TWI673507B

TWI673507B - 電池電量狀態的預估方法

Info

Publication number: TWI673507B
Application number: TW107143806A
Authority: TW
Inventors: 伍崇永
Original assignee: 新盛力科技股份有限公司
Priority date: 2018-12-06
Filing date: 2018-12-06
Publication date: 2019-10-01
Also published as: TW202022397A; JP2020092593A; JP6991591B2

Abstract

本發明提供一種電池電量狀態的預估方法，當電池的一電流小於零時，根據一檢測出的電池電壓以從一查找表中查詢出一對照的參考的電量狀態，電池電壓減去一電壓門檻值取得一電壓差，一現在的電量狀態除於電壓差取得一第一斜率，參考的電量狀態除於電壓差取得一第二斜率，第一斜率除於第二斜率取得一調整比例，以一庫倫計數法計數電池放電的一電荷容量以計算出一放電的計數容量，放電的計數容量乘於調整比例取得一調整值，一先前記錄的殘餘容量減去調整值以獲得一新的殘餘容量，新的殘餘容量除於一滿充電容量以預估出一新的電池電量狀態。

Description

電池電量狀態的預估方法

本發明有關於一種預估方法，尤指一種對於電池的電量狀態進行預估的方法。

隨著電池技術的演進，目前許多電子設備中都會設置一電池，以利用電池儲存的電量來提供電子設備運作所需的能量。再者，電池儲存的電量會隨著電子設備的運作而逐漸減少，為了避免電池儲存的電量完全耗盡而令電子設備在無預警的狀況下停止運轉，電子設備本身通常都會對於電池的電量狀態(State of Charge，SOC)進行預估。電池的電量狀態(SOC)亦可定義為電池中可用電能的狀態，其通常以百分比來表示，例如SOC=殘餘電量(Remaining Capacity，RM)/滿充電電量(Full Charged Capacity，FCC)。經由電池電量狀態(SOC)的預估，電子設備的使用者可以在電池儲電的電量不足時，事先對於電池執行充電的動作。

先前技術常使用查找表法，如電壓查表法(OVC Lookup Table)，預估電池的電量狀態(SOC)。電壓查表法的表格列出了不同電壓所對應的電量狀態(SOC)。經由目前電池電壓的檢測，以從電壓查表法的表格中比對出其對應的電量狀態(SOC)。電壓查表法雖可以快速、簡單地預估出電池的電量狀態(SOC)，然，在電池的放電過程中，常會因為大電流的放電或嚴苛環境(如溫度較高或較低的環境)而造成電量狀態(SOC)預估上的誤差。於是，當電池放電至截止電壓時，電量狀態(SOC)亦可能直接劇降至0%而停止了電池的放電，以電池作為電力的電子設備也會突然停止運作。假如電池使用在電動車上，電動車亦可能會因為電量狀態(SOC)預估上的誤差而無預警的停止行駛，以致產生有行駛安全的問題。

有鑑於此，本發明將提供一種創新的預估電池電量狀態的方法，其方法將可預估出準確的電池電量狀態(SOC)，避免使用電池作為電力的電子設備無預警的停止運作，將會是本發明的目的。

本發明的一目的，在於提出一種電池容量的預估方法，其預估方法能夠預估出準確的電池電量狀態，以避免電池放電時其電量狀態瞬間劇降至0%而停止了電池的放電，藉以增加使用電池作為電力的電子設備其操作上的安全性及穩定性。

為達成上述目的，本發明提供一種電池電量狀態的預估方法，其預估方法使用在一具有一電池的電子設備上，步驟包括：判斷電池的一電流小於零時執行一電池放電時的殘餘電量的調整程序；執行電池放電時的殘餘電量的調整程序的步驟包括：檢測電池的一電壓；根據檢測出的電池的電壓以從一查找表中查詢出一對照的參考電量狀態；將檢測出的電池的電壓減去一電壓門檻值以取得一電壓差；將一現在的電量狀態除於電壓差以取得一第一斜率；將參考的電量狀態除於電壓差以取得一第二斜率；將第一斜率除於第二斜率以取得一調整比例；以一庫倫計數法計數電池所放電的一電荷容量以計算出一放電的計數容量；將放電的計數容量乘於調整比例以取得一調整值；將一先前記錄的殘餘容量減去調整值以預估出一新的殘餘容量；及將新的殘餘容量除於一滿充電容量以預估出一新的電池電量狀態。

