專利名稱：電池容量預(yù)測方法,電池組和使用電池組的設(shè)備的制作方法
一般說來，本發(fā)明涉及電池容量預(yù)測方法，電池組和使用電池組的設(shè)備；更具體地說，涉及一種適合對一種由于過量放電而容易損壞的電池、預(yù)測其剩余容量的電池容量預(yù)測方法，一種能夠使用這樣一種電池容量預(yù)測方法的電池組，和一種使用這樣一種電池組的象便攜式電子設(shè)備之類的設(shè)備。
近來，在一些以筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)或者lap-top計(jì)算機(jī)為代表的便攜式電子設(shè)備之類的設(shè)備中，更廣泛地使用鋰離子(Li+)電池或類似電池，去取代鎳鎘(NiCd)電池、鎳氫(NiMH)電池或類似電池。同NiCd電池、NiMH電池或類似電池相比，Li+電池或類似電池是重量較輕，且每單位體積的容量較大。由于這個(gè)緣故，Li+電池或類似電池適用于那些必須滿足若干要求，例如實(shí)現(xiàn)輕重量和長期連續(xù)使用要求的設(shè)備。
然而，Li+電池或類似電池容易由于過量放電而損壞。例如，如果用戶錯(cuò)誤地使Li+電池經(jīng)受過量的放電，則Li+電池會遭受不可恢復(fù)的損壞。由于這個(gè)緣故，包括Li+電池或類似電池在內(nèi)的電池組具有一個(gè)內(nèi)裝的過量放電預(yù)防電路，它在電池電壓變成小于某一預(yù)定電壓時(shí)，檢測并斷開電池的輸出，以防電池功能由于用戶錯(cuò)誤操作而惡化。
另一方面，在那種使用有著內(nèi)裝過量放電預(yù)防電路的電池組的設(shè)備中，有必要監(jiān)測電池組的輸出電壓，并且采取措施，以便在過量放電預(yù)防電路操作之前，不在設(shè)備內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)的破壞或類似的破壞。特別是在筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)或類似設(shè)備情況下，如果電池衰竭，就會喪失全部正在處理的數(shù)據(jù)；這樣，必須在有利的時(shí)刻通過識別剩余的電池容量而在象軟磁盤之類的非易失性記錄媒體中，保存數(shù)據(jù)。因此為了防止這類數(shù)據(jù)破壞或類似破壞，就向某些筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)或類似設(shè)備提供一種指示電池剩余容量的功能。


圖1是一個(gè)說明一種常規(guī)電池容量預(yù)測方法的電路圖。在圖1中，電池組501連接于一個(gè)象筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)之類的設(shè)備502。電池組501具有一個(gè)內(nèi)裝的過量放電預(yù)防電路，它包含一個(gè)電路部分510和一個(gè)開關(guān)515。電路部分510包含電壓比較器511至513，和一個(gè)OR(“或”)電路。在這個(gè)實(shí)例中，在電池組501內(nèi)串聯(lián)地連接三個(gè)電池單元E1至E3。向電壓比較器51i提供電池單元Ei的輸出電壓和指示電池單元Ei的過量放電極限電壓的參考電壓e1，其中i＝1，2和3。開關(guān)515由一個(gè)場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成。
電池單元E1至E3由例如Li+電池形成。電池容量預(yù)測方法可以大致分類成一種通過從電池容量中減去已用功率而預(yù)測電池容量的方法；和一種從電池輸出電壓來預(yù)測電池容量的方法。Li+電池具有這樣的特征當(dāng)充分充電時(shí)，Li+電池的輸出電壓達(dá)到最大值；而隨著放電的進(jìn)行，輸出電壓降低。由于這個(gè)緣故，在這個(gè)實(shí)例中，就用后一方法預(yù)測電池的剩余容量。
當(dāng)相應(yīng)于電池單元E1至E3的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，電壓比較器511至513就輸出一些高電平的信號。因此，當(dāng)電壓比較器511至513之一輸出一個(gè)高電平的信號時(shí)，開關(guān)515就響應(yīng)這個(gè)來自O(shè)R電路514的高電平信號而轉(zhuǎn)移OFF(斷開)，使電池組501與設(shè)備502切斷。結(jié)果，當(dāng)至少一個(gè)電池單元的輸出電壓變成小于或等于過量放電極限電壓時(shí)，就切斷電池組501的輸出，從而防止電池單元E1至E3的過量放電。
設(shè)備502裝有一個(gè)由電阻器R1和R2組成的電壓除法電路，一個(gè)電壓測量電路520等。電壓測量電路520測量通過電壓除法電路得到的電池組501的輸出電壓，并且通過比較所測輸出電壓和所預(yù)定參考電壓而預(yù)測電池組501的剩余容量。由于考慮到各個(gè)電池單元E1至E3在容量上的不一致，故把這個(gè)預(yù)定參考電壓設(shè)置成，略大于電池組501的參考電壓e1的3倍。當(dāng)電池組501的輸出電壓，即電池單元E1至E3的輸出電壓的總和，變成小于或等于所預(yù)定參考電壓時(shí)，設(shè)備502就判定，電池組501的輸出電壓已變成接近過量放電電壓，從而例如向用戶輸出一個(gè)報(bào)警信號。
