減少低溫下使用的電池組的容量。也就是說，設定了每當充/放電循環次數達到50、100、150次時以階梯方式減少容量的溫度校正值。在其它階段中，溫度校正值被設定為以4％線性減少容量，這與常溫情況相同。因為使用的溫度校正值是每隔預定充/放電循環次數發生變化的，所以電池剩餘電量的校正可以通過少量參數來實現。
在上面的描述中，已經參考了在常溫下根據循環退化，每隔50次循環容量線性減少4％的循環校正的情況。然而，在常溫使用過程中，可以進行每隔50次循環以階梯方式增加容量的循環校正，使得在低溫下根據循環退化可進行每隔50次循環容量減少10％的循環校正。
在微型控制器53的控制下，通信電路55將用這種方式計算出的電池剩餘電量發送給所連接的設備，這樣，例如攝像機和數位照相機可以告知用戶在當前溫度下電池組50的實際放電時間的近似值。
根據本發明優的選實施例的電池組的操作過程將通過流程圖的形式在下面進行概述。
圖10示出了根據本發明的優選實施例的電池組的操作的流程圖。
步驟S1溫度測量微型控制器53控制熱敏電阻54測量電池組電池51的溫度。隨後的步驟S2～S8是根據所測量溫度和充/放電循環次數來指定溫度校正值的過程。在對其的描述中，參照了這樣的情況，其中，對於小於等於50次充/放電循環、50～100次充/放電循環、101～150次充/放電循環、和151次以上充/放電循環被存儲在內置於微型控制器53中的EEPROM中。
微型控制器53確定充/放電循環次數是否大於50(步驟S2)，如果充/放電循環次數不大於50，則在步驟S3中，微型控制器53檢索EEPROM，並且根據步驟S1中測量的溫度設定不大於50次充/放電循環的溫度校正值。如果充/放電循環次數大於50，則在步驟S4中，微型控制器53確定充/放電循環次數是否大於100。在步驟S4中，如果充/放電循環次數不大於100，則在步驟S5中，微型控制器53根據步驟S1中測量的溫度設定51～100次充/放電循環的溫度校正值。如果充/放電循環次數大於100，則在步驟S6中，微型控制器53確定充/放電循環次數是否大於150。在步驟S6中，如果充/放電循環次數不大於150，則在步驟S7中，微型控制器53根據步驟S1中測量的溫度設定101～150次充/放電循環的溫度校正值。如果充/放電循環次數大於150，則在步驟S8中，微型控制器53根據步驟S1測量的溫度設定大於150次充/放電循環的溫度校正值。
在步驟S3、S5、S7、或S8中設定了溫度校正值後，在步驟S9中，微型控制器53根據所設定的溫度校正值計算電池剩餘電量。微型控制器53控制通信電路55將計算出的電池剩餘電量值發送給所連接的設備，該設備沒有示出。
上述提及的過程可以通過設置在微型控制器53內的軟體實現，因此與現有產品相比可以認為成本沒有顯著升高。
以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的權利要求範圍之內。
權利要求
1.一種用於根據充/放電循環次數和操作過程中的溫度計算電池剩餘電量的電池組，包括溫度測量裝置，用於測量電池組電池的溫度；充/放電循環計數裝置，用於對充/放電循環次數進行計數；校正值存儲裝置，用於存儲每隔預定充/放電循環次數發生變化的校正值，該校正值用於根據所測溫度計算電池剩餘電量；以及剩餘電量計算裝置，用於以所測量溫度和計數得到的充/放電循環次數為基礎，通過檢索所述校正值存儲裝置，來指定溫度校正值，並根據所述已指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。
2.根據權利要求1所述的電池組，其中，所述校正值包括根據容量變化特性在每一個充/放電循環次數發生變化的值，所述容量變化響應於電池組電池的溫度和充/放電循環次數而發生。
3.根據權利要求1所述的電池組，進一步包括通信裝置，用於將所述計算出的電池剩餘電量發送給所連接的設備。
4.一種根據充/放電循環次數和操作過程中的溫度計算電池剩餘電量的電池剩餘電量計算方法，包括以下步驟測量電池組電池的溫度；指定用於根據所測溫度計算電池剩餘電量的溫度校正值，其中，所述校正值在所測量溫度和當前充/放電循環次數的基礎上每隔預定充/放電循環次數發生變化；以及根據所述校正值計算電池剩餘電量。
全文摘要
本發明披露了一種電池組和一種電池剩餘電量計算方法。為了減少電池剩餘電量的計算誤差，從而考慮了由於循環退化和溫度引起的容量減少，剩餘電量計算裝置在通過溫度測量裝置測量的電池組電池溫度和通過充/放電計數裝置計數得到的充/放電循環次數的基礎上，從存儲在校正值存儲裝置中的、每隔預定充/放電循環次數發生變化的溫度校正值中指定用於根據所測溫度計算電池剩餘電量的溫度校正值，並根據所指定的溫度校正值計算電池剩餘電量。使用的溫度校正值是每隔預定充/放電循環次數發生改變、而不是對所有次數的充/放電循環設定的不同的溫度校正值，這樣，可通過少量的參數進行基於循環退化和溫度的電池剩餘電量的校正。
文檔編號H01M10/40GK1616982SQ20041008866
公開日2005年5月18日 申請日期2004年11月15日 優先權日2003年11月14日
發明者土谷之雄, 佐藤秀幸, 長島修 申請人:索尼公司