本发明涉及用于确定电池的健康状态的装置，以及用于确定电池的健康状态的方法。
背景技术：
“电池容量”是由电池存储的电量的量度(通常以安培小时计)，并且由电池中包含的活性材料的质量确定。电池容量表示可在某些指定条件下从电池获取的能量的最大量。
然而，电池的有效存储容量随着老化而减少，并且经历不可逆的损坏。该损坏由腐蚀和其他不可逆的化学过程造成。内部电池部件的老化也会导致损坏。电池的极板发生腐蚀，而当极板发生腐蚀时，它们的工作表面积减小并且电解质发生化学变化，致使这两者化学反应性降低。这些变化减少了电池中的反应性组分的体积，从而降低了电池的充电容量。这还增加了电池的内电阻，因为腐蚀产物抑制电子自由流动经过极板。电池的每个充电/放电周期也具有类似效果，但速率加快。因此，当电池老化和退化时，电池的有效容量减少，从而减少了电池可向设备供电的时间量。另外，电压电平下降更快，从而对设备施加逐渐降低的电压。
电池保持电量的能力的一个指标是电池“健康状态”。许多应用使用该参数来估计电池性能，例如电池的“运行时间”，其反映了电池在耗尽之前将持续供电的时间量。需要运行时间的准确估计值以向用户提供警报。
用于测量电池的有效容量的常规方法很低效并且容易出错，因为许多方法需要从设备中取出电池以测量受老化影响的各种参数。
技术实现要素：
本发明所解决的技术问题是测量电池的健康状态的常规系统容易出错和/或需要从设备中取出电池。
在各种实施方案中，该装置包括锂离子电池和电量计以便监测电池老化时电池的电阻和电池的容量。电量计可执行用于计算两个不同容量值的两种不同方法。电量计可利用每种方法得出的容量值来确定电池老化时电池的电阻以及相关电池特征，诸如电池的健康状态。
根据一个方面，用于确定电池的健康状态的装置包括：电量计电路，该电量计电路耦接到电池，并且被配置成：根据电池的输出电压的变化来计算第一电池容量；根据耦接到电池的负端子的分流器两端的电压来计算第二电池容量；根据第一电池容量和第二电池容量来计算容量比；根据容量比来计算老化电阻值；利用电池特征数据，根据老化电阻值来确定老化容量；以及根据老化容量和所计算的第二电池容量来计算老化的健康状态。
在上述装置的一个实施方案中，电池特征数据描述了在电池老化时电池电阻与电池容量之间的相关性。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路包括第一电路，该第一电路耦接到电池的正端子并且被配置成计算第一电池容量；并且第一电路将输出电压的变化转换为电流并对一段时间内的电流进行积分。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括第二电路，该第二电路耦接到电池的负端子；并且第二电路将分流器两端的电压转换为电流并对一段时间内的电流进行积分。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括逻辑单元，该逻辑单元耦接到第一电路和第二电路；并且逻辑单元进行以下计算：通过将初始电阻乘以容量比来计算老化电阻；通过将第一电池容量除以第二电池容量来计算容量比；以及通过将老化容量除以第二电池容量来计算健康状态。
在另一个方面，用于确定电池的健康状态的方法包括：基于电池的输出电压的变化来计算第一电池容量；基于分流器两端的电压来计算第二电池容量；基于第一电池容量和第二电池容量来计算容量比；基于初始电阻值和容量比来计算老化电阻值；利用电池的容量-电阻数据，根据老化电阻来确定老化容量；以及基于老化容量和第二电池容量来计算健康状态。
在上述方法的一种操作中，计算第一电池容量包括：将输出电压的变化转换为电流；以及对一段时间内的电流进行积分；并且计算第二电池容量包括：将分流器两端的电压转换为电流；以及对一段时间内的电流进行积分。
在上述方法的一种操作中，计算老化电阻值包括将容量比乘以初始电阻值。
在上述方法的一种操作中，计算容量比包括将第一电池容量除以第二电池容量。
在上述方法的一种操作中，计算健康状态包括将老化容量除以第二电池容量。
本发明所实现的技术效果是提供这样的方法和装置，其不需要从设备中取出电池就能确定电池的健康状态，并且提供各种电池参数的更准确估计值。