當(dāng)各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，就發(fā)生電池組501由于過量放電而變質(zhì)。當(dāng)在電池組501內(nèi)串聯(lián)地連接的電池單元E1至E3的各輸出電壓被平衡時(shí)，就不必去監(jiān)測各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓。在這種情況下，監(jiān)測電池單元E1至E3的輸出電壓的總和是充分的，并且當(dāng)此總和變成小于或等于參考電壓時(shí)，可以操作過量放電預(yù)防電路。
然而，在實(shí)踐中，各個(gè)電池單元E1至E3的容量是不一致的，各電池單元E1至E3的容量相差約10％不是異常的。此外，在各電池單元E1至E3的容量上的差異，會隨著電池組501的充電與放電周期數(shù)目的增加，而變得更大，因?yàn)楦麟姵貑卧狤1至E3的容量也隨著各電池單元E1至E3的單獨(dú)惡化而變成不一致。由于這個(gè)緣故，電池組501的內(nèi)裝過量放電預(yù)防電路就監(jiān)測各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓，并且當(dāng)電池單元E1至E3中的至少一個(gè)單元的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，開關(guān)515就轉(zhuǎn)接OFF，以便通過斷開電池組501和設(shè)備502而斷開電池組501的輸出電壓。
另一方面，設(shè)備502也監(jiān)測電池組501的輸出電壓，即電池單元E1至E3的輸出電壓的總和；從此總和來預(yù)測電池組501的剩余容量；并且在過量放電預(yù)防電路切斷開關(guān)515之前，檢測電池組501內(nèi)的過量放電預(yù)防電路的操作。由于這個(gè)緣故，有必要通過考慮各個(gè)電池單元E1至E3的容量上的差別，用充分的安全系數(shù)設(shè)置預(yù)定的參考電壓。
但如果上述的安全系數(shù)太大，則即使電池組501的實(shí)際剩余容量是充分大的，設(shè)備502也會判定，電池組501的放電是接近完結(jié)的。結(jié)果，出現(xiàn)一個(gè)問題電池組501的利用效率低。此外，當(dāng)在一種電池組501的剩余容量是充分大的狀態(tài)中，重復(fù)進(jìn)行電池組501的充電與放電時(shí)，也出現(xiàn)一個(gè)問題電池組501的合用壽命由于過量放電而縮短。
另一方面，如果上述安全系數(shù)太小，則即使電池組501的放電接近完結(jié)，設(shè)備502也會繼續(xù)使用電池組501。在這種情況下，出現(xiàn)一個(gè)問題過量放電預(yù)防電路在設(shè)備502的操作期間突然切斷電池組501的輸出電壓。當(dāng)在設(shè)備502的操作期間突然切斷電池組501的輸出電壓時(shí)，就在設(shè)備502內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)的破壞等，并且用戶可能面臨嚴(yán)重的電源事故。
因此，本發(fā)明之總目的在于提供一種消除上述問題的新穎有用的電池容量預(yù)測方法，電池組，和使用電池組的設(shè)備。
本發(fā)明之另一更具體之目的在于提供一種可準(zhǔn)確預(yù)測電池組剩余容量的電池容量預(yù)測方法，以便甚至當(dāng)重復(fù)進(jìn)行電池組的充電與放電時(shí)，也可通過防止過量的充電而提高電池組的利用效率，并延長電池組的合用壽命。本發(fā)明之目的還在于提供一種啟用這樣一種電池容量預(yù)測方法的電池組，并且提供一種使用這樣一種電池組的設(shè)備。
本發(fā)明之又一目的在于提供，一種用于在使用電池組的設(shè)備中預(yù)測一種包括多個(gè)串聯(lián)連接電池單元的電池組的剩余容量的電池容量預(yù)測方法，該方法包括下列步驟(a)比較各個(gè)電池單元的輸出電壓，和(b)根據(jù)從電池的各輸出電壓的比較中得出的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。根據(jù)本發(fā)明的電池容量預(yù)測方法，有可能準(zhǔn)確地預(yù)測電池組的剩余容量，并且提高電池組的利用效率。
本發(fā)明之另一目的在于提供一種包含多個(gè)串聯(lián)地連接的電池單元的電池組，和一種按照電池組的各輸出電壓中的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓而輸出的電路。根據(jù)本發(fā)明的電池組，有可能在使用電池組的設(shè)備中準(zhǔn)確地預(yù)測電池組的剩余容量。
本發(fā)明之另一目的在于提供，一種用于預(yù)測一種有多個(gè)串聯(lián)連接電池單元的電池組的剩余容量的設(shè)備，該設(shè)備包括耦合裝置，用于把電池組電耦合到該設(shè)備上；和預(yù)測裝置，用于根據(jù)電池組的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備，有可能準(zhǔn)確地預(yù)測電池組的剩余容量，從而提高電池組的利用效率。
結(jié)合附圖閱讀下面的詳細(xì)描述，會明顯地看出本發(fā)明的其他目的和其他特點(diǎn)。
