估计电池的可用容量的方法和电源管理装置与流程

本发明涉及对电池的可用容量的估计和管理，更具体地，涉及有效和准确地估计电池的可用容量的方法和电源管理装置。

背景技术：

一般而言，电池设备在多次反复使用后会老化，电池的总容量(即，电池的可用容量)将会下降并且不同于电池的额定容量。如果电池电量的估计/预测过程是基于电池的额定容量而电池已经老化，这将不可避免地导致错误。已有一些传统的方案用来估计电池的可用容量，但传统的方案仍不能有效和准确地估计电池的可用容量。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明提供一种估计电池的可用容量的方法和电源管理装置以解决上述问题。

根据至少一个实施方式，提供了一种用于估计电池的可用容量的方法，该方法包括：确定该电池是否在与该电池的正常操作范围不同的特定操作范围内；当该电池是在该特定操作范围内时，生成该电池的第一电量百分比，该第一电量百分比由放电深度和充电状态其中之一限定；计算在该第一电量百分比与第二电量百分比之间该电池提供的电量或者为该电池充电的电量；以及根据该第一电量百分比、该第二电量百分比和计算的电量，估计该电池的可用容量。

根据至少一个实施方式，提供了一种用于估计电池的可用容量的方法，该方法包括：测量该电池的内部电阻值以生成测量电阻值；以及通过参考该测量电阻值和第二查找表估计该电池的可用容量，其中该第二查找表定义了该电池的该内部电阻值和该电池的可用容量之间的关系。

根据至少一个实施方式，提供了一种电源管理装置，该电源管理装置能够估计/预测电池的可用容量，该电源管理装置包括存储电路和控制电路，控制电路，耦接到该存储电路，用于从存储电路加载程序代码以执行如下步骤：确定该电池是否在与该电池的正常操作范围不同的特定操作范围内；当该电池在该特定操作范围内时，生成该电池的第一电量百分比，该第一电量百分比由放电深度和充电状态其中之一限定；计算在该第一电量百分比与第二电量百分比之间该电池提供的或者为该电池充电的电量；以及根据该第一电量百分比、该第二电量百分比和计算的电量，估计该电池的可用容量。

根据至少一个实施方式，提供了一种电源管理装置，该电源管理装置能够估计/预测电池的可用容量，该电源管理装置包括存储电路和控制电路，控制电路，耦接到该存储电路，用于从存储电路加载程序代码以执行如下步骤：测量该电池的内部电阻值以生成测量电阻值；以及通过参考该测量电阻值和第二查找表估计该电池的可用容量，其中该第二查找表定义了该电池的该内部电阻值和该电池的可用容量之间的关系。

通过本发明的估计电池的可用容量的方法和电源管理装置，即使电池已经老化或反复使用多次，仍可以有效和正确地估计电池的可用容量。

在阅读各个附图中例示的优选实施例的如下详细描述之后，本发明的这些和其他目的对本领域技术人员来说无疑将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一组实施方式例示用于估计和/或预测电池的可用容量的原理流程图。

图2是根据图1的实施方式例示用于估计和/或预测电池的可用容量的流程图。

图3是根据图1的实施方式例示用于估计和/或预测电池的可用容量的流程图。

图4是根据图1的实施方式例示用于估计和/或预测电池的可用容量的流程图。

图5是根据本发明的图1至图4的实施方式或者图7至图8的实施方式的电源管理装置的框图。

图6是例示第一查找表的示例的示意图。

图7根据本发明的实施方式示出了转换第一查找表以生成第二查找表从而生成/形成准确的电池老化模型的方法的流程图。

图8根据本发明的实施方式示出了基于准确的电池老化模型预测电池的可用容量的方法的流程图。

具体实施方式

在说明书及后续的权利要求当中使用了某些词汇来指称特定的组件。本领域一般技术人员应可理解，电子设备制造商可以会用不同的名词来称呼同一组件。本说明书及后续的权利要求并不以名称的差异来作为区别组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区别的基准。在通篇说明书及后续的权利要求当中所提及的“包含”是开放式的用语，故应解释成“包含但不限定于”。此外，“耦接”一词在此是包含任何直接及间接的电气连接手段。因此，若文中描述第一装置电性连接于第二装置，则代表该第一装置可直接连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地连接至该第二装置。

