專利名稱：電池截止放電電壓測量及修正方法
技術領域：
本發明是關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：
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、個人數字助理、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。當耗損到一定程度而使剩余的電能不足以驅動該裝置的電路后，一種選擇是丟掉，另一選擇則是再充電。一般而言，不管是以環保考慮，還是以長時間總平均成本思考，可攜式電子裝置多數采取電池再充電的方式，將原來耗損的電能補充回來。
當然，電池可以提供可攜式電子產品使用的時間與該可攜式電子裝置的消耗功率息息相關，也和電池蓄電能力有著密切的關系。
而電池蓄電能力除了和電池的蓄電材料有關，也和蓄電材料的記憶效應有關。所謂電池的記憶效應是指電池在使用過程中，由于長期得不到完全的放電，導致電池的實際容量小于真實容量的現象。該現象和電池中的某些元素的特性有關。例如早期的鎳鎘電池，到近期的鎳氫電池或鋰電池都發現有不同程度的記憶效應。
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，即當電池充電至飽和狀態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稱為EDV0，指的是電池的殘余電能為0％。事實上，可攜式電子裝置的充電電池通常不會把截止放電電壓設在殘余電能為0％處。因為，一來可攜式電子裝置若包含隨機存取存儲器時，電池突然地不再供電，將導致使用者的未儲存數據或設定流失。另外，若這個裝置屬于病人的醫護產品時，情況更嚴重，因為那將可能導致病患立刻身陷危險。
因此，一個智能型的電池管理系統應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％時預先警示使用者。或者至少在EDV2就不再供電，以免這顆電池提早宣告壽終正寢。
然而，另有一點必需注意的是，EDV2并非是一成不變的，它與使用的環境溫度、電池老化程度及電池負載電流(可攜式電子裝置放電電流)等有關。請再參考圖1所示的放電曲線。單純的設定一固定EDV門檻來監控，而忽略環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。
發明內容
有鑒于此，本發明提供一種電池容量的測量方法，將同時考慮環境溫度與電池的放電電流，以取得更準確的電池截止放電電壓。
本發明提出一種電池截止放電電壓測量及修正方法，其是依據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系中，放電曲線由平緩至下彎的轉折處的電池端電壓，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。本發明的方法是先利用實驗數據歸納出兩個二元一次經驗公式，每一經驗公式包含三個參數及兩個變量。該兩個變量的其中一個和溫度有關，另一個則是放電電流。三個參數中的其中一個是兩個經驗公式都有，另外兩個參數則是兩個經驗公式都不同。再設定以特定溫度及放電速率作為邊界條件進行定額電流特定溫度的放電曲線測量，以找出三個參數，即可依據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，以定額電流進行第一及第二放電曲線測量，依據這兩個放電曲線定出兩組EDV2及EDV0，再將兩組EDV2及EDV0代入經驗公式(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三個參數值。
利用上述經驗公式(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，當所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值和以第一及第二放電曲線所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值偏離值低于5％誤差值以內，則接受，若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值，并以第二及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值。
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行。所述的放電曲線測量電池放電過程，電池必須是連續放電下進行，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℃下進行。
本發明的有益效果在于(1)依據本發明的方法，使用兩個二元一次的經驗公式，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、溫度以及三個參數值EMC、EDV_gain、EDV_factor。
(2)本發明的方法使用低階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低價化。
通過以下詳細的描述結合所附圖式，將可輕易了解上述內容及此項發明的諸多優點，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流程。
圖3為電池監測裝置的方塊示意圖。
圖4所示為脈波信號。
圖號對照表15ADC(模擬數字轉換器)20CPU(中央處理單元)25時鐘脈沖產生器 30ROM(只讀存取存儲器)35SMBus接口 40LED1-4為EDV曲線量度可靠度檢驗流程。
具體實施例方式
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、持續的放電電流等有關，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，以獲得較準確的EDV2。
依據本發明的方法，EDV2可以依據放電曲線來獲得，請參考圖1，橫坐標為電池容量，而縱坐標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。本發明依據許多的實驗數據歸納出放電曲線滿足以下經驗公式(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，這個公式是經驗公式。僅管如此，在(I)及(II)進行計算時，就不再管放電電流和QT的單位，即當作無單位因次來計算。
而EMC、EDV_factor及EDV_gain則是相關的參數可利用預設的邊界條件而獲得。
邊界條件(1)設定在環境溫度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電路關閉放電為止，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，則放電速率設定在每小時2200mA的放電速率下連續放電，一般而言，只要在電池容量的40％至60％下進行即可，即每小時1760mA至2640mA下都可接受。電池管理芯片中的保護電路關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(或依據積分方法計算出)。另外兩個邊界條件(2)及(3)，可分別設在環境溫度45℃及5℃下，使用相同條件求出。當然，上述的邊界條件所示的溫度僅為說明舉例方便而已，并請注意是環境溫度，而非電池表面溫度。而且不是用以限定本發明的范圍。
