专利名称：用于可再充电电池的基于状态的满载和空载控制的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于可再充电电池的充电方法。
背景技术：
(可再充电)电池的空载(empty)的标准定义是何时出现定义为空载电压的特定电池终端电压。此定义是未使用的并且是想法简单的，因为外部电压指示很少的关于电池的内部状态的信息。这种定义的真正原因在于没有更好的方式定义空载，并且电池商家必须提供某种规则，他们由此定义了一种电压。已使用了其它的方法，但是他们会随着负载、温度、电池特性和空载电压而损失容量。譬如，已使用了库仑计量器(coulomb counter)，但是库仑计量器必须经常经过满载 (full)和空载或者误差累积。另外，没有可靠的方法来确认实际轻负载容量缩减，因为由于电池阻抗的缘故，到空载电压的容量依赖于来自每个循环的实际负载。另一种方法使用电池阻抗来预测空载的传统电池电压定义。再一种方法是使用先前模型计量方法，也就是使用空载补偿来预测空载的传统电池电压定义，即考虑到在负载移除之后的电池弛豫，使得在弛豫之后，电池的开路电压应为预定空载电压。所有这些在先方法导致容量利用的变化以及未被使用的剩余电荷。Maxim htegrated Products (即本发明的受让人)制造并且销售基于电压的电池电量计(fuel gauge)(该电池电量计对电池本身建模)，并且独立于电池上的当前负载(如果有的话)而跟踪电池的充电状态。特别地，给定安培小时容量的理想电池将提供恒定电压输出，直至输出其全部安培小时容量为止，在此之后电池电压将降到零。然而，随着充电状态减小和/或当前负载增大，真实电池表现出终端电压降低。在接近完全放电状态时，一些电池具有快速下降的终端电压。可以使用的一种电池模型是简单RC网络，其中R代表电池的内部阻抗并且C代表对于任何给定开路电池电压的电池的等效电容。通过对电池加负载和卸负载可以容易地确定R，并且对于一阶而言，其通常可以取为恒定值。在开路电压与充电状态的关系的曲线中的任何点处，简单RC模型中的表观电容C等于所提取的每安培小时电流的电池的开路电压的变化率的倒数。因此可以绘制出电池的等效电容与开路电压的关系曲线，并且电容与电池开路电压的关系曲线可以近似为在开路电压的各种增量上的分段恒定C值。当然，R和 C可以根据需要缩放而不影响结果。于是在充电和放电时，使用RC模型并且感测电池终端电压以及去到和来自电池的电流，则可以计算电池的开路电压，从而不依赖于电流来确定电池的充电状态。当然也可以使用更复杂的电池模型以考虑诸如下述的事宜电池的长期恢复(长时间恒定分量)、温度、电池阻抗(R)变化、电流等。库仑计量器也可以与这种建模一起使用，库仑计量器增大该建模的瞬时和短期精确度并且该建模增大库仑计量器的长期精确度。

发明内容
根据本发明的一个方面，提供了一种确定电池的空载状态的方法，包括利用电量计监测电池，以便即使在该电池上存在可变负载时也预测该电池的开路电压；当OCV预测经过阈值时，确定电池的空载状态。根据本发明的另一个方面，提供了一种确定电池的空载状态的方法，包括对该电池建模，以便即使在该电池上存在可变负载时也预测该电池的开路电压；当OCV预测经过阈值时，确定该电池的空载状态。根据本发明的又一个方面，提供了一种确定电池的空载状态的方法，包括使用 RC电池模型电量计监测电池，以便甚至在该电池上存在负载时预测该电池的开路电压，该电池为可再充电电池；当OCV预测经过阈值时，确定该电池的空载状态；还通过下述各项来确定该电池的满载状态将该电池充电到超过代表电池满载状态的预定开路电压的电压； 当该电池模型预测该电池的开路电压为预定满载开路电池电压时，终止充电，从而允许该开路电池电压弛豫到该预定满载开路电压。根据本发明的又一方面，提供了一种确定电池的空载状态的方法，包括提供电量计，即使在电池具有负载时，该电量计也响应于电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个而预测该电池的开路电压；监测电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个；确定预测的开路电压何时等于预定空载状态电池电压。根据本发明的再一方面，一种确定电池的满载状态的方法，包括提供电量计，即使在电池具有负载时，该电量计也响应于电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个而预测电池的开路电压；监测电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个；确定预测的开路电压何时等于预定满载状态电池电压。