附图说明
当结合以下示例性附图考虑时，可参照具体实施方式更全面地了解本技术。在以下附图中，通篇以类似附图标记指代各附图当中的类似元件和步骤。
图1是根据本技术的示例性实施方案的电子系统的框图；
图2是曲线图，示出了根据本技术的示例性实施方案的电池的输出电压与相对充电状态之间的关系；
图3是曲线图，示出了根据本技术的示例性实施方案的新电池的电池容量与电阻之间的关系；并且
图4是根据本技术的示例性实施方案的用于获得电池的健康状态的流程图。
具体实施方式
本技术可在功能块部件和各种加工步骤方面进行描述。此类功能块可通过被配置成执行指定功能并且实现各种结果的任何数量的部件来实现。例如，本技术可采用可执行多种功能的各种电压传感器、电流传感器、库仑计数器、逻辑门、存储器设备、半导体器件，诸如晶体管和电容器等。此外，本技术可结合任何数量的系统(诸如汽车、航空航天、医疗、科学、监视和消费电子器件)实施，所述的这些系统仅为该技术的示例性应用。另外，本技术可采用用于测量电压、测量电流、测量温度等的任何数量的常规技术。
根据本技术的各个方面的用于测量电池的健康状态(soh)的方法和装置可结合任何合适的电子系统和/或设备(诸如“智能设备”、可穿戴设备、消费电子器件、便携式设备、电池供电车辆等)一起操作。参见图1，示例性系统100可结合到由可再充电电池(诸如锂离子电池)供电的电子设备中。例如，在各种实施方案中，系统100可包括电池系统105、应用处理器115和电源管理ic(pmic)110，它们一起操作以将合适的功率电平提供给电子设备。
电池系统105可将功率和电池信息提供给电子设备的各种部件，诸如应用处理器115和pmic110。电池系统105可耦接到pmic110以将数据传输到该pmic并从该pmic传输数据。电池系统105还可耦接到应用处理器115以传输电池信息，诸如电池的容量、电池的运行时间等。在示例性实施方案中，电池系统105可包括电池组120和电量计电路150。在各种实施方案中，系统100还可包括计时单元(未示出)以根据预定计时周期来操作各种电路。
电池组120可向系统100供电，并且可包括电池125，诸如可充电锂离子电池。在示例性实施方案中，电池125在电池125的负电极与正电极之间生成输出电压vb。
电池组120还可包括温度传感器(未示出)，其根据电池125的温度来提供信号。温度传感器可包括热敏电阻器(未示出)，其生成与电池125的温度相对应的电压vt。然而，温度传感器可包括用于生成与电池125的温度相对应的信号的任何适当的传感器或其他设备或系统。
电量计电路150可被配置成接收各种输入，监测电池容量，并且确定电池125的soh。电量计电路150可接收对应于相关标准的信号，诸如来自温度传感器的温度信号和来自电池125的电压信号，以及诸如来自pmic110的控制信号。电量计电路150还可生成信号，诸如对应于电池125的soh的信号。电量计电路150可包括任何数量的合适电路和/或系统，并且可以以任何合适的方式实施，诸如以大规模集成(lsi)电路的形式实施。例如，在一个实施方案中，电量计电路150可包括第一容量电路130、第二容量电路135、逻辑单元140和存储器145。在各种实施方案中，电量计电路150还可包括定时器(未示出)以跟踪和测量时间间隔(时间段)。例如，定时器可用于促进一段时间内的电流的积分。时间间隔可为根据应用、功率使用限制等设定的预定值。
存储器145可被适当地配置成存储要由逻辑单元140执行的程序和各种类型的电池特征数据，诸如初始电池规格(例如，满充电容量和电阻值)、老化电池规格(例如，老化容量和电阻值)和/或两个变量之间的关系数据(例如，容量-电阻数据和电压-rsoc数据)。例如，存储器145可包括rom(只读存储器)和ram(随机存取存储器)。存储器145的存储区域可包括程序存储单元，以存储用以操作逻辑单元140的程序。