本發明一實施例中，更包括一滿充電容量的更新程序，其步驟包括：判斷檢測出的電池的電壓是否小於或等於電壓門檻值；若電池的電壓小於或等於電壓門檻值，停止更新滿充電容量的流程，若電池的電壓不小於或不等於電壓門檻值，繼續判斷電池的電流是否小於零；若電池的電流小於零，停止更新滿充電容量的流程，若電池的電流不小於零，開始執行滿充電容量的更新程序；執行滿充電容量的更新程序的步驟包括：以庫倫計數法計數電池所充電的電荷容量以計算出一充電的計數容量且將先前記錄的殘餘容量加上充電的計數容量以取得一新記錄的殘餘容量；及判斷電池是否處在一充滿電的狀態，若是，將新記錄的殘餘容量更新為滿充電容量；若否，回到判斷電池的電流是否小於零的步驟。

本發明一實施例中，更包括下列步驟：判斷電池的一電流或一平均電流是否為零；若電池的電流或平均電流為零，執行一電池靜態時的殘餘容量的校正程序，若電池的電流或平均電流不為零，電池正在充電或放電；執行電池靜態時的殘餘容量的校正程序的步驟包括：檢測電池的電壓；根據檢測出電池的電壓以從查找表中查詢出一對照的參考殘餘容量；及判斷先前記錄的殘餘容量是否大於參考殘餘容量，當先前記錄的殘餘容量小於參考容量時，重新回到判斷電池的電流或平均電流是否為零的步驟；當先前記錄的殘餘容量大於參考殘餘容量時，對於先前記錄的殘餘容量執行至少一次自耗電容量的扣除程序以使新記錄的殘餘容量小於參考殘餘容量，當自耗電容量的扣除程序完成後，重新回到判斷電池的電流或平均電流是否為零的步驟。

本發明一實施例中，更包括下列步驟：判斷出電池的電流大於零時執行一電池充電時的殘餘容量的計數程序；執行電池充電時的殘餘容量的計數程序的步驟包括：以庫倫計數法計數電池所充電的電荷容量以計算出一充電的計數容量；將先前記錄的殘餘容量加上充電的計數容量以取得新的殘餘容量；及將新的殘餘容量除於滿充電容量以預估出新的電池電量狀態。

本發明一實施例中，電壓門檻值為一低電量狀態所對應的特定電壓或一截止放電電壓。

本發明一實施例中，查找表為電池的電壓與參考電量狀態及參考殘餘容量的對照表。

請參閱第1圖、第2圖、第3圖、第4圖及第5圖，分別為本發明電子設備的電路結構示意圖、本發明電池電量狀態的預估方法的流程圖、本發明電池放電時的殘餘容量的調整程序流程圖、本發明電池電壓與電量狀態的曲線圖及本發明電池靜態時的殘餘容量的校正程序流程圖。如第1圖所示，本發明電子設備100亦可為一電動車、一手持式電子裝置或一以電池作為主要供電電源的設備，其包括一電池10、一處理器11、一儲存單元12、一顯示單元13、一電流檢測電路14及一電壓檢測電路15。處理器11連接電池10、儲存單元12、顯示單元13、電流檢測電路14及電壓檢測電路15。儲存單元12儲存有一電池容量的預估程式120與一查找表121，且記錄有一電池的殘餘容量(Remaining Capacity，RM)及一電池的滿充電容量(Full Charged Capacity，FCC)的資訊。本發明電子設備100將利用電池容量的預估程式120對於電池10的電量狀態(State of Charge，SOC)進行預估。再者，所預估出的電量狀態(SOC)將會儲存於儲存單元12中及顯示在顯示單元13上。

