平滑電流計算裝置、平滑電流計算方法以及電池監視模塊的製作方法
2023-10-24 02:14:22 2
專利名稱：平滑電流計算裝置、平滑電流計算方法以及電池監視模塊的製作方法
技術領域：
本發明涉及計算平滑電流的平滑電流計算裝置及平滑電流計算方法、以及使用這樣的裝置及方法的電池監視模塊。
背景技術：
近年來，在可攜式電話或 數字式攝像機等便攜型電子設備中安裝了使用鋰離子電池等二次電池的電池組。在鋰離子電池中，一般很難根據電池電壓檢測出在電池中剩餘的電量(以下稱為電池剩餘量)。因此，大多數情況下通過檢測電池的充放電電流並對檢測出的充放電電流進行積分來測定電池剩餘量。在上述的方法中，為了測定鋰離子電池的電池剩餘量，在電池組中設置了電池監視模塊的情形較多。構成電池監視模塊的半導體集成電路裝置包含高精度A/D變換電路等模擬電路、和對測量出的電流值進行積分的CPU或計時器等數字電路。圖I是電池監視模塊中的電流測定裝置的一例的框圖。在圖I中通過電流傳感器10檢測出的模擬的電流值通過A I變換器11被進行A I變換。進行A I變換後的電流值通過抽取濾波處理部12被進行抽取濾波處理來數位化，被數位化的電流值被存儲在RAMl3中。此後，在增益偏置處理部14中對在RAM13中存儲的電流值實施增益偏置修正處理，把這樣修正後的電流值存儲在RAM15中。在此，已知在接受矩形波狀的輸出指示電流時減少電流波動的技術(例如，參照專利文獻I)。在該技術中進行如下控制在脈衝電流輸出的電流變化率大時，切斷電抗器來使LC濾波電路的LC值變小，在脈衝電流輸出的電流變化率小時，連接電抗器來使LC濾波電路的LC值變大。此外，提出了通過自適應濾波器來對被賦予的信號進行濾波，抑制穩定狀態下的波動的技術(例如，參照專利文獻2)。在該技術中使用小波變換來判斷被賦予的信號的變動狀態，並根據判斷出的變動狀態設定自適應濾波器的內部參數。現有技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開平10 - 14229號公報專利文獻2 :日本特開2004 - 150279號公報
發明內容
發明要解決的課題在可攜式電子設備中安裝的電池組中，根據設備的工作狀況，在電池監視模塊的電流測定裝置的測定電流中產生較大的變動。為了抑制這樣的變動，考慮了在電流測定裝置中使用低通濾波器使測定電流平滑化。在作為低通濾波器而使用了具有固定的濾波器係數的IIR (Infinite ImpulseResponse)濾波器的情況下,通過設定濾波器的響應快的濾波器係數，能夠使濾波器的響應跟蹤較大的電流波動。但是，在設定了濾波器的響應快的濾波器係數的情況下，針對應該輸出的平滑電流的波形，濾波器輸出有可能並不恆定而發生變動，所以有時無法得到適當的平滑電流。另一方面，通過設定濾波器的響應慢的濾波器係數，針對應該輸出的平滑電流的波形，只要從該電流波形的開始起經過長時間，就能夠輸出接近電流波形的理想的平滑電流值的電流值。但是，到輸出接近理想的平滑電流值的電流值為止需要較長的時間。此外,在使用了利用LMS (Least Mean Square)算法等的一般的自適應濾波器的情況下，需要保存大量的輸入數據值，需要較大的存儲器容量。從而很難在資源有限的電池監視模塊內的CPU上進行LMS算法處理。本發明是鑑於上述問題而提出的，其目的在於提供一種在短時間內輸出準確且穩 定的平滑電流值的平滑電流計算裝置及平滑電流計算方法、以及使用這樣的裝置及方法的電池監視模塊。