圖1是一個(gè)電路圖，說明一種常規(guī)電池容量預(yù)測方法；圖2是一個(gè)電路圖，說明根據(jù)本發(fā)明的電池組的第一實(shí)施例，和根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第一實(shí)施例的一部分；圖3是一個(gè)電路圖，說明根據(jù)本發(fā)明的電池組的第二實(shí)施例，和根據(jù)本發(fā)明的設(shè)備的第二實(shí)施例的一部分；圖4是一個(gè)曲線圖，說明放電結(jié)束電壓和充電結(jié)束電壓相對于各電池單元的充電與放電周期數(shù)目的關(guān)系；圖5是一個(gè)曲線圖，說明電池電壓與未用過的電池單元的放電時(shí)間的關(guān)系；圖6是一個(gè)曲線圖，說明電池電壓與經(jīng)歷300個(gè)充電與放電周期的電池單元的放電時(shí)間的關(guān)系；圖7是一個(gè)曲線圖，說明電池電壓與經(jīng)歷500個(gè)充電與放電周期的電池單元的放電時(shí)間的關(guān)系；圖8是一個(gè)系統(tǒng)方塊圖，說明電壓測量電路的結(jié)構(gòu)；圖9是一個(gè)流程圖，說明一個(gè)CPU操作的一個(gè)實(shí)施例；和圖10是一個(gè)流程圖，說明這個(gè)CPU操作的另一個(gè)實(shí)施例。
為了消除上述先有技術(shù)的問題，可以設(shè)想，監(jiān)測設(shè)備內(nèi)的各電池單元的輸出電壓，其方法類似于在電池組內(nèi)所作的監(jiān)測。然而，在這種情況下，必須提供一些用于把各個(gè)電池單元的輸出電壓供給設(shè)備的終端。此外，還必須提供一種用于把各個(gè)電池單元的輸出電壓和設(shè)備內(nèi)的參考電壓進(jìn)行比較的電路。結(jié)果，電池組和設(shè)備的結(jié)構(gòu)變復(fù)雜。在上面結(jié)合圖1描述的實(shí)例中，電池組具有三個(gè)電池單元，但隨著形成電池組的電池單元的數(shù)目增加，需要把各電池單元的輸出電壓供給設(shè)備的終端的數(shù)目也增加；并且當(dāng)要在電池組內(nèi)設(shè)置大數(shù)目的電池單元時(shí)，則需要用很大數(shù)目的終端去連接電池組和設(shè)備。因此，這種設(shè)想的方法不實(shí)用。
因此，在本發(fā)明中，電池組被設(shè)計(jì)成，從構(gòu)成電池組的各個(gè)電池單元的輸出電壓中至少輸出其中的一個(gè)最低電壓。此外，根據(jù)本發(fā)明的使用電池組的設(shè)備，根據(jù)從電池組得出的最低電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。
由于這個(gè)緣故，本發(fā)明能夠準(zhǔn)確地預(yù)測電池組的剩余容量，從而甚至當(dāng)重復(fù)進(jìn)行電池組的充電與放電時(shí)，也能通過預(yù)防過度的充電，來提高電池組的利用效率，和延長電池組的合用壽命。
此外，如果電池組被設(shè)計(jì)成，還從構(gòu)成電池組的各個(gè)電池單元的輸出電壓中至少輸出其中一個(gè)最高電壓，則使用電池組的設(shè)備能夠，根據(jù)從電池組得出的最高電壓，判斷是否充電電池組。
在這種情況下，有可能確實(shí)防止電池組的過度充電，并且能夠延長電池組的合用壽命。
此外，電池組還可設(shè)計(jì)成，從構(gòu)成電池組的各個(gè)電池單元的輸出電壓中，既輸出一個(gè)最低電壓，又輸出一個(gè)最高電壓。在這種情況下，有可能根據(jù)最低電壓和最高電壓中的至少一個(gè)電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。
現(xiàn)在根據(jù)本發(fā)明描述電池容量預(yù)測方法的第一實(shí)施例。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的電池組的第一實(shí)施例和根據(jù)本發(fā)明的使用電池組的設(shè)備的第一實(shí)施例的一部分。該設(shè)備根據(jù)本發(fā)明使用電池容量預(yù)測方法的第一實(shí)施例。
在圖2中，電池組1連接于設(shè)備2，例如筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)。為方便起見，圖2說明用信號線連接的電池組1和設(shè)備2。然而，電池組1和設(shè)備2實(shí)際上是用已知的技術(shù)，通過裝于電池組1上的多個(gè)終端和裝于設(shè)備2上的多個(gè)相應(yīng)終端而連接的。因此，把一個(gè)來自電池組1的電壓E1+E3和一個(gè)下面要描述的電壓E(min)和/或一個(gè)電壓E(max)供給設(shè)備2。
電池組1具有一個(gè)內(nèi)裝的過量放電預(yù)防電路，它包括一個(gè)電路部分10和一個(gè)開關(guān)20。電路部分10包括電壓比較器11至13，一個(gè)OR電路14，電壓變換放大器15至17，一個(gè)電壓比較器18，和一個(gè)多路轉(zhuǎn)換器19。在這個(gè)實(shí)施例中，在電池組1內(nèi)串聯(lián)地連接三個(gè)電池單元E1至E3。把一個(gè)電池單元E1的輸出電壓和一個(gè)指示電池單元E1至E3的過量放電極限電壓的參考電壓e1，供給電壓比較器11。把一個(gè)電池單元E2的輸出電壓和這個(gè)參考電壓e1供給電壓比較器12。同樣，把一個(gè)電池單元E3的輸出電壓和這個(gè)參考電壓e1供給電壓比較器13。開關(guān)20由一個(gè)場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成。