如第2圖所示，本發明電池電量狀態(SOC)的預估方法的流程如下所述：首先，步驟S201，處理器11開啟電池容量的預估程式120，利用電流檢測電路14檢測電池10的一電流(I)，判斷電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)是否為零。假如電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)不為零，電池10正處在一充放電的狀態，繼續執行步驟S203，處理器11判斷電池10的電流(I)是否小於零。若電池10的電流(I)小於零，電池容量的預估程式120將會執行一電池放電時的殘餘容量的調整程序S21；若電池10的電流(I)不小於零，電池容量的預估程式120將會執行一電池充電時的殘餘容量的計數程序S23。再者，回到步驟S201，假如電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)等於零，電池10正處在一未充放電的狀態，電池容量的預估程式120將會執行一電池靜態時的殘餘容量的校正程序S25。

如第3圖所示，電池10正在放電時，電池容量的預估程式120執行電池放電時的殘餘容量的調整程序S21。首先，步驟S211，處理器11利用電壓檢測電路15檢測電池10的一電壓(V _X)，根據於檢測出的電壓(V _X)從查找表121中查詢出一對照的參考電量狀態(SOC _ref)。在本發明一實施例中，查找表121為一電池的電壓與參考電量狀態(SOC _ref)及參考殘餘容量(RM _ref)的對照表，其列出每一電池的電壓所對照的參考電量狀態(SOC _ref)以及參考殘餘容量(RM _ref)，例如：A1(mV)的電壓對照於B1(%)的參考電量狀態及C1(mA)的參考殘餘容量，A2(mV)的電壓對照於B2(%)的參考電量狀態及C2(mA)的參考殘餘容量，…，A _N(mV)的電壓對照於B _N(%)的參考電量狀態及C _N(mA)的參考殘餘容量等等。步驟S213，檢測出的電壓(V _X)減去一電壓門檻值(V _th)以取得一電壓差(V _d= V _X- V _th)。本發明一實施例中，電壓門檻值(V _th)亦可為一低電量狀態(SOC)所對應的特定電壓，例如：0%　SOC所對應的電壓值或5% SOC所對應的電壓值。或者，本發明又一實施例中，電壓門檻值(V _th)亦可為一截止放電電壓(EDV，End of Discharge Voltage)。步驟S215，現在的參考電量狀態(SOC _now)除於電壓差(V _d)以取得電池10之放電曲線301的一第一斜率(Slope 1)，如第4圖所示；參考電量狀態(SOC _ref)除於電壓差(V _d)以取得一第二斜率(Slope 2)；而後，將第一斜率(Slope 1)除於第二斜率(Slope 2)以取得一調整比例(Adj(%))。接著，步驟S217，以一庫倫計數法計數電池10所放電的一電荷容量而計算出一放電的計數容量(Count_Dsg)，將放電的計數容量乘於調整比例以取得一調整值(Adj_Value=Count_Dsg×Adj(%))；然後，一先前記錄的殘餘容量(RM _prev)減去調整值(Adj_Value)即可補償出一新的殘餘容量(RM _new=RM _prev－Adj_Value)。再度參閱第2圖，執行完電池放電時的殘餘容量的調整程序S21後，執行步驟S205，將補償出的殘餘容量(RM _new)除於一滿充電容量(FCC)即可取得一新的電池電量狀態(SOC _new= RM _new/ FCC)。

上述提到，在電池使用過程中，常會因為大電流的放電或嚴苛環境而造成預估電量狀態(SOC)的誤差。於是，當第一斜率(Slope 1)大於第二斜率(Slope 2)還要大時，其代表目前的電量狀態比實際的電量狀態還要高，則，先前記錄的殘餘容量(RM _prev)將會減去較大的調整值(Adj_Value)；反之，當第一斜率(Slope 1)小於第二斜率(Slope 2)時，其代表目前的電量狀態比實際的電量狀態還要低，則，先前記錄的殘餘容量(RM _prev)將會減掉較小的調整值(Adj_Value)。如此，在電池10的放電過程中，即時調整殘餘容量(RM)，以使預估出的電池電量狀態(SOC)能夠更為精準。