用於解決課題的手段根據本發明的一個實施方式，提供一種計算二次電池的平滑電流的平滑電流計算裝置，其具備數字低通濾波器，其被提供將測定的二次電池的電流值數位化而生成的測定數字電流值，輸出使測定數字電流值的時間變動平滑而生成的平滑數字電流值；電流變動水平設定部，其將測定數字電流值和平滑數字電流值的差分與閾值進行比較，根據比較結果設定電流變動水平；以及濾波器係數設定部，其根據設定的電流變動水平，設定數字低通濾波器的濾波器係數。根據本發明的另一實施方式，提供一種計算二次電池的平滑電流的平滑電流計算方法，其中，使將測定的二次電池的電流值數位化而生成的測定數字電流值的時間變動平滑來輸出平滑數字電流值；將測定數字電流值和平滑數字電流值的差分與閾值進行比較，根據比較結果設定電流變動水平；根據電流變動水平設定數字低通濾波器的濾波器係數。根據本發明的其他實施方式，提供一種電池監視模塊，其中，具有上述平滑電流計算裝置，將對二次電池的測定數字電流值進行積分而求出的電量除以平滑數字電流值，計算出剩餘運行時間。發明的效果根據本發明，能夠在短時間內輸出準確且穩定的平滑電流值。
圖I是現有的電流測定裝置的一例的框圖。圖2是在本發明的一個實施方式的平滑電流計算裝置中使用的數字低通濾波器電路的電路結構圖。圖3是平滑電流計算裝置以預定周期執行的濾波器係數設定處理的流程圖。圖4是電流變動水平計算處理的流程圖。圖5A是表示電流的變動幅度(振幅)的曲線圖。圖5B是表示電流的平滑值和振幅的關係的曲線圖。圖6是濾波器係數計算處理的流程圖。圖7是表示基於電流變動水平的濾波器係數Bn的變化的示意圖。
圖8是表示測定電流以及平滑電流的變化的曲線圖。圖9是本發明的一個實施方式的具有電池監視模塊的電池組的框圖。
具體實施例方式以下，參照
本發明的實施方式。圖2是在本發明的一個實施方式的平滑電流計算裝置中使用的數字低通濾波器電路的電路結構圖。在圖2中，在端子21輸入作為從存儲器(後述的RAM213)讀出的數字值的電流值Xn，所輸入的電流值Xn被提供給乘法器22。從端子23向乘法器22提供第一濾波器係數Bn。乘法器22對電流值Xn乘以濾波器係數Bn，並將乘算值提供給加法器24。加法器24對從乘法器22提供的乘算值相加從後述的乘法器27提供的乘算值。 從端子25輸出加法器24所輸出的平滑值Yn，並且通過單位延遲元件26延遲單位時間，作為延遲平滑值Ylri提供給乘法器27。從端子23向乘法器27提供第二濾波器係數An。乘法器27對延遲平滑值Ylri乘以濾波器係數An，向加法器24提供乘算值。S卩，從加法器24輸出以Yn = XnXBn + Ylri X An表示的平滑值Yn，並存儲在存儲器(後述的RAM213)中。在此，在本實施方式中，設定Bn+ An= I。另外，圖2表示數字低通濾波器電路，但也可以通過CPU等運算裝置通過軟體處理來執行圖2的電路動作。圖3是平滑電流計算裝置以預定周期執行的濾波器係數設定處理的流程圖。在圖3中，濾波器係數設定處理包含步驟SI的電流變動水平計算處理和步驟S2的濾波器係數計算處理。以預定周期(例如在從數十msec到數sec左右的周期)重複執行圖3的濾波器係數設定處理。圖4是在步驟SI中執行的電流變動水平計算處理的流程圖。在本實施方式中將電流變動水平分類為3個級別。電流變動水平=I表示大的變動，電流變動水平=2表示小的變動，電流變動水平=3表示沒有變動。在圖4中，在步驟Sll設定了電流變動水平=2。接著，在步驟S12判斷上一次的電流值Xlri和上一次的平滑值Ylri之間的差的絕對值abs (Xlri-Ylri)是否超過閾值TH0。然後，在abs (Xlri-Ylri)蘭THO的情況下，在步驟S13計數器值復位為0，在步驟S14設定電流變動水平=3。在此，通過以下式(I)來求出閾值TH0。