请参照图1，图1是根据本发明的一组实施方式例示用于估计和/或预测电池的可用容量的原理流程图。具体地，该方法可用于有效和正确地估计电池的可用容量，即使电池已经老化或反复使用多次。只要能够实现基本相同的结果，图1所示流程图的步骤的先后顺序不需严格按照所示的顺序且不需要是连续的，也就是说，中间可以有其他步骤。图1的详细步骤如下：

步骤105：开始；

步骤110：确定电池是否正在被使用或者是否操作在与电池的正常操作范围不同的特定操作范围内；如果是，流程进入步骤115；否则，流程进入步骤140；

步骤115：检测电池的温度变化；

步骤120：确定电池的温度变化是否低于特定阈值；如果是，流程进入步骤125；否则，进入步骤140；

步骤125：计算在电池的第一电量百分比(由放电深度(depth-of-discharge,dod)或充电状态(state-of-charge,soc)，即电池电量百分比，定义)和第二电量百分比之间电池提供的电量或者为电池充电的电量，其中第一电量百分比被配置为对应于正常操作范围之外的特定操作范围，第二电量百分比是从100％放电深度和0％放电深度中选择的特定的放电深度百分比。

步骤130：根据计算的电量、第一电量百分比和第二电量百分比估计电池的可用容量；

步骤135：根据估计的可用容量和理想容量，确定电池老化因子/参数；

步骤140：结束。

在步骤110中，当电池使用在正常操作范围之外的特定操作范围内时，触发并执行用于估计电池可用容量的方法。正常操作范围可以指由如下的电池电压范围限定的操作范围：电池电压和电池的放电深度(或充电状态)之间的斜率更平坦；而特定操作范围是指正常操作范围之外的操作范围，并且可以由如下的电池电压范围限定：电池电压和电池的放电深度(或充电状态)之间的斜率更陡，因此，基于特定操作范围的可用容量的估计更准确和有效。即，特定操作范围内的电压变化的斜率大于正常操作范围内电压变化的斜率。在一个实施方式中，正常操作范围可以由电池的正常操作电压范围限定，特定操作范围由正常操作电压范围之外的电压范围限定。在另一实施方式，正常操作范围由电池电量百分比限定，特定操作范围由电池电量百分比之外的电池电量百分比范围的限定。在另一实施方式，电池电量百分比范围可以基于电池的正常操作电压范围配置。例如，可以基于正常操作电压范围限定和配置电池的电池电量百分比范围。例如，电池的电池电量百分比范围可以配置为从30％充电状态到70％充电状态的电量百分比范围，即，从70％放电深度到30％放电深度的电量百分比范围。特定操作范围包括对应于从70％放电深度到100％放电深度的放电范围的第一电压范围(也可称为特定操作范围的第一部分)和/或对应于从30％放电深度到0％放电深度的放电范围的第二电压范围(也可称为特定操作范围的第二部分)。第一电压范围和第二电压范围由正常操作电压范围隔开。应该注意的是，电池的正常操作范围的限定并不意味着对本发明的限制。在其他实施方式，正常操作电压范围可以由不同的范围限定，例如对应于从20％放电深度到80％放电深度的放电范围的操作电压范围，特定操作范围也相应进行调整。

电池的更大的温度变化可能会导致对电池可用容量的不准确估计，利用步骤115和120使得估计更加准确；不过步骤115和120是可选的并且在其他实施方式可以省略。

在步骤125中，当电池从0％放电深度放电到诸如30％充电状态(即，70％放电深度)的第一电量百分比时，该方法被设置为采用电荷计量器(coulombcounter)来计算电池提供的总电量，或者当电池从100％放电深度充电到诸如70％充电状态(即，30％放电深度)的第一电量百分比时，该方法被设置为采用电荷计量器来计算对电池充电的总电量。