回到步驟S203，當處理器11判斷電池10的電流(I)大於零時，電池容量的預估程式120將會執行電池充電時的殘餘容量的計數程序S23。在電池充電時的殘餘容量的計數程序S23中，以庫倫計數法計數電池10所充電的電荷容量而計算出一充電的計數容量(Count_chg)，將先前記錄的殘餘容量(RM _prev)加上充電的計數容量(Count_chg)即可取得一新的殘餘容量(RM _new=RM _prev+Count_chg)。之後，執行完電池充電時的殘餘容量的計數程序S23後，執行步驟S205，將新的殘餘容量(RM _new)除於滿充電容量(FCC)即可取得一新的電池電量狀態(SOC _new)。

又，回到步驟S201，當處理器11判斷電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)等於零時，電池10處在一未充放電的狀態，電池容量的預估程式120將會執行電池靜態的殘餘容量的校正程序S25。如第5圖所示，在靜態的殘餘容量的校正程序S25中，首先，步驟S251，處理器11利用電壓檢測電路15檢測電池10的電壓(V _X)，根據於檢測出的電壓(V _X)從查找表121中查詢出對照的參考殘餘容量(RM _ref)。步驟S253，處理器11判斷先前記錄的殘餘容量(RM _prev)是否大於參考殘餘容量(RM _ref)。若先前記錄的殘餘容量(RM _prev)小於參考殘餘容量(RM _ref)，不更新殘餘容量(RM _prev)，重新回到步驟S201，處理器11繼續判斷電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)是否為零。反之，若先前記錄的殘餘容量(RM _prev)大於參考殘餘容量(RM _ref)時，執行步驟S255對於先前記錄的殘餘容量(RM _prev)執行至少一次自耗電容量(self-consumption capacity)的扣除程序，以取得一新的殘餘容量(RM _new= RM _prev－Self_con)，之後，步驟S253及S255持續進行，直到新的殘餘容量(RM _new)小於參考殘餘容量(RM _ref)為止。在本發明中，自耗電容量(Self_con)是為一殘餘容量的自我修正值，其為一小單位的數值，如1mAh或其他數值。當自耗電容量(Self_con)的扣除程序完成後且新的殘餘容量(RM _new)已小於參考容量(RM _ref)時，新的殘餘容量(RM _new)將記錄儲存單元12中，且重新回到步驟S201，處理器11繼續判斷電池10的電流(I)或平均電流(I _avg)是否為零。於此，經由多次的自耗電容量(Self_con)校正所記錄的殘餘容量(RM _new)，以使所記錄的殘餘容量(RM _new)能夠逐漸接近於查找表121中所對應的參考殘餘容量(RM _ref)。之後，執行完靜態的殘餘容量的校正程序S25後，繼續執行步驟S205，將新的殘餘容量(RM _new)除於滿充電容量(FCC)即可取得新的電池電量狀態(SOC _new)。