另外，在式(I)中，例如gain = 0.2，例如，offset = 6。THO = gainXY^i+offset …(I)另一方面，在abs (Xlri-Ylri)MHO的情況下，在步驟S 15將計數器值增加I。在執行步驟S14或S15之後，在步驟S16判斷計數器值是否是5以上。如果計數器值不足5，則結束該處理。如果計數器值為5以上，則在步驟S17設定電流變動水平=1，結束該處理。因此，在abs (Xlri-Ylri) >TH0、且計數器值不足5的情況下，電流變動水平=2。說明上述的式(I)的閾值THO的增益係數gain和偏置係數offset的計算方法。圖5A是用虛線表示測定電流值的波形的曲線圖。理想的平均電流值Av是預定期間內的測定電流值的平均值。電流變動幅度Am是預定期間內的測定電流值的極大值包絡線(點劃線)和極小值包絡線(二點劃線)的差分。
此時，應該輸出平滑值的測定電流值Xi (i = 1，2，3，"0的理想的平均電流值八唚和從測定電流值Xi去除了脈衝狀的噪聲成分的電流變動幅度Ami成為如圖5B中所示的一次函數(直線)。在圖5B所示的例中，作為一次函數(直線)的斜率即gain設定了 0.2，並設定了 offset = 6。圖6是在步驟S2執行的濾波器係數計算處理的流程圖。在圖6中，在步驟S21判斷電流變動水平為1、2、3中的哪一個。如果電流變 動水平為1，則在步驟S22中將本次的濾波器係數Bn設定為Sp。之後，在步驟S29中將(I — Bn)設定為本次的濾波器係數An，結束該處理。如果在步驟S21中電流變動水平為2，則在步驟S23使本次的濾波器係數Bn從上一次的濾波器係數Blri增加增量inc。之後，在步驟S24判斷本次的濾波器係數Bn是否超過最大值Max，只在Bn>Max的情況下，在步驟S25將最大值Max設定為本次的濾波器係數Bn。然後，在步驟S29中將(I 一 Bn)設定為本次的濾波器係數An，結束該處理。如果在步驟S21中電流變動水平為3，則在步驟S26中使本次的濾波器係數Bn從上一次的濾波器係數Blri減少減量dec。之後，在步驟S27判斷本次的濾波器係數Bn是否不足最小值min。在Bn〈min的情況下,在步驟S28將最小值min設定為本次的濾波器係數Bn。在不是Bn〈min的情況下，在步驟S24判斷本次的濾波器係數Bn是否超過最大值Max。僅在Bn>Max的情況下，在步驟S25中將最大值Max設定為本次的濾波器係數Bn。之後，在步驟S29將(I 一 Bn)設定為本次的濾波器係數An，結束該處理。在此，在本實施方式中，例如Sp = 0. 54, Max = 0. 18, min = 0. 007, inc = 0. 004,dec = 0. 012。圖7是表示基於電流變動水平的濾波器係數Bn的變化的示意圖。在圖7中，在電流變動水平為I、有大的變動的情況下，將濾波器係數Bn設定為Sp，使針對本次的電流值Xn的權重一下子變大。在電流變動水平為2、有變動的情況下，使濾波器係數Bn增加微小量，使針對本次的電流值Xn的權重稍稍增加。此時，以濾波器係數Bn不超過最大值Max的方式增加濾波器係數Bn。此外，在電流變動水平為3、沒有變動的情況下，使濾波器係數Bn減少微小量，使針對本次的電流值Xn的權重稍稍減少。此時，以濾波器係數Bn不小於最小值min的方式減少濾波器係數Bn。即，將低通濾波器的濾波器係數即濾波器係數Bn，在電流變動較小的情況下設定為響應慢的可變範圍內(min Max)的值，在有較大的電流變動的情況下設定為響應非常快的Sp。在可變範圍內(min Max)變更濾波器係數Bn時，通過使用加算和減算，能夠使增量inc和減量dec的代碼大小變小。