存储器145可被配置成存储两个或更多个变量之间的各种数据点，诸如查找表或其他合适的形式。例如，参见图2和图3，存储器145可存储这样的数据，其指示电池125的输出电压vb与电池125的相对充电状态(rsoc)之间的关系(即，输出电压-rsoc数据)(图2)。类似地，存储器145可存储这样的数据，其指示在电池老化时电池125的容量与电池125的内电阻之间的关系和/或相关性(即，容量-电阻数据)(图3)。一般来讲，当电池125老化时，内电阻增大且容量减小。容量-电阻数据还可含有在电池125崭新且尚未老化时与电池规格相关的信息。例如，新电池的初始内电阻值r和初始容量q可分别为130mω和3000mah。当电池125老化时，内电阻可称为老化电阻r’，并且容量可称为老化容量q’。
输出电压-rsoc数据可具有根据电池125的输出电压、rsoc和电流值idd的电池的特征曲线。当绘制成图时，电池特征可根据电池125的各种电流idd电平而变化。ocv曲线对应于电池125既不在充电也不在放电时电池125的输出电压vb。如果电池125正在充电，则特征曲线可相对于ocv曲线升高，或如果电池125正在放电，则特征曲线可相对于ocv曲线降低。特征曲线相对于ocv曲线升高或降低的量取决于流过电池125的电流idd的幅度和方向。因此，输出电压-rsoc数据可用于确定在输出电压vb和rsoc已知时电池130是正在充电还是正在放电。例如，如果输出电压vb为3500mv并且rsoc为20％，则电量计电路150可估计电流idd为+20xma(其中x为基于电池规格(诸如电池的满充电容量)的移位因子)。类似地，如果输出电压vb和流过电池125的电流idd已知，则可确定rsoc。
第一电路130可被适当地配置成通过将所测量的输出电压转换为容量值来确定第一容量值q1。第一电路130可耦接在电池125的正端子(+)与负端子(-)之间，并且可被配置成测量这两个端子之间的输出电压vb。第一电路130还可耦接到存储器145以提取电压-rsoc数据。第一电路130可利用所测量的输出电压vb和电压-rsoc数据来确定第一容量值q1。例如，并且参见图2，如果所测量的输出电压为3500mv，则这对应于大约55％rsoc。对于具有例如3,000mah的满充电容量的电池而言，55％rsoc换算成大约1,650mah的容量。因此，在该示例中，第一容量值q1可等于1,650mah。第一电路130还可利用其他合适的参数，诸如所测量的电池温度，来相应地调节第一容量值q1。例如，如果rsoc换算成1,650mah，则值1,650mah可基于电池的温度增大或减小。一般来讲，当温度升高时，电池容量也增大。
在替代实施方案中，第一电路130可利用电压-rsoc数据来提取电流idd，从而获得第一容量值q1。例如，可将所测量的输出电压vb与ocv曲线进行比较，以确定从ocv上的电压值到所测量的输出电压vb的电压变化(δv)。该电压变化对应于特定电流值idd。第一电路130随后可对所提取的电流idd进行积分，从而获得第一容量值q1。一般来讲，电压变化可被表征为电池125的内电阻ri乘以电流idd(即，δv＝ri×idd，其中ri是任何给定时间的内电阻)。由于新电池的内电阻ri称为初始内电阻r，新电池的电压变化可通过初始内电阻r乘以电流idd来表征(即，δv＝r×idd)。类似地，由于内电阻ri在电池老化时增大(称为老化内电阻r’)，老化电池的电压变化可通过老化内电阻r’乘以电流来表征(即，δv＝r’×idd)。因此，当电池125老化且内电阻ri增大时，老化内电阻r’相对于初始内电阻r增大。
第二电路135可被适当地配置成通过以下方式确定第二容量值q2：测量一段时间内电池125的流入和流出的电流idd并且报告所聚积的电荷(即，第二容量值q2)。这可使用分流器(诸如耦接到电池125的负端子(-)的感测电阻器rs)完成，其中第二电路135监测在电池125充电和放电时感测电阻器rs两端的电压，作为电流idd的指示。随后在某个时间段内对电流idd进行积分，并报告为第二容量值q2。第二电路135可包括被配置成测量流入或流出电池125的电荷的任何合适电路和/或系统。在各种实施方案中，第二电路135还可基于电池125的温度数据特征和/或所测量的温度来估计第二容量值q2。