此外，本發明一實施例中，尚包括有一滿充電容量(FCC)的更新流程，如第6圖所示。在滿充電容量(FCC)的更新流程中，首先，步驟S271，處理器11判斷電池10的電壓(V _X)是否小於或等於電壓門檻值(V _th)。電壓門檻值(V _th)亦可為截止放電電壓(EDV)。若電壓(V _X)不小於或不等於電壓門檻值(V _th)，執行步驟S272，一滿充電的更新旗標(FCC_Update_Flag)設定為零，停止滿充電容量(FCC)的更新；反之，若電壓(V _X)小於或等於電壓門檻值(V _th)，繼續步驟S273，判斷電池10的電流(I)是否小於零。若電池10的電流(I)小於零，回到步驟S272，停止滿充電容量(FCC)的更新；反之，若電池10的電流(I)不小於零，滿充電的更新旗標(FCC_Update_Flag)設定為一，開始執行滿充電容量(FCC)的更新程序S28。在滿充電容量(FCC)的更新程序S28中，步驟S281，以庫倫計數法計數電池10所充電的電荷容量而計算出充電的計數容量(Count_chg)，將先前記錄的殘餘容量(RM _prev)加上充電的計數容量(Count_chg)以取得新的殘餘容量(RM _new=RM _prev+Count_chg)。接著，步驟S282，判斷電池10是否已充滿電。若電池10已處在充滿電的狀態，執行步驟S283，新的殘餘容量(RM _new)更新成為一新的滿充電容量(FCC _new=RM _new)；反之，若電池10尚未滿充電，回到步驟S273，判斷電池10的電流(I)是否小於零，以決定是否繼續執行滿充電容量(FCC)的更新程序S28。於此，藉由滿充電容量(FCC)的更新，以便能夠預估出更精確的電池電量狀態(SOC)。

請參閱第7圖，係表示出本發明預估電池放電時的電量狀態曲線及習用技術預估電池放電時的電量狀態曲線的示意圖。如第7圖所示，習用技術僅以電壓查表法進行電池放電時的電量狀態(SOC)的預估，其預估出的結果如曲線303所示，該曲線303為一線性的曲線。再者，僅以電壓查表法預估電池放電時的電量狀態(SOC)，容易因為大電流的放電或嚴苛的環境條件而造成電量狀態(SOC)預估上的誤差。當電池的電量被高估且其電量狀態(SOC)處在較低水位時，若繼續放電，電量狀態(SOC)亦可能直接劇降至0%，例如：在曲線303中，當電池的電量被高估且處在較低的10%電量狀態(SOC)時，若電池繼續放電，電池的電量狀態(SOC)將會從10%瞬間劇降至0%，而造成以電池作為電力的電子設備無預警的停止運作。

本發明以電池容量的預估程式120進行電池放電時的電量狀態(SOC)的預估，其預估出的結果如曲線305所示，該曲線305呈現出一拋物線的態樣。以第7圖為例，本發明電池容量的預估程式120將對於失準的殘餘容量(RM)及電量狀態(SOC)進行調整，當電池10的電量狀態(SOC)放電至40%以下時，其曲線305上的電量狀態(SOC)相較於線性的曲線303上的電量狀態(SOC)明顯地被調整過。因此，本發明藉由電池容量的預估程式120即時調整電池的電量狀態(SOC)，當電池10處在較低的電量狀態(SOC)時，若繼續放電，電池電量狀態(SOC)將不會產生瞬間劇降至0%的情況，例如：電池10在放電的過程中，電量狀態(SOC)不會從10%瞬間劇降至0%，致使以增加利用電池10作為電力的電子設備運作上的安全性及穩定性。

以上所述者，僅為本發明之一較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，即凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