此外,將使濾波器的響應變慢時的減量dec設為大於使濾波器的響應變快時的增量inc的值。這是由於在abs (Xlri-Ylri)和THO的比較結果，abs (Xlri-Ylri)大於THO的概率越小，則在越短時間內使響應變慢。但是，在減量dec比增量inc過於大時，輸出值有可能收斂於並不是真的平滑值的值。〈波形圖〉圖8是表示測定電流以及平滑電流的變化的曲線圖。在圖8中，虛線表示測定電流，實線表示平滑電流。對應於用虛線表示的測定電流，本實施方式的平滑電流計算裝置能夠得到用實線表示的平滑電流。另外，為了比較，用點劃線表示使用濾波器係數(Bn)為固定值(=0. 18)的IIR濾波器時的平滑電流。由此，根據本實施方式，能夠得到測定電流的較大的變動被充分平滑化後的平滑電流。在電池組中，對電池的充放電電流(測定電流)進行積分，計算出電池剩餘量。而且，將該電池剩餘量除以平滑電流來計算剩餘運行時間。圖9是表示本發明的一個實施方式的具有電池監視模塊的電池組的框圖。在圖9中，電池監視模塊200包含數字部210和模擬部250。在數字部210 設置有 CPU211、R0M212、RAM213、EEPR0M214、中斷控制部 215、總線控制部216、I2C部217、串行通信部218、計時器部219、上電復位部220、寄存器221、測試端子狀態設定電路222、測試控制電路223、濾波器電路290。CPU211、R0M212、RAM213、EEPR0M214、中斷控制部215、總線控制部216、I2C部217、串行通信部218、計時器部219、寄存器221通過內部總線相互連接。CPU211執行存儲在R0M212中的程序，控制整個電池監視模塊200。此外，CPU211執行圖3至圖5中所示的濾波器係數設定處理以及求出圖2的平滑值Yn的低通濾波處理。而且，CPU211執行對電池的充放電電流(測定電流)進行積分來計算電池剩餘量的處理、以及將電池剩餘量除以平滑電流值來計算剩餘運行時間的處理。此時，把RAM213用作作業區域。在EEPR0M214中存儲了修整(trimming)信息等。中斷控制部215，根據從電池監視模塊200的各部提供的中斷請求的優先度而發生中斷，並向CPU211通知。總線控制部216進行哪個電路部使用內部總線的控制。I2C部217經由埠 231、232與通信線連接，經由該通信線進行2線式的串行通信。串行通信部218經由埠 233與未圖示的通信線連接，進行I線式的串行通信。計時器部219對系統時鐘進行計數，在CPU211參照其計數器值。上電復位部220檢測出提供給經由濾波器電路290連接的埠 235的電源Vdd的上升，產生復位信號，將復位信號提供給電池監視模塊200的各部。把來自EEPR0M214的信息轉發給寄存器221。測試端子狀態設定電路222根據保存在寄存器221中的信息將測試端子237、238和測試控制電路223之間連接。此外，測試端子狀態設定電路222將與測試端子237、238對應的測試控制電路223的輸入設定為預定的水平。測試控制電路223根據向測試端子237、238的輸入，改變內部電路的狀態。由此，能夠進行電池監視模塊200的內部電路的測試。在模擬部250設有振蕩電路251、晶體振蕩電路252、選擇控制電路253、分頻器254、電壓傳感器255、溫度傳感器256、電流傳感器257、多路復用器(MPX) 258以及A I調製器259。振蕩電路251是包含PLL電路的振蕩器，輸出數MHz的振蕩信號。晶體振蕩電路252使用安裝在埠 271、272的晶體振子生成並輸出數MHz的振蕩信號。