電池單元E1至E3由例如Li+電池構(gòu)成。電池容量預(yù)測方法可大致分類成，一種通過從電池容量中減去用過的功率而預(yù)測電池容量的方法，和一種從電池的輸出電壓預(yù)測電池容量的方法。Li+電池具有這樣的特征Li+電池的輸出電壓在充分充電時(shí)具有最高值，并且隨著放電的進(jìn)行，輸出電壓降低。由于這個(gè)緣故，在本實(shí)施例中，采用后一方法去預(yù)測電池的剩余容量。
電壓比較器11至13，在相應(yīng)的電池單元E1至E3的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，就輸出高電平的信號。因此，當(dāng)電壓比較器11至13之一輸出一個(gè)高電平信號時(shí)，開關(guān)20就響應(yīng)高電平信號而從OR電路14斷開，以便從設(shè)備2切斷電池組1。結(jié)果，當(dāng)至少一個(gè)電池單元的輸出電壓變成小于或等于過量放電極限電壓時(shí)，就切斷電池組1的輸出，以防電池單元E1至E3過量放電。
電壓變換放大器15至17把相應(yīng)電池單元E1至E3的輸出電壓，供給電壓比較器18和多路轉(zhuǎn)換器19。電壓比較器18比較電壓變換放大器15至17的輸出電壓，而多路轉(zhuǎn)換器19依靠電壓比較器18的比較結(jié)果，選擇性地至少輸出一個(gè)最低電壓E(min)。在本實(shí)施例中，電壓比較器18比較電壓變換放大器15至17的輸出電壓，而多路轉(zhuǎn)換器19依靠電壓比較器18的比較結(jié)果，還選擇性地輸出一高電壓E(max)。正如下面描述的那樣，最高電壓E(max)用于防止電池組1的過量充電。
設(shè)備2裝有一個(gè)電壓測量電路21等。電壓測量電路21測量得自多路轉(zhuǎn)換器19的電池組1的輸出電壓，并且通過比較所測輸出電壓和所預(yù)定參考電壓而預(yù)測出電池組1的剩余容量。更具體地說，把來自電池組1的最低電壓E(min)同預(yù)定的參考電壓進(jìn)行比較，并且當(dāng)最低電壓E(min)變成小于或等于預(yù)定的參考電壓時(shí)，電壓測量電路21就判定，在電池組1內(nèi)的至少一個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓已變成接近過量放電電壓。例如，當(dāng)電壓測量電路21判定，至少一個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓已變成接近過量電壓時(shí)，它就向用戶輸出一個(gè)報(bào)警信號。在這種情況下，不需要把預(yù)定的參考電壓設(shè)置成由于考慮各個(gè)電池單元E1至E3的容量上的不一致而包含一個(gè)安全系數(shù)。
當(dāng)各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，就發(fā)生由于過量放電而引起的電池組1的惡化。而當(dāng)在電池組1內(nèi)串聯(lián)地連接的電池單元E1至E3的輸出電壓被保持平衡時(shí)，就不需要監(jiān)測各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓。在這種情況下，監(jiān)測電池單元E1至E3的輸出電壓的總和是充分的，并且當(dāng)這個(gè)總和變成小于或等于參考電壓時(shí)，可以操作過量放電預(yù)防電路。
然而，在實(shí)踐中，各個(gè)電池單元E1至E3的容量是不一致的，電池單元E1至E3的容量相差約10％不是異常的。此外，隨著電池組1的充電與放電周期數(shù)目的增加，電池單元E1至E3在容量上的差別會變得更大，因?yàn)殡S著電池單元E1至E3的單獨(dú)惡化，電池單元E1至E3的容量也會變得不一致。由于這個(gè)緣故，電池組1的內(nèi)裝過量放電預(yù)防電路就監(jiān)測各個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓，并且當(dāng)至少一個(gè)電池單元E1至E3的輸出電壓變成小于或等于參考電壓e1時(shí)，開關(guān)20就轉(zhuǎn)接OFF，以便通過從設(shè)備2斷開電池組1而斷開電池組1的輸出電壓。
另一方面，設(shè)備2對有著最低電壓E(min)的電池組1的電池單元E1至E3中的一個(gè)單元，監(jiān)測其輸出電壓；從這個(gè)最低電壓E(min)預(yù)測電池組1的剩余容量；并且在過量放電預(yù)防電路切斷開關(guān)20之前，檢測電池組1內(nèi)的過量放電預(yù)防電路的操作。在本實(shí)施例中，由于考慮到各個(gè)電池單元E1至E3的容量上的差別，故不需要用充足的安全系數(shù)去設(shè)置預(yù)定的參考電壓。由于這個(gè)緣故，本實(shí)施例能夠準(zhǔn)確地預(yù)測電池組1的剩余容量，并且提高電池組1的利用效率。
因此，根據(jù)本實(shí)施例，有可能防止出現(xiàn)一種情況即使電池組1的實(shí)際剩余容量是足夠大的，設(shè)備2也錯(cuò)誤地判定，電池組1的放電已接近結(jié)束；這樣，可提高電池組1的利用效率。此外，雖然如果在一種剩余容量充分大的狀態(tài)下重復(fù)進(jìn)行電池組1的充電與放電，則會由于過量充電而縮短電池組1的合用壽命，但在本實(shí)施例中不會發(fā)生上述問題。