在步骤130中，该方法被设置为根据计算的电量、第一电量百分比和第二电量百分比直接估计电池的可用容量。在另一个实施方式，该方法可以设置为通过参照查找表将第一电量百分比和第二电量百分比相应地转换为第一电池电压和第二电池电压，该查找表定义了电池的开路电压(即，电池电压)的电平与电池的可用容量的值之间的关系。接着，该方法被设置为基于计算的电量、第一电池电压和第二电池电压直接估计电池的可用容量。基于计算的电量、第一电池电压和第二电池电压直接估计电池的可用容量的优势在于对应的电池电压的变化范围比上述百分比的变化范围更宽。此外，通过基于查找表来转换上述百分比以生成相应的电池电压，比较容易获得相应的电池电压。

在图1的实施方式中，通过计算/测量电池从100％充电状态(即，0％放电深度)到30％充电状态(即，70％放电深度)所提供的总电量，执行用于估计电池的可用容量的方法。图2示出了根据实施方式的流程图。图2的详细步骤如下：

步骤205：开始；

步骤207：确定电池可用容量的测量过程是否已经启用？如果是，继续步骤210；否则，执行步骤245；

步骤210：测量到目前为止电池的放电深度；

步骤215：确定测量的电池的放电深度是否达到对应于第一电量百分比的放电深度百分比(例如，与30％充电状态对应的70％放电深度)，或者是否变为大于70％的放电深度？如果是，继续步骤220；否则，执行步骤210，以再次测量电池的放电深度；

步骤220：检测电池的温度变化；

步骤225：确定检测的电池的温度变化是否低于特定阈值，例如10摄氏度，如果是，继续步骤230；否则，执行步骤245；

步骤230：采用电荷计量器测量电池从100％充电状态到诸如30％充电状态的第一电量百分比(即，从0％放电深度到70％放电深度)时电池提供的总电量；

步骤235：根据测量的电量和第一电量百分比，计算和估计电池的可用容量；

步骤240：根据估计的电池的可用容量和理想容量，确定电池的老化因子/参数；

步骤243：停止电池的可用容量的测量过程；以及

步骤245：结束。

在步骤210，可以通过使电池进入睡眠模式、检测此时电池的电池电压、然后查找特定的查找表以获得对应的电池的放电深度，来实现到目前为止电池的放电深度的测量。电压adc可以用来测量电池的电池电压。

在步骤215，正常操作范围由从0％放电深度为70％放电深度的电源放电范围限定，上述特定操作范围可以被配置为在正常操作范围之外，例如从70％放电深度到100％放电深度的电源放电范围。一旦测量的电池的放电深度变为高于70％放电深度，则触发并执行估计电池的可用容量的方法。

电池的更大的温度变化可能会导致对电池可用容量的估计不准确，利用步骤220和225使得估计更加准确；不过步骤220和225是可选的并且在其他实施方式可以省略。

在步骤230，当电池放电深度达到0％(或100％充电状态)，该0％放电深度的结果可以由充电器电路报告。不需要使电池进入睡眠模式和检测电池电压来了解何时电池放电深度达到0％。也就是说，对于图2的方法，只需要使电池进入一次睡眠模式来检测电池电压，而不是使电池两次进入睡眠模式。睡眠模式是指由于轻负载电池提供较小的电流或由于空负载电池没有提供电流。

在步骤235，基于以下公式估计和计算电池的可用容量：

其中，qmax_est表示估计的电池可用容量，car表示电荷计量器测量的总电量，fg_dod表示步骤210中当前测量的电池的放电深度百分比。此外，在步骤240，根据以下公式确定电池老化因子/参数：

其中af表示电池老化因子/参数，qmax表示电池的理想容量。

在图1的另一个实施方式，通过计算/测量将电池从0％充电状态(即100％放电深度)充电到70％充电状态(即30％放电深度)的总电量，执行用于估计电池的可用容量的方法。图3根据实施方式示出了流程图。图3的详细步骤如下：

步骤305：开始；

步骤307：确定电池可用容量的测量过程是否已经启用？如果是，继续步骤310；否则，执行步骤345；

步骤310：测量到目前为止电池的放电深度；

步骤315：确定电池的放电深度是否达到第一电量百分比(例如，30％放电深度)，或者是否变为低于30％的放电深度？如果是，继续步骤320；否则，执行步骤310，以再次测量电池的放电深度；