晶體振蕩電路252的振蕩頻率比振蕩電路251的振蕩頻率更高精度。選擇控制電路253根據從埠 273提供的選擇信號，選擇振蕩電路251和晶體振蕩電路252中的某一方輸出的振蕩頻率信號。選擇控制電路253將選擇的振蕩信號作為系統時鐘，提供給電池監視模塊200的各部以及分頻器254。選擇控制電路253生成復位信號、RST和控制信號CNT。選擇控制電路253在從埠 273沒有提供選擇信號的情況下，例如選擇振蕩電路251輸出的振蕩信號。分頻器254對系統時鐘進行分頻來生成各種時鐘信號，將生成的時鐘信號提供給電池監視模塊200的各部。電壓傳感器255檢測與埠 274、275連接的鋰離子電池301的電壓，並將檢測電壓的模擬值提供給多路復用器258。溫度傳感器256檢測電池監視模塊200的環境溫度，並將檢測溫度的模擬值提供給多路復用器258。埠 276、277與電流檢測用的電阻303的兩端連接。電流傳感器257根據埠276,277之間的電位差來檢測流過電阻303的電流，並將檢測電流的模擬值提供給多路復用器258。多路復用器258依次選擇檢測電壓的模擬值、檢測溫度的模擬值、檢測電流的模擬值並提供給A I調製器259。A I調製器259，通過對各模擬值進行A I變換來將脈衝密度調製數據通過內部總線提供給CPU211。CPU211對脈衝密度調製數據實施數字濾波 處理，將檢測電壓的模擬值、檢測溫度的模擬值、檢測電流的模擬值變化為數字值。此外，CPU211通過對電池的充放電電流進行積分來計算電池剩餘量。此時，檢測溫度用於溫度修正。上述的電池監視模塊200與鋰離子電池301、電流檢測用的電阻303、穩壓器/保護電路304、電阻305以及開關306 —起被收納在外殼310內，構成電池組300。在電池組300的端子311上連接了鋰離子電池301的正電極以及穩壓器/保護電路304的電源輸入端子。穩壓器/保護電路304的電源輸出端子與電池監視模塊200的電源Vdd的埠 235連接。端子312經由電阻305與穩壓器/保護電路304的連接端子連接，並且經由開關306與電流檢測用的電阻303和埠 277之間的連接點連接。穩壓器/保護電路304使端子311、312之間的電壓穩定，並且在該電壓為預定範圍以外時切斷開關306來保護電池監視模塊200。此外，在電流檢出用的電阻303和埠 276之間的連接點連接有電池監視模塊200的電源Vss的埠 236。在電池組300的端子313、314上分別連接電池監視模塊200的埠 231、232。本發明並不限於具體公開的上述實施方式，在不脫離本發明的範圍的情況下可以有各種變形例以及改良例。本申請主張基於2010年I月29日申請的日本專利申請第2010 — 017843號的優先權，在本申請中引用其全部內容。符號說明21、25 端子22、27 乘法器24加法器200電池監視模塊21ICPU213RAM259 A I調製器255電壓傳感器
256溫度傳感器257電流傳感器300電池組
301鋰離子電池
權利要求
1.一種計算二次電池的平滑電流的平滑電流計算裝置，其特徵在於， 具備 數字低通濾波器，其被提供將測定的二次電池的電流值數位化而生成的測定數字電流值，輸出使所述測定數字電流值的時間變動平滑而生成的平滑數字電流值； 電流變動水平設定部，其將所述測定數字電流值和所述平滑數字電流值的差分與閾值進行比較，根據比較結果設定電流變動水平；以及 濾波器係數設定部，其根據設定的所述電流變動水平，設定所述數字低通濾波器的濾波器係數。