逻辑单元140可控制电量计电路150，并且通过执行存储于存储器145中的各种程序来实现各种功能。例如，逻辑单元140可执行各种计算，诸如计算电池125的容量，计算电池125的rsoc，以及计算电池125的soh。逻辑单元140还可接收与电池的各种条件(诸如电池125的充电/放电状态以及存储于存储器145中的数据)相关的信息。
逻辑单元140可根据电池125的容量测量值来计算电池125的soh。在示例性实施方案中，逻辑单元140可基于各种所测量的参数(诸如第一容量值q1和第二容量值q2)以及电池125的初始规格(诸如初始电阻值r)来计算soh。
逻辑单元140可被配置成根据以下公式利用第一容量值q1值和第二容量值q2来计算容量比qr：
qr＝q1/q2(公式1)。
逻辑单元140还可被配置成根据以下公式来计算老化电阻值r’：
r′＝r×qr(公式2)，
其中r是初始内电阻值(新电池的内电阻值)。
逻辑单元140可被配置成读取或以其他方式访问来自存储器140的所存储的数据。例如，逻辑单元140可根据老化电阻值r’来提取老化容量q’。
逻辑单元140可根据以下公式利用老化容量q’来计算soh值：
逻辑单元140还可解释soh值并且提供指标，诸如指示灯、消息、信号等，以向用户通知电池125的soh。逻辑单元140可解释soh值，以指示电池125的运行时间和/或电池125的总剩余寿命。例如，逻辑单元可适于向用户提供电池125是处于极佳、良好、逐渐衰退还是不良的健康状态的指示。逻辑单元140还可向用户指示采取一些具体措施，诸如生成指示更换电池125的指标。例如，如果soh值等于50％，则这意味着电池125已损失其充电容量的50％，并且逻辑单元140可将该值解释为电池具有逐渐衰退的健康状态，并且向用户指示应更换电池125。
应用处理器115可例如基于从电池系统105接收的信号来控制电子设备。此外，应用处理器115可将从电池系统105输出的数据传送到驱动电路(未示出)，该驱动电路可被配置成驱动电子设备内的显示单元。驱动电路可驱动显示单元，使得可基于来自应用处理器115的数据而在显示单元上显示剩余电池容量、电池的温度、电池的运行时间、电池的soh等。
pmic110可管理应用处理器115、电量计电路150和/或电池125的功率要求。pmic110可耦接到电池系统105，以确保电池125根据特定组的规格进行操作，并且确保电池125向应用处理器115提供适当量的功率。例如，pmic110可管理电池充电周期，执行dc-dc转换，执行电压缩放，执行通电排序，执行电源选择和/或其他杂项功能。pmic110可包括适用于电池管理、电压调节、充电功能等的任何电路和/或系统。pmic110还可包括与存储器145类似的存储器设备，以存储配置数据。
在操作中，电量计电路150可执行电池125的健康检查，以确定老化对电池满充电容量、电池的内电阻和电池的剩余寿命的影响。电量计电路150可使用多种方法(诸如电压方法和库仑计数)来测量电池125的容量，并且利用所测量的容量值来计算电池125的老化电阻r’。在各种实施方案中，电量计电路150可根据老化电阻r’来计算电池的soh。
在示例性实施方案中，并且参见图4，电量计电路150可例如根据电压方法来测量第一容量q1(405)。电量计电路150随后可例如根据库仑计数方法来测量第二容量q2(410)。电量计电路150可采用测量电池125的第一容量q1和第二容量q2的任何方法。电量计电路150可将第一容量q1和第二容量q2存储于存储设备(诸如存储器145)中。
电量计电路150随后可根据以上公式1计算容量比qr(415)。例如，电量计电路150可采用逻辑单元140来从存储器145检索第一容量q1和第二容量q2并且计算容量比qr。