此外，本實(shí)施例還能夠防止出現(xiàn)一種情況即使電池組1的放電實(shí)際上已接近結(jié)束，設(shè)備2也繼續(xù)使用電池組1。由于這個(gè)緣故，本實(shí)施例能夠防止電池組1的輸出電壓，在設(shè)備2的操作期間由過量放電預(yù)防電路突然切斷。換句話說，如果電池組1的輸出電壓在設(shè)備2的操作期間被突然切斷，則會在設(shè)備2內(nèi)發(fā)生數(shù)據(jù)破壞或類似破壞，并且用戶會面臨一種嚴(yán)重的電源事故。然而，在本實(shí)施例不中會發(fā)生上述問題。
在一些設(shè)備中，例如以筆記本式個(gè)人計(jì)算機(jī)或膝上型(lap-top)計(jì)算機(jī)為代表的便攜式電子設(shè)備中，用電池作設(shè)備的電源?？紤]到設(shè)備的運(yùn)行成本、能瞬時(shí)放電的電流容量和類似的情況，通常用NiCd電池、NiMH電池和Li+電池作二次電池。此外，設(shè)備通常裝有一個(gè)內(nèi)裝充電電路，以便只要把一個(gè)A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器連接于設(shè)備，就能夠充電二次電池。在便攜式設(shè)備情況下，通常用二次電池作設(shè)備的電源，但當(dāng)該設(shè)備是在一個(gè)桌子上使用時(shí)，就可通過一個(gè)使用A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器的外接電源向設(shè)備供電。
當(dāng)通過使用A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器的外電源對通常使用二次電池的上述設(shè)備供電時(shí)，是不使用來自二次電池的電源的。因此，在理論上，當(dāng)設(shè)備用外電源供電時(shí)，二次電池是不消耗的。然而，在實(shí)踐中，二次電池的自身放電會消耗二次電池的功率。由于這個(gè)緣故，甚至設(shè)備在通過使用A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器的外電源而供電時(shí)，也有必要不斷地充電二次電池，以彌補(bǔ)由于二次電池自身放電而引起的電力消耗。當(dāng)二次電池是NiCd電池或NiMH電池時(shí)，通過在由使用A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器的外電源給設(shè)備供電時(shí)，以低的充電率不斷地充電二次電池，就有可能防止二次電池由于自身放電而引起的電力消耗。這種充電通常叫作涓流充電。
然而，在二次電池是Li+電池的情況下，不能使用上述的涓流充電，因?yàn)長i+電池會由于過量充電而損壞。因此，在Li+電池的情況下，甚至在由使用A.C.轉(zhuǎn)接器或類似轉(zhuǎn)接器的外電源給設(shè)備供電時(shí)，也必須監(jiān)測Li+電池的輸出電壓，并且預(yù)測Li+電池的剩余容量。此外，當(dāng)所監(jiān)測的Li+電池輸出電壓變成小于或等于參考電壓時(shí)，就通過起動(dòng)Li+電池充電來補(bǔ)償Li+電池由于自身放電而引起的電力消耗，以便通過Li+電池維持在一種接近充分充電狀態(tài)的狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)涓流充電。
包含Li+電池的電池組，在各個(gè)電池單元的輸出電壓變成大于參考電壓時(shí)，會發(fā)生由于過量充電而引起的損壞。由于這個(gè)緣故，當(dāng)在電池組內(nèi)串聯(lián)地連接的各電池單元的輸出電壓被保持平衡時(shí)，就不需要監(jiān)測各個(gè)電池單元的輸出電壓。在這種情況下，監(jiān)測各電池輸出電壓的總和就是充分的，并且當(dāng)這個(gè)總和變成大于參考電壓時(shí)，可以操作電池組的一個(gè)內(nèi)裝過量充電預(yù)防電路。
然而，在實(shí)踐中，各個(gè)電池單元的容量是不一致的，各電池單元的容量相差約10％不是異常的。此外，隨著電池組的充電與放電周期數(shù)目的增加，各電池單元在容量上的差別會變得更大，因?yàn)殡S著各電池單元的單獨(dú)惡化，各電池單元的容量也會變得不一致。由于這個(gè)緣故，電池組的內(nèi)裝過量充電預(yù)防電路就監(jiān)測各個(gè)電池單元的輸出電壓，并且當(dāng)至少一個(gè)電池單元的輸出電壓變成大于參考電壓時(shí)，就通過從設(shè)備斷開電池組來切斷電池組的輸出電壓。
另一方面，在上面結(jié)合圖1描述的常規(guī)設(shè)備，監(jiān)測電池組的輸出電壓，即電池單元的輸出電壓的總和；并且通過比較這個(gè)總和與預(yù)定的參考電壓，來預(yù)測電池組的剩余容量。因此，當(dāng)在過量充電預(yù)防電路真正操作之前，檢測電池組內(nèi)的過量充電預(yù)防電路的操作時(shí)，這種檢測也是以上述預(yù)測為基礎(chǔ)的。由于這個(gè)緣故，有必要通過考慮各個(gè)電池單元在容量上的差別，而用充分大的安全系數(shù)來設(shè)置較低側(cè)的預(yù)定參考電壓。
然而如果上述安全系數(shù)太大，則即使電池組的實(shí)際剩余容量充分小，且充電不充分，設(shè)備也會判定，電池組充電已接近結(jié)束。結(jié)果，電池組的利用效率差。