100‧‧‧電子設備

10‧‧‧電池

11‧‧‧處理器

12‧‧‧儲存單元

120‧‧‧電池容量的預估程式

121‧‧‧查找表

13‧‧‧顯示單元

14‧‧‧電流檢測電路

15‧‧‧電壓檢測電路

301‧‧‧曲線

303‧‧‧曲線

305‧‧‧曲線

第1圖：本發明電子設備的電路結構示意圖。

第2圖：本發明電池電量狀態的預估方法的流程圖。

第3圖：本發明電池放電時的殘餘容量的調整程序流程圖。

第4圖：本發明電池電壓與電量狀態的曲線圖。

第5圖：本發明電池靜態時的殘餘容量的校正程序流程圖。

第6圖：本發明電池的滿充電容量的更新流程圖。

第7圖：本發明預估電池放電時的電量狀態曲線及習用技術預估電池放電時的電量狀態曲線的示意圖。

Claims

一種電池電量狀態的預估方法，其預估方法使用在一具有一電池的電子設備上，步驟包括：判斷該電池的一電流小於零時執行一電池放電時的殘餘電量的調整程序；執行該電池放電時的殘餘電量的調整程序的步驟包括：檢測該電池的一電壓；根據檢測出的該電池的該電壓以從一查找表中查詢出一對照的參考電量狀態；將檢測出的該電池的該電壓減去一電壓門檻值以取得一電壓差；將一現在的電量狀態除於該電壓差以取得一第一斜率；將該參考的電量狀態除於該電壓差以取得一第二斜率；將該第一斜率除於該第二斜率以取得一調整比例；以一庫倫計數法計數該電池所放電的一電荷容量以計算出一放電的計數容量；將該放電的計數容量乘於該調整比例以取得一調整值；將一先前記錄的殘餘容量減去該調整值以預估出一新的殘餘容量；及將該新的殘餘容量除於一滿充電容量以預估出一新的電池電量狀態。
如申請專利範圍第1項所述的電池電量狀態的預估方法，更包括一滿充電容量的更新程序，其步驟包括：　　　　　　　判斷該檢測出的該電池的該電壓是否小於或等於該電壓門檻值；若該電池的該電壓小於或等於該電壓門檻值，停止該更新滿充電容量的流程，若該電池的該電壓不小於或不等於該電壓門檻值，繼續判斷該電池的該電流是否小於零；若該電池的該電流小於零，停止該更新滿充電容量的流程，若該電池的該電流不小於零，開始執行該滿充電容量的更新程序；執行該滿充電容量的更新程序的步驟包括：以該庫倫計數法計數該電池所充電的該電荷容量以計算出一充電的計數容量且將該先前記錄的殘餘容量加上該充電的計數容量以取得一新記錄的殘餘容量；及判斷該電池是否處在一充滿電的狀態，若是，將該新記錄的殘餘容量更新為該滿充電容量；若否，回到判斷該電池的該電流是否小於零的步驟。
如申請專利範圍第1項所述的電池電量狀態的預估方法，更包括下列步驟：判斷該電池的一電流或一平均電流是否為零；若該電池的該電流或該平均電流為零，執行一電池靜態時的殘餘容量的校正程序，若該電池的該電流或該平均電流不為零，該電池正在充電或放電；執行該電池靜態時的殘餘容量的校正程序的步驟包括：檢測該電池的該電壓；根據檢測出該電池的該電壓以從該查找表中查詢出一對照的參考殘餘容量；及判斷該先前記錄的殘餘容量是否大於該參考殘餘容量，當該先前記錄的殘餘容量小於該參考容量時，重新回到該判斷該電池的該電流或該平均電流是否為零的步驟；當該先前記錄的殘餘容量大於該參考殘餘容量時，對於該先前記錄的殘餘容量執行至少一次自耗電容量的扣除程序以使該新記錄的殘餘容量小於該參考殘餘容量，當該自耗電容量的扣除程序完成後，重新回到該判斷該電池的該電流或該平均電流是否為零的步驟。
如申請專利範圍第1項所述的電池電量狀態的預估方法，更包括下列步驟：　　　　　　判斷出該電池的該電流大於零時執行一電池充電時的殘餘容量的計數程序；　　　　　　執行該電池充電時的殘餘容量的計數程序的步驟包括：　　　　　　　以該庫倫計數法計數該電池所充電的該電荷容量以計算出一充電的計數容量；將該先前記錄的殘餘容量加上該充電的計數容量以取得該新的殘餘容量；及　　　　　　　將該新的殘餘容量除於該滿充電容量以預估出該新的電池電量狀態。
如申請專利範圍第1項所述的電池電量狀態的預估方法，其中該電壓門檻值為一低電量狀態所對應的電壓或一截止放電電壓。
如申請專利範圍第3項所述的電池電量狀態的預估方法，其中該查找表為該電池的該電壓與該參考電量狀態及該參考殘餘容量的對照表。