在各种实施方案中，电量计电路150可将第一容量值q1和第二容量值q2进行比较，以确定第一容量值q1是否等于第二容量值q2(412)。如果容量值之一大于另一容量值，则可推测电池125已老化，这是由于在电池125崭新时这两个容量值q1,q2应基本上相等。一般来讲，第一容量值q1将随老化而增大，而第二容量值q2将保持相对恒定。因此，在电池125崭新时第一容量值q1将等于(或基本上等于)第二容量值q2，并且在电池125老化时第一容量值q1将大于第二容量值q2。如果第一容量值q1和第二容量值q2不相等，则该条件可指示老化的电池，并且电量计150可计算老化电阻值r’。如果第一容量值q1等于(或基本上等于)第二容量值q2，则电量计电路150可返回到该操作的开始(400)。由于用于确定第一容量值q1和第二容量值q2的方法不同，具有不同测量参数以及不同测量点，因此即使电池125崭新时这两个容量值q1,q2也可略有不同。如果第一容量值q1和第二容量值q2在预定误差容限诸如0.1％内，则电量计电路150可确定这两个值相等，以便计算老化电阻r’。
电量计电路150随后可根据以上公式2计算老化电阻值r’(420)。例如，电量计电路150可采用逻辑单元140来从存储器145检索初始电阻值r并且计算老化电阻值r’。
电量计电路150随后可提取对应于老化电阻值r’的老化容量值q’(425)。例如，逻辑单元140可从存储器145检索容量-电阻数据，并且利用该数据来确定对应于老化电阻值r’的老化容量q’。
在各种实施方案中，电量计电路150可利用老化电阻值r’来计算与电池125相关的各种参数。例如，电量计电路150可根据老化容量值q’来计算电池125的soh(430)。在各种实施方案中，电量计电路150可采用逻辑单元140来检索第二容量值q2并且根据以上公式3计算soh。
根据各种实施方案，电量计电路150可将soh传输到应用处理器115，其中应用处理器115可向用户提供警报或适当的通知。例如，应用处理器115可将soh转换为电池125的健康的对应指标和/或参数，诸如“极佳”、“中等”和“不良”。应用处理器115还可在soh降至预定值以下时经由显示屏(未示出)和/或音频部件(未示出)通知用户更换电池125。对应于特定soh值的参数(指标)可基于电池125的规格，诸如满充电容量、温度、操作规格等。
在各种实施方案中，电量计电路150可根据预定健康检查调度来测量第一容量值q1和第二容量值q2。健康检查调度可基于电池125的特定应用(诸如移动电话或汽车)、电池规格和/或任何其他合适的参数。例如，就电池供电的汽车而言，电量计电路150可每6个月执行健康检查。
在上述描述中，已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。所示和所述特定具体实施方式用于展示所述技术及其最佳模式，而不旨在以任何方式另外限制本技术的范围。实际上，为简洁起见，方法和系统的常规制造、连接、制备和其它功能方面可能未详细描述。此外，多张图中示出的连接线旨在表示各种元件之间的示例性功能关系和/或步骤。在实际系统中可能存在多个替代的或另外的功能关系或物理连接。
根据一个方面，用于确定电池的健康状态的装置包括：电量计电路，该电量计电路耦接到电池，并且被配置成：根据电池的输出电压的变化来计算第一电池容量；根据耦接到电池的负端子的分流器两端的电压来计算第二电池容量；根据第一电池容量和第二电池容量来计算容量比；根据容量比来计算老化电阻值；利用电池特征数据，根据老化电阻值来确定老化容量；以及根据老化容量和所计算的第二电池容量来计算老化的健康状态。
在上述装置的一个实施方案中，电池特征数据描述了在电池老化时电池电阻与电池容量之间的相关性。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路包括第一电路，该第一电路耦接到电池的正端子并且被配置成计算第一电池容量；并且第一电路将输出电压的变化转换为电流并对一段时间内的电流进行积分。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括第二电路，该第二电路耦接到电池的负端子；并且第二电路将分流器两端的电压转换为电流并对一段时间内的电流进行积分。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括逻辑单元，该逻辑单元耦接到第一电路和第二电路；并且逻辑单元通过将第一电池容量除以第二电池容量来计算容量比。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括逻辑单元，该逻辑单元耦接到第一电路和第二电路；并且逻辑单元通过将初始电阻乘以容量比来计算老化电阻。