另一方面，如果上述的安全系數(shù)太小，則即使電池組的充電已接近結(jié)束，并且充電充分，設(shè)備也會繼續(xù)充電電池組。在這種情況下，電池組會由于它被維持于一種過度充電狀態(tài)而損壞。
下面根據(jù)本發(fā)明描述電池容量預(yù)測方法的一個(gè)第二實(shí)施例，它也能消除上述的涉及電池組充電的不便之處。
圖3示出一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的電池組的第二實(shí)施例，和一個(gè)根據(jù)本發(fā)明的使用電池組的設(shè)備的第二實(shí)施例的一部分。這個(gè)設(shè)備使用根據(jù)本發(fā)明的電池容量預(yù)測方法的第二實(shí)施例。在圖3中，那些和圖2中相應(yīng)部件相同的部件仍用相同的標(biāo)號表示，并略去其描述。
在圖3中，電池組1還裝有一個(gè)開關(guān)40。此外，電路部分10A還裝有電壓比較器31至33，一個(gè)OR電路34，和由場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成的開關(guān)35和36。設(shè)備2還裝有一個(gè)充電器51。過量放電預(yù)防電路是由電路部分10A的一部分和開關(guān)20組成的。另一方面，過量充電預(yù)防電路是由電路部分10A的一部分和開關(guān)40組成的。
電壓比較器31至33，在相應(yīng)電池單元E1至E3的輸出電壓變成大于一個(gè)不同于參考電壓e1的參考電壓時(shí)，輸出一些高電平的信號。因此，當(dāng)電壓比較器31至33中的一個(gè)比較器輸出一個(gè)高電平信號時(shí)，開關(guān)40就響應(yīng)高電平信號而從OR電路34斷開，以便從設(shè)備2斷開電池組1。結(jié)果，當(dāng)至少一個(gè)電池單元的輸出電壓變成大于過量充電極限電壓時(shí)，電池組1就從設(shè)備2的充電器51斷開，從而防止電池單元E1至E3過量充電。
電池組1的多路轉(zhuǎn)換器19把來自電池單元E1至E3的各輸出電壓中的最低電壓E(min)，通過開關(guān)35供給設(shè)備2的電壓測量電路21。因此，電壓測量電路21能夠根據(jù)這個(gè)最低電壓E(min)準(zhǔn)確地預(yù)測電池組1的剩余容量，并且能夠在必要時(shí)對用戶輸出一個(gè)報(bào)警信號。此外，電池組1的多路轉(zhuǎn)換器19還把來自電池單元E1至E3的各輸出電壓中的最高電壓E(max)，通過開關(guān)36供給設(shè)備2的電壓測量電路21。這樣，電壓測量電路21就能夠根據(jù)這個(gè)最高電壓E(max)準(zhǔn)確地預(yù)測電池組1的剩余容量，即電池組1的充電狀態(tài)，并且能夠判斷是否充電電池組1。此外，電壓測量電路21還能夠在必要時(shí)輸出一個(gè)報(bào)警信號，以便向用戶發(fā)出是否充電電池組1的警報(bào)。
因此，本實(shí)施例能夠準(zhǔn)確地預(yù)測電池組1的剩余容量，并且根據(jù)這一預(yù)測來防止電池組的過量放電和過量充電。結(jié)果，可提高電池組1的利用效率，并且有效地延電池組1的合用壽命。
在從設(shè)備2切斷電池組1以后，需要盡可能防止電池組1放電。因此，在本實(shí)施例中，開關(guān)35和36響應(yīng)高電平信號而從OR電路14斷開，以便在設(shè)備2從電池組1斷開以后，把最低電壓E(min)和最高電壓E(max)分別設(shè)置為OV。結(jié)果，在從設(shè)備2切斷電池組1之后，設(shè)備2的電壓測量電路21和類似電路不會消耗電池組1的功率，并且把電池組1的放電抑制到極小。
圖4至7分別是曲線圖，說明本發(fā)明者進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，用于研究電池單元E1至E3的容量上的不一致性。
圖4是一個(gè)曲線圖，說明放電結(jié)束電壓放充電結(jié)束電壓相對于電池單元E1至E3中每個(gè)單元的充電與放電周期數(shù)目的關(guān)系。在圖4中，用三角形標(biāo)記表示電池單元E1的輸出電壓，用正方形標(biāo)記表示電池單元E2的輸出電壓，和用五邊形標(biāo)記表示電池單元E3的輸出電壓。在條件1C(＝2.5A)和恒定電流(8.5Vcut)情況下測量放電結(jié)束電壓，并在條件1C(＝2.5A)直至12.3V和恒定電流與恒定電壓(40mA或2.5hcut)情況下測量充電結(jié)束電壓。
圖5是一個(gè)曲線圖，說明未用過的電池單元E1至E3的電池電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。在圖5中，用細(xì)虛線表示電池單元E1的輸出電壓，用實(shí)線表示電池單元E2的輸出電壓，和用粗虛線表示電池單元E3的輸出電壓。在條件1C(＝2.5A)和恒定電流(8.5Vcut)的情況下測量放電，和在條件1C(＝2.5A)直至12.3V和恒定電流與恒定電壓(40mA或2.5hcut)情況下測量充電。
圖6是一個(gè)曲線圖，說明經(jīng)受300個(gè)充電與放電周期的電池單元E1至E3的電池電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。在圖6中，用細(xì)虛線表示電池單元E1的輸出電壓，用實(shí)線表示電池單元E2的輸出電壓，和用粗虛線表示電池單元E3的輸出電壓。在條件1C(＝2.5A)和恒定電流(8.5Vcut)的情況下測量放電，并在條件1C(＝2.5A)直至12.3V和恒定電流與恒定電壓(40mA或2.5hcut)的情況下測量充電。