步骤320：检测电池的温度变化；

步骤325：确定检测的电池的温度变化是否低于特定阈值，例如10摄氏度，如果是，继续步骤330；否则，执行步骤345；

步骤330：采用电荷计量器测量将电池从0％充电状态充电到诸如70％充电状态的第一电量百分比(即，从100％放电深度到30％放电深度)时的总电量；

步骤335：根据测量的电量和第一电量百分比，计算和估计电池的可用容量；

步骤340：根据估计的电池的可用容量和理想容量，确定电池的老化因子/参数；

步骤343步：停止电池的可用容量的测量过程；以及

步骤345：结束。

在步骤330，当电池放电深度达到100％(或0％充电状态)，该100％放电深度的结果可以由充电器电路报告。不需要使电池进入睡眠模式和检测电池电压来了解何时电池放电深度达到100％。也就是说，对于图3的方法，只需要使电池进入一次睡眠模式来检测电池电压，而不是使电池两次进入睡眠模式。

在步骤335，基于以下公式估计和计算电池的可用容量：

其中，qmax_est表示估计的电池可用容量，car表示电荷计量器测量的总电量，fg_dod表示测量的电池的放电深度百分比。此外，在步骤340，根据以下公式确定电池老化因子/参数：

其中af表示电池老化因子/参数，qmax表示电池的理想容量。

在图1的另一个实施方式，通过计算/测量电池从70％充电状态(即30％放电深度)到30％充电状态(即70％放电深度)所提供的总电量或者计算/测量电池从30％充电状态(即70％放电深度)到70％充电状态(即30％放电深度)为电池充电的总电量，执行用于估计电池的可用容量的方法。图4根据实施方式示出了测量电池提供的总电能的流程图。图4的详细步骤如下：

步骤405：开始；

步骤407：确定电池可用容量的测量过程是否已经启用？如果是，继续步骤430；否则，执行步骤410；

步骤410：测量到目前为止电池的当前放电深度百分比fg_dod1；

步骤415：确定测量的电池的放电深度fg_dod1是否低于第一放电深度百分比，例如30％(即，70％充电状态)，如果是，继续步骤420；否则，执行步骤407；

步骤420：初始化/启用测量电池的可用容量的方法(测量过程)；

步骤425：记录电池的当前放电深度百分比fg_dod1，测量电池从0％放电深度到当前放电深度百分比所提供的电量car1，测量并记录电池的温度；

步骤430：再次测量电池的当前放电深度百分比fg_dod2；

步骤435：确定电池的当前放电深度fg_dod2是否高于第二放电深度百分比，例如70％(即，30％充电状态)，如果是，继续步骤440；否则，执行步骤407；

步骤440：再次测量并记录电池的温度；

步骤445：确定电池的温度变化是否高于特定阈值，例如10摄氏度，如果是，执行步骤465；否则，执行步骤450；

步骤450：测量并计算电池从0％放电深度到放电深度百分比fg_dod2所提供的总电量car2；

步骤455：根据提供的总电量和放电深度百分比测量之间的差估计电池的可用容量；

步骤460：根据估计的电池的可用容量和理想容量，确定电池的老化因子/参数；

步骤465：结束。

在步骤455，基于以下公式估计和计算电池的可用容量：

其中，qmax_est表示估计的电池可用容量，car2表示电荷计量器第二次测量的电池电量，car1表示电荷计量器第一次测量的电池电量，fg_dod1表示第一次测量的电池的放电深度百分比，fg_dod2表示第二次测量的电池的放电深度百分比。此外，在步骤460，根据以下公式确定电池老化因子/参数：

其中af表示电池老化因子/参数，qmax表示电池的理想容量。

图5是根据本发明的图1至图4的实施方式或者图7至图8的实施方式的电源管理装置500的框图。电源管理装置500能够估计/预测电池的可用容量，电源管理装置500包括存储电路505和控制电路510。控制电路510被设置为从存储电路505(如寄存器电路)加载程序代码，并且可以分别执行图1至图4所示的步骤，以估计耦接到电源管理装置500的电池的可用容量。正常操作范围和特定操作范围可以由控制电路510提前配置。此外，控制电路510可以被设置为响应于不同的温度条件逐步调整特定操作范围。