2.根據權利要求I所述的平滑電流計算裝置，其特徵在於， 所述數字低通濾波器具有 第一乘法器，其對所述測定數字電流值乘以第一濾波器係數； 第二乘法器，其對將所述平滑數字電流值延遲單位延遲時間所得的數字電流值乘以第二濾波器係數；以及 加法器，其輸出對所述第一乘法器的輸出值相加所述第二乘法器的輸出值所求得的值，作為所述平滑數字電流值， 所述第一濾波器係數和所述第二濾波器係數之和是恆定值。
3.根據權利要求2所述的平滑電流計算裝置，其特徵在於， 所述電流變動水平設定部，在所述差分超過所述閾值的狀態持續了預定期間時，設定第一電流變動水平，在所述差分超過所述閾值的狀態沒有持續所述預定期間時，設定第二電流變動水平，在所述差分不足所述閾值的狀態持續時，設定第三電流變動水平， 所述濾波器係數設定部，在設定了所述第一電流變動水平時，將超過預定範圍的恆定值設定為所述第一濾波器係數，在設定了所述第二電流變動水平時，以在所述預定範圍內增大的方式設定所述第一濾波器係數，在設定了所述第三電流變動水平時，以在所述預定範圍內減少的方式設定所述第一濾波器係數。
4.根據權利要求3所述的平滑電流計算裝置，其特徵在於， 所述閾值根據使所述平滑數字電流值延遲所述單位延遲時間而生成的數字電流值變化。
5.一種計算二次電池的平滑電流的平滑電流計算方法，其特徵在於， 使將測定的二次電池的電流值數位化而生成的測定數字電流值的時間變動平滑來輸出平滑數字電流值； 將所述測定數字電流值和所述平滑數字電流值的差分與閾值進行比較，根據比較結果設定電流變動水平； 根據所述電流變動水平設定數字低通濾波器的濾波器係數。
6.根據權利要求5所述的平滑電流計算方法，其特徵在於， 對所述測定數字電流值乘以第一濾波器係數來求出第一輸出值， 對將所述平滑數字電流值延遲單位延遲時間而得的數字電流值乘以第二濾波器係數來求出第二輸出值，輸出對所述第一輸出值相加所述第二輸出值所得的值，作為所述平滑數字電流值， 所述第一濾波器係數和所述第二濾波器係數之和是恆定值。
7.根據權利要求6所述的平滑電流計算方法，其特徵在於， 在所述電流變動水平的設定中，在所述差分超過所述閾值的狀態持續了預定期間時，設定第一電流變動水平，在所述差分超過所述閾值的狀態沒有持續所述預定期間時，設定第二電流變動水平，在所述差分不足所述閾值的狀態持續時，設定第三電流變動水平， 在所述濾波器係數的設定中，在設定了所述第一電流變動水平時，將超過預定範圍的恆定值設定為所述第一濾波器係數，在設定了所述第二電流變動水平時，以在所述預定範圍內增大的方式設定所述第一濾波器係數，在設定了所述第三電流變動水平時，以在所述預定範圍內減少的方式設定所述第一濾波器係數。
8.根據權利要求7所述的平滑電流計算方法，其特徵在於， 使所述閾值根據使所述平滑數字電流值延遲所述單位延遲時間所得的數字電流值來變化。
9.一種電池監視模塊，其特徵在於， 具有權利要求4所述的平滑電流計算裝置， 將對所述二次電池的所述測定數字電流值進行積分而求出的電量除以所述平滑數字電流值，計算出剩餘運行時間。
全文摘要
計算二次電池(301)的平滑電流的平滑電流計算裝置，具備被提供將所測定的二次電池的電流值數位化而生成的測定數字電流值的數字低通濾波器(22～27)。數字低通濾波器輸出使測定數字電流值的時間變動平滑而生成的平滑數字電流值。電流變動水平設定部(S1)將測定數字電流值和平滑數字電流值的差分與閾值進行比較，根據比較結果設定電流變動水平。濾波器係數設定部(S2)根據設定的電流變動水平，設定數字低通濾波器的濾波器係數。
文檔編號G01R19/25GK102725644SQ201180007389
公開日2012年10月10日 申請日期2011年1月19日 優先權日2010年1月29日
發明者杉山連 申請人:三美電機株式會社