依據上述方法，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。依據上述的(I)式及(II)式各有兩個未知數，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，當假設上述EDV2及EDV0的經驗公式和放電曲線完全一致時，則兩個二元一次方程式應該只用兩個邊界條件即可。但應注意的是，上述公式畢竟只是經驗公式，因此，多放一個中間值溫度(室溫)，量度放電曲線，用以在當所量得的放電曲線偏離經驗公式時進行修正。依據本發明的實驗數據顯示，偏離值多在實驗的允許誤差之內(典型為5％以下)。在允許誤差范圍內時，則上述方法計算出的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值就予以接受。若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值，并以第二及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值。三組EMC、三組EDV_gain、三組EDV_factor，再分別取其平均值。
當EMC、EDV_gain、EDV_factor三個參數利用上述邊界條件下的放電曲線取得之后，再利用本發明的電池管理芯片系統便可修正在任意放電電流及溫度下的截止放電溫度。
上述的電池學習過程中，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(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。經過上述步驟的檢驗后，電池EDV曲線的量度才被視為可靠的。
本發明的系統的架構請參照圖3，包含一ADC(模擬數字轉換器)15、一CPU(中央處理單元)20，一時鐘脈沖產生器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38連接。主機可以是筆記型計算機的主機板或筆記型計算機的充電器。時鐘脈沖產生器25提供CPU 20運作的時鐘脈沖。依據本發明的方法，時鐘脈沖產生器25在一預設的固定時間，就提供一中斷給CPU 20，這個中斷是由時鐘脈沖產生器25所產生的，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CPU產生中斷(interrupt)的接腳，以產生中斷，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(host)的電池相關資料，比如電池的溫度、目前的負載電流(放電電流)及電池的電壓值等，經ADC 15轉換為數字信號后，由CPU 20讀取，再以ROM內預存的程序計算電池的殘余電能，計算結果存于暫存器或存儲器內。當SMBus(smart battery management；智能型電池管理)接口35動作時，CPU會依據暫存器的內容，將殘余電能顯示于LED上。主機也可以經由SMBus接口35將殘余電能讀出。
詳細地說，當電流流過一已知的負載電阻值時，只要取得負載電阻的跨壓的模擬信號，再經過ADC 15轉換為數字信號時，CPU 20只要根據這個數字信號的大小就可得知負載電流值。而電池的電壓值則由電池的端電壓經ADC15的轉換也可以得知，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，電動勢經由ADC15的轉換提供給CPU20，就可以得知電池的溫度。CPU則依據取得的數字信號(即電池溫度、負載電流及電池的電壓值經ADC 15轉換后的信號)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，即若要達到確實監控電池的殘余電量，每次RTC中斷的時間就必需加以校正。依據本發明的方法，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，本發明的ROM內的計算程序在出廠前就先作時間校正，即在累積一定數額的RTC中斷后，例如120個RTC中斷，利用主機的參考時鐘脈沖，或已知的時鐘，校正每一RTC的時間。因此，依據本發明的方法，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與流出電池的電容量。
更詳細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)。
本發明有以下優點(1)依據本發明的方法，使用兩個二元一次的經驗公式，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、溫度以及三個參數值EMC、EDV_gain、EDV_factor。
(2)本發明的方法使用低階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低價化。
本發明雖以較佳實例闡明如上，然而其并非用以限定本發明，在不脫離本發明的精神與范圍內所作的修改，均應包含在權利要求的范圍內。
權利要求
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系中放電曲線由平緩至下彎的轉折處的端電壓，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代入以下經驗公式(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參數值；其中，溫度是以℃為單位；利用所述經驗公式(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境溫度5℃、25℃及45℃的其中任選兩個溫度。
3.如權利要求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，當所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值和以第一及第二放電曲線所得的EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值偏離值低于5％誤差值以內，則接受，若超出時，則以第一及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值，并以第二及第三放電曲線為基礎重新計算EMC、EDV_gain、EDV_factor參數值。
4.如權利要求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％的放電速率持續放電。
5.如權利要求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行。
6.如權利要求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，電池是連續放電下進行，中途不被充電。
7.如權利要求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驗數據歸納出兩個二元一次經驗公式，每一經驗公式包含三個參數及兩個變量。該兩個變量的其中一個和溫度有關，另一個則是放電電流。三個參數中的其中一個是兩個經驗公式都有，另外兩個參數則是兩個經驗公式都不同。再設定以特定溫度及放電速率作為邊界條件進行定額電流特定溫度的放電曲線測量，以找出三個參數，即可依據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 優先權日2006年3月7日
發明者何昌祐 申請人:新德科技股份有限公司