此外，在其他实施方式中，控制电路510可以被设置为建立准确的电池老化模型来预测/估计电池的可用容量。准确的电池老化模型可以存储在存储电路505中。准确的电池老化模型可以等效地视为第二查找表，该查找表定义了电池的内部电阻值和电池的可用容量值之间的关系。控制电路510可以转换第一查找表来生成/建立第二查找表，其中第一查找表定义了电池的开路电压的值(即电池电压)和电池的可用容量值之间的关系。当电池在工厂中时，可以在存储电路505中生成并存储第一查找表的信息/内容。图6是例示上述第一查找表的示例的示意图。如图6所示，图6所示曲线表示第一查找表的信息和内容。qmax_rated表示电池的额定容量(即理想的容量)并且指示了相应的电池电压。一旦电池逐渐老化，电池的可用容量值逐渐下降，相应的电池电压的值逐渐变得更高。图6的曲线是基于25摄氏度的温度生成或形成的，然而，这并不意味着对本发明的限制。当电池在不同温度条件下操作或使用时，第一查找表的信息和内容定义的曲线示例可以不同。

图7根据本发明的实施方式示出了转换第一查找表以生成第二查找表从而生成/形成准确的电池老化模型的方法的流程图。只要能够实现基本相同的结果，图7所示流程图的步骤的先后顺序可以不需严格按照所示的顺序且不需要是连续的，也就是说，中间可以有其他步骤。图7的详细步骤如下：

步骤705：开始；

步骤710：提供第一查找表，该第一查找表定义了电池的电池电压值和电池的可用容量值之间的关系；

步骤715：根据最小的系统电流、最小的系统电压和电池的内部电阻值，生成相应的电池电压值；

步骤720：基于第一查找表，将每个电池电压值逐步转换为电池的相应的内部电阻值，以生成第二查找表(即电池老化模型)，其中第二查找表定义了电池的内部电阻值和电池的可用容量之间的关系；以及

步骤725：结束。

转换第一查找表生成第二查找表后，通过测量电池的内部电阻值来生成测量电阻值并且接着基于测量电阻值和电池额定容量(即总电池容量的理想值)参考第二查找表的信息，控制电路510可以准确地预测/估计电池的可用容量。这有利于更加有效和准确地估计/预测电池的可用容量。图8根据本发明的实施方式示出了基于准确的电池老化模型预测电池的可用容量的方法的流程图。只要能够实现基本相同的结果，图8所示流程图的步骤的先后顺序可以不需严格按照所示的顺序且不需要是连续的，也就是说，中间可以有其他步骤。图8的详细步骤如下：

步骤805：开始；

步骤810：测量电池的内部电阻值以生成测量电阻值；

步骤815：根据测量电阻值参考第二查找表，以查找或获得对应的容量值并使用该值作为电池的可用容量；

步骤820：根据估计的可用容量和电池的额定容量，确定电池的老化因子/参数；以及

步骤825：结束。

由于测量电阻值与可用容量在第二查找表中有对应关系，电池的内部电阻值的理想值与电池的额定容量具有对应关系，因此，也可以根据测量电阻值和电池的内部电阻值的理想值，确定老化因子。

使用了最小的系统电流和最小的系统电压以获得系统能够工作并且消耗少量电流和电压的操作阈值点。当系统在操作阈值点之下时该系统将关闭。然而，这并不意味着对本发明的限制。不同的系统电流和电压对于估计和预测电池的可用容量是有用的。此外，图7至图8的步骤可以共存，并且可以在不同时间点或或在不同的用户使用条件下由控制电路510执行。图7至图8的步骤和图1至图4的步骤可以由各自不同的电路执行。

尽管根据优选实施方式描述了本发明，应当理解本发明并不仅限于所揭露的实施方式。相反，本发明旨在涵盖包含在权利要求的精神和范围内的各种修改和类似结构，权利要求的精神和范围符合最广泛的解释从而包括所有这些修改和类似结构。