圖7是一個(gè)曲線圖，說明經(jīng)受500個(gè)充電與放電周期的電池單元E1至E3的電池電壓與放電時(shí)間的關(guān)系。在圖7中，用細(xì)虛線表示電池單元E1的輸出電壓，用實(shí)線表示電池電壓E2的輸出電壓，和用粗虛線表示電池單元E3的輸出電壓。在條件1C(＝2.5A)和恒定電流(8.5Vcut)的情況下測量放電，并在條件1C(＝2.5A)直至12.3V和恒定電流與恒定電壓(40mA或2.5hcut)的情況下測量充電。
從圖4至圖7可知，各個(gè)電池單元E1至E3的容量是不一致的，并且確認(rèn)，電池單元E1至E3的容量相差10％量級的值是完全正常的。此外，還確認(rèn)，隨著電池組1的充電與放電周期數(shù)目的增加，各個(gè)電池單元E1至E3在容量上的差別會變得更大，因?yàn)楦鱾€(gè)電池單元E1至E3的惡化會引起容量上的不一致性。然而，根據(jù)本實(shí)施例確認(rèn)，即使各個(gè)電池單元E1至E3在容量上存在上述的不一致性，設(shè)備2也能夠根據(jù)最低電壓E(min)和/或最高電壓E(max)，準(zhǔn)確地預(yù)測電池組1的剩余容量。根據(jù)上述的第一實(shí)施例，也確認(rèn)有相同的情況。
設(shè)備2內(nèi)的電壓測量電路21，可通過例如組合一個(gè)已知的中央處理單元(cpu)一個(gè)存儲器來構(gòu)成。圖8示出這種電壓測量電路21的結(jié)構(gòu)。在圖8中，電壓測量電路21包括一個(gè)cpu210和一個(gè)按圖示連接的存儲器211。存儲器211存儲數(shù)據(jù)和由cpu210執(zhí)行的程序。cpu210從圖3所示的電池組1接收最低電壓E(min)和最高電壓E(max)。
圖9示出一個(gè)流程圖，說明cpu210操作的一個(gè)實(shí)施例。在圖9中，步驟S1決定設(shè)備2是否充電電池組1。當(dāng)設(shè)備2充電電池組1時(shí)，通過一個(gè)已知的A.C.轉(zhuǎn)接器(未示出)或類似轉(zhuǎn)接器把功率從外電源(未示出)供給設(shè)備2。因此，cpu210能夠根據(jù)一個(gè)指示A.C.轉(zhuǎn)接器連接于設(shè)備2的檢測信號Ex，判斷是否設(shè)備2充電電池組1。
如果步驟S1的決定結(jié)果是NO(否)，則步驟S2測量最高電壓E(max)和最低電壓E(min)；并且步驟S3根據(jù)V＝E(max)-E(min)計(jì)算電壓差V。步驟4決定電壓差是否小于放電的過量放電下限電壓VDCH；并且如果步驟4的決定結(jié)果是YES，則處理過程結(jié)束。另一方面，如果步驟4的決定結(jié)果是NO，則步驟S5判斷電池組1的合用壽命已終了，并且處理過程結(jié)束。當(dāng)步驟S5判斷電池組1的合用壽命已終了時(shí)，CPU210就例如用一種已知的技術(shù)，對用戶輸出一個(gè)報(bào)警信號。
如果步驟S1的決定結(jié)果是YES(是)，則步驟6測量最高電壓E(max)和最低電壓E(min)；并且步驟7根據(jù)V＝E(max)-E(min)計(jì)算電壓差V。步驟S8決定這個(gè)電壓差V是否小于充電的過量充電上限電壓VCHG；并且如果步驟S8的決定結(jié)果是YES，則處理過程結(jié)束。另一方面，如果步驟8的決定結(jié)果是NO，則步驟S5判斷電池組1的合用壽命已終了，并且處理過程結(jié)束。當(dāng)步驟5判斷電池組1的合用壽命已終了時(shí)，CPU210就例如用一種已知的技術(shù)，對用戶輸出一個(gè)報(bào)警信號。
因此，設(shè)備2能夠根據(jù)從電池組1接收的最低電壓E(min)和最高電壓E(max)，在放電與充電期間準(zhǔn)確地判斷電池組1的合用壽命。
圖10示出一個(gè)流程圖，說明CPU210操作的另一個(gè)實(shí)施例。在圖10中，步驟S11測量從電池組1接收的最低電壓E(min)，并且得出整個(gè)電池組1的輸出電壓E。在本實(shí)施例中，電池組1包括三個(gè)電池單元E1至E3，從而例如從E＝E(min)·3得出輸出電壓。步驟S12決定是否輸出電壓E大于或等于一個(gè)在電池剩余容量為100％時(shí)的電池電壓V(100)。如果步驟S12的決定結(jié)果是YES，則步驟S13判斷，電池組1的剩余容量是100％，并且處理過程結(jié)束。如果步驟S12的決定結(jié)果是NO，則步驟S14決定是否輸出電壓E大于或等于一個(gè)在剩余容量為90％時(shí)的電池電壓V(90)。如果S14的決定結(jié)果是YES，則步驟S15判斷，電池組1的剩余容量是90％，并且處理過程結(jié)束。如果步驟S14的決定結(jié)果是NO，則步驟S16決定是否輸出電壓E大于或等于一個(gè)在剩余容量為80％的電池電壓V(80)。如果步驟S16的決定結(jié)果是YES，則步驟S17判斷，電池組1的剩余容量是80％，并且處理過程結(jié)束。如果步驟S16的決定結(jié)果是NO，則執(zhí)行類似的過程。最后，步驟S18決定是否輸出電壓E大于或等于一個(gè)在剩余容量為10％時(shí)的電池電壓V(10)。如果步驟S18的決定結(jié)果是YES，則步驟S19判斷，電池組1的剩余容量是10％，并且處理過程結(jié)束。如果步驟S18的決定結(jié)果是NO，則步驟S20判斷，電池組1的剩余容量是0％，并且處理過程結(jié)束。
