[发明专利]用于在电池非平衡时确定电池的荷电状态的设备和方法

说明书

技术领域

精确且可靠的荷电状态(State-of-Charge)(SoC)指示是任何由可再充电电池供电的设备上的重要特征。利用精确且可靠的SoC指示，用户将使用全部可用的电池容量，这将防止会导致电池更早用坏的不必要的再充电。已经公布了多种针对SoC指示的方法并且申请了专利。基本上这些方法可以被分成两组，即直接测量和簿记，正如在H.J.Bergveld、W.S.Kruijt、P.H.L.Notten的“Battery ManagementSystems-Design by Modelling(电池管理系统——建模设计)”(PhilipsResearch Book Series，vol.I，Kluwer Academic Publishers，Boston，2002，ISBN 1-4020-0832-5)一书中(特别是在该文献的第6章中)所描述的那样。

在直接测量的情况下，测量一个电池变量(比如端子电压、阻抗或温度)并且例如基于查找表或函数将该测量值直接转换成SoC值。这组方法的主要优点在于，一旦所述SoC指示系统被连接到所述电池之后，就可以开始测量并且可以确定SoC。这组方法的主要缺点在于，很难在所述查找表或函数中包括所有相关的电池行为。这意味着在所述查找表或函数中没有预见到的用户条件下，必须通过对所述制成表的数据进行内插或外插来获得所述SoC。这就导致所预测的SoC不精确。

背景技术

据US-A-6 420 851公开，所谓的电动势(EMF)是通过直接测量得到的用于SoC指示的一种有用的电池变量。EMF是正、负电极的平衡电势差，并且可以在电池平衡时于所述电池端子处测量，所谓的平衡即没有外部电流流动并且电池电压已经从先前的充电/放电电流的施加完全弛豫。通过测量平衡条件下的电池电压，可以通过存储在所述系统中的EMF-SoC关系把所测量的电压转换成SoC值。所存储的该曲线可以由SoC指示系统制造商按照几种方式在实验室中获得，其中包括内插、外插和弛豫。EMF-SoC关系的优点在于，在把SoC绘制于例如从0％-100％的相对轴上的条件下，当电池老化时，所述曲线保持不变。但是这种方法在有外部电流流动时或者在电流流动之后电池电压完全弛豫之前不能工作，这是因为电池端子电压在这种情况下不等于EMF。

簿记方法组的基础是库仑计数，即尽可能精确地测量流进及流出电池的电流，并且对净电流进行积分。这在所述电池是线性电容器的情况下将得到良好的SoC指示。不幸的是，这种情况并不成立。例如，由于扩散限制，所存储的电荷并非在所有条件下都可用于用户，并且当电池不在使用中时，电池电荷将由于自放电而缓慢减少。这种电池相关的行为大多数都与温度和SoC密切相关，并且在库仑计数之外还需要考虑这些行为，例如通过降低取决于电池的SoC和温度的计数器内容来考虑自放电。其主要优点在于，一般来说，制成表的数据的数量可以少于直接测量系统中的情况。其主要缺点在于：(i)所述系统需要一直连接到电池；(ii)在第一次连接时，所述系统不知道SoC(即必须对积分起始点进行编程)；以及(iii)需要校准点。后一个缺点是因为所述系统以时间积分为基础，这意味着被存储在所述系统中的电池行为的测量误差和误差将随着时间累积。在可再充电电池的情况下，定义在使用中会足够经常遇到的校准点是一项艰巨的挑战。

在直接测量SoC指示系统和簿记SoC指示系统中，电池行为都将由于老化而随着时间改变。例如，最大可用电池容量将随着时间降低。老化过程与使用条件密切相关，比如所施加的充电和放电电流、贮存条件、温度等等。为了应对老化，需要为所述系统添加某种形式的适应性以便更新参数值，从而使得SoC预测在电池老化时保持精确。

基于上面描述的知识，Philips研究机构已经开发了一种能够组合直接测量与簿记的优点的SoC指示方法。所述方法的主要特征在于，当电池处于所谓的平衡状态时通过电压测量来执行SoC估计，并且当电池处于非平衡状态时则通过电流测量来执行SoC估计。在平衡的情况下没有外部电流流动或者仅由很小的外部电流流动，并且电池电压已经从先前的充电或放电完全弛豫。如上所述，在平衡条件下，所测量的电池电压实际上等于电池的EMF。因此，在这些条件下可以应用EMF方法。当电池处于非平衡状态时，所述电池或者被充电或者被放电，并且通过电流积分来计算从所述电池吸取的或者提供给所述电池的电荷。从先前计算的SoC值中减去或加上该电荷。