在上述装置的一个实施方案中，电量计电路还包括逻辑单元，该逻辑单元耦接到第一电路和第二电路；并且逻辑单元通过将老化容量除以第二电池容量来计算健康状态。
根据另一个方面，用于确定电池的健康状态的方法包括：基于电池的输出电压的变化来计算第一电池容量；基于分流器两端的电压来计算第二电池容量；基于第一电池容量和第二电池容量来计算容量比；基于初始电阻值和容量比来计算老化电阻值；利用电池的容量-电阻数据，根据老化电阻来确定老化容量；以及基于老化容量和第二电池容量来计算健康状态。
根据上述方法的一种操作，计算第一电池容量包括：将输出电压的变化转换为电流；以及对一段时间内的电流进行积分。
根据上述方法的一种操作，计算第二电池容量包括：将分流器两端的电压转换为电流；以及对一段时间内的电流进行积分。
根据上述方法的一种操作，计算老化电阻值包括将容量比乘以初始电阻值。
根据上述方法的一种操作，计算容量比包括将第一电池容量除以第二电池容量。
根据上述方法的一种操作，计算健康状态包括将老化容量除以第二电池容量。
根据又一个方面，能够监测电池和电池特征的系统包括：耦接到电池的电量计电路，该电量计电路包括：第一电路，该第一电路耦接到电池，并且被配置成根据电池的输出电压来计算第一电池容量；第二电路，该第二电路耦接到电池，并且被配置成根据分流器两端的电压来计算第二电池容量；逻辑单元，该逻辑单元耦接到第一电路和第二电路，并且被配置成：根据第一电池容量和第二电池容量来计算容量比；根据容量比来计算老化电阻值；利用电池特征数据，根据老化电阻值来确定老化容量；根据老化容量和第二电池容量来计算健康状态；应用处理器，该应用处理器耦接到电量计电路并且被配置成提供反映电池的健康状态的指标。
根据上述系统的一个实施方案，第一电路耦接到电池的正端子，并将输出电压的变化转换为电流，并对一段时间内的电流进行积分。
根据上述系统的一个实施方案，第二电路将分流器两端的电压转换为电流并对一段时间内的电流进行积分；并且分流器耦接到电池的负端子。
根据上述系统的一个实施方案，逻辑单元通过将第一电池容量除以第二电池容量来计算容量比。
根据上述系统的一个实施方案，逻辑单元通过将初始电阻乘以容量比来计算老化电阻。
根据上述系统的一个实施方案，逻辑单元通过将老化容量除以第二电池容量来计算健康状态。
根据上述系统的一个实施方案，电池特征数据描述了在电池老化时电池电阻与电池容量之间的相关性。
已结合具体示例性实施方案描述了所述技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下作出各种修改和变化。以示例性而非限制性方式考虑说明和附图，并且所有此类修改旨在包括在本技术的范围内。因此，应通过所述的一般实施方案及其在法律意义上的等同形式，而不是仅通过上述具体示例确定所述技术的范围。例如，除非另外明确说明，否则可以任何顺序执行任何方法或工艺实施方案中列举的步骤，并且不限于具体示例中提供的明确顺序。另外，任何装置实施方案中列举的组件和/或元件可以多种排列组装或者以其他方式进行操作配置，以产生与本技术基本上相同的结果，因此不限于具体例子中阐述的具体配置。
上文已经针对具体实施方案描述了有益效果、其他优点和问题解决方案。然而，任何有益效果、优点、问题解决方案或者可使任何具体有益效果、优点或解决方案出现或变得更明显的任何要素都不应被解释为关键、所需或必要特征或组成部分。
术语“包含”、“包括”或其任何变型形式旨在提及非排他性的包括，使得包括一系列要素的过程、方法、制品、组合物或装置不仅仅包括这些列举的要素，而且还可包括未明确列出的或此类过程、方法、制品、组合物或装置固有的其他要素。除了未具体引用的那些，本技术的实施所用的上述结构、布置、应用、比例、元件、材料或组件的其他组合和/或修改可在不脱离其一般原理的情况下变化或以其他方式特别适于具体环境、制造规范、设计参数或其他操作要求。
上文已结合示例性实施方案描述了本技术。然而，可在不脱离本技术的范围的情况下对示例性实施方案作出变化和修改。这些和其他变化或修改旨在包括在本技术的范围内，如随附权利要求所述。