步驟S13、S15、S17、S19、S20等決定結(jié)果是通過例如利用一些已知的技術(shù)，由CPU210輸出給用戶的。此外，步驟S19、S20等決定結(jié)果可以是通過例如利用一些已知的技術(shù)，以報(bào)警信號的形式由CPU210輸出給用戶的。
在上述實(shí)施例中，為方便起見曾假定，電池組包含Li+電池單元。然而，本發(fā)明的應(yīng)用當(dāng)然不限于Li+電池單元。本發(fā)明可同樣用于例NiMH電池。
此外，本發(fā)明不限于這些實(shí)施例，而可以在不違背本發(fā)明范圍的情況下作出各種變更和修正。
權(quán)利要求
1.一種電池容量預(yù)測方法，用于對一種包含多個(gè)在使用電池組的設(shè)備中串聯(lián)地連接的電池單元的電池組，預(yù)測其剩余容量，其特征在于所述的電池容量預(yù)測方法包括下列步驟(a)比較各個(gè)電池單元(E1-E3)的輸出電壓；和(b)根據(jù)從各電池單元的輸出電壓的比較中得出的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓，預(yù)測電池組(1)的剩余容量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池容量預(yù)測方法，其特征在于所述的(b)步驟根據(jù)電池組放電期間的最低電壓，預(yù)測電池組(1)的剩余容量。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的電池容量預(yù)測方法，其特征在于所述的(b)步驟根據(jù)電池組充電期間的最高電壓，預(yù)測電池組(1)的剩余容量。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電池容量測量方法，其特征在于所述的(b)步驟根據(jù)最高電壓與最低電壓之間的差值，預(yù)測電池組(1)的剩余容量。
5.一種包含多個(gè)串聯(lián)地連接的電池單元的電池組，其特征在于裝有一個(gè)電路(10，10A)，它輸出電池單元(E1-E3)的輸出電壓中的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電池組，其特征在還裝有一個(gè)第一切斷電路(11-14，20)，它在各電池單元的輸出電壓中至少一個(gè)電壓變成小于或等于一個(gè)第一參考電壓時(shí)，把一個(gè)輸出到電池組(1)的外部的各電池單元(E1-E3)的輸出電壓的總和電壓加以切斷；和一個(gè)第二切斷電路(18、19、35、36)，對所述的第一切斷電路的切斷操作起反應(yīng)，把輸出到電池組外部的最低電壓和最高電壓加以切斷。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電池組，其特征在于還裝有一個(gè)第三切斷電路(31-34，40)，它在各電池單元的輸出電壓中的至少一個(gè)電壓變成大于一個(gè)不同于第一參考電壓的參考電壓時(shí)，把一個(gè)輸出到電池組(1)的外部的各電池單元(E1-E3)的輸出電壓的總和電壓加以切斷。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述電池組，其特征在于還裝有一個(gè)切斷電路(31-34，40)，它在各電池單元的輸出電壓中的至少一個(gè)電壓變成大于一個(gè)參考電壓時(shí)，把一個(gè)輸出到電池組(1)的外部的各電池單元(E1-E3)的輸出電壓的總和電壓加以切斷。
9.一種用于預(yù)測一種有多個(gè)串聯(lián)連接的電池單元的電池組的剩余容量的設(shè)備，所述的設(shè)備包括用于把電池組電耦合于所述設(shè)備的耦合裝置，其特征在于裝有預(yù)測裝置(21)，用于根據(jù)各電池單元的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于所述的預(yù)測裝置(21)根據(jù)電池組放電期間的最低電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。
11.根據(jù)權(quán)利要求9或10所述的設(shè)備，其特征在于；所述的預(yù)測裝置(21)根據(jù)電池組充電期間的最高電壓，預(yù)測電池組的剩余容量。
12.根據(jù)權(quán)利要求9所述的設(shè)備，其特征在于所述的預(yù)測裝置(21)根據(jù)最高電壓與最低電壓之間的差值，預(yù)測電池組的剩余容量。
13.根據(jù)權(quán)利要求9至12中任何一項(xiàng)所述的設(shè)備，其中所述的預(yù)測裝置(21)根據(jù)預(yù)測的電池組的剩余容量，判斷是否充電電池組。
全文摘要
一種電池容量預(yù)測方法,可對一種包含多個(gè)在使用電池組的設(shè)備(2)中串聯(lián)地連接的電池單元(E1－E3)的電池組(1),預(yù)測其剩余容量。電池容量預(yù)測方法包括比較各個(gè)電池單元的輸出電壓的步驟,和根據(jù)從各個(gè)電池單元輸出電壓的比較中得出的一個(gè)最低電壓和一個(gè)最高電壓中的至少一個(gè)電壓,預(yù)測電池組剩余容量的步驟。
文檔編號H02H7/18GK1169553SQ9710545
公開日1998年1月7日 申請日期1997年6月6日 優(yōu)先權(quán)日1996年7月1日
發(fā)明者小澤秀清, 田中信夫, 糸山正美, 武田義郎 申請人:富士通株式會社