图Ia至Id描述基于状态的空载与传统定义空载的方法。图2图解说明使用由本发明定义的基于状态的满载的可再充电电池的快速安全充电。
具体实施例方式在下述描述中，每当给出示例性值时，假设该电池为Li离子电池，不过本发明的原理也可以应用于其它类型可再充电电池。本发明的一个实施例利用了这样的事实通过对电池建模，诸如如上所述在现有技术中那样，甚至在该电池具有负载时，也可以知晓电池的开路电压。所使用的具体模型不是很重要，因为在确定电池充电状态方面，对具有负载的电池的开路电压进行任何合理预测将优于对于此目的而简单地使用电池的终端电压。因而，本发明允许设定电池的基于状态的满载和空载条件，并且即使在有负载时也固守这些状态。通过实例的方式，基于状态的空载控制允许忽视即时电池终端电压并且允许跨过诸如负载变化、温度变化、电池变化、老化等宽范围负载条件的满载电池使用。通常电池的阻抗下降对容量损失是有责任的。附加地，基于状态的满载和空载控制降低整体误差预算， 这允许更好地使用电池。特别地，基于状态的满载和空载控制利用受监测的特定电池的容量，而不是由于电池阻抗而限制该容量。基于状态的满载和空载控制也可以用于提供对电池充电和放电极限的附加的严格受控制的限制，从而用于电池寿命延长的目的。这在要求超过典型的5年电池寿命(诸如汽车，其要求超过10年)的应用中是特别重要的。图Ia至Id描述基于状态的空载与传统定义空载的方法。在这些曲线中，细的线条或曲线代表传统方法并且粗的线条或曲线代表本发明的基于状态的空载。Q(@C/2)曲线代表具有重负载时的放电率，而Q(@C/8)曲线代表针对轻负载的放电率。传统方法在与负载无关的相同的即时电池电压(图Ib中3.0伏特)处停止，但是停止或稳定在不同的电池状态，下述弛豫电压的差异证实这一点。在这两种情形中的每一个中，电池的状态(开路电池终端电压)是不同的，如图Ia和Ic中看到的那样。然而，本发明的基于状态的空载停止在相同的状态(相同的开路电池终端电压，如图Ic所示)，但是在停止时允许不同的即时电池电压(图Id)，并且管理相对地不依赖于负载条件的下述弛豫状态以便稳定在相同的开路电压。为了实现这一点，电量计必须能够进行精确的OCV预测，其中当OCV和电阻变得极度非线性时，这是空载附近的一种复合挑战。基于状态的满载条件也提供对满载状态的更好控制以得到最优化的充电控制和充电速度。这可以在寿命最优化应用中实现，这样的应用诸如3年保修期情形(当前所看到的在行业中对于苹果和惠普膝上型计算机)。在这些应用中，充电电压经常从4. 2V降低到4. IV以提高电池寿命，因为在满载的时间经常成为电池老化的主要原因(特别是对于总是将膝上型计算机保持接通电源的用户)。对于这种寿命延长的常见解决方案是仅仅充电到4. IV而不是4. 2V。实现相同的寿命提高的更灵巧方式是充电到更高即时电池终端电压， 诸如4. 2V，但是将充电终止改变发生在与现有技术4. IV充电相同的状态(相同的开路电池终端电压)。这提供了寿命延长(以及保修期延长)并且同时提供了加速充电的特征。在图2中描述这个构思。在左侧的斜线代表充电率。对于现有技术中的延长的电池寿命，充电电压峰值在4. 1伏特，并且在一段时间之后，充电器关闭且电池开路电压弛豫到4. 05伏特。利用本发明，充电可以更短时间地进行到4. 2伏特以实现相同的充电状态，其中该弛豫更早地开始并且更为显著地最终达到4. 05伏特的相同的开路电压，由此充电到与现有技术充电技术产生的开路电压(4. 05伏特)相同的开路电压。同样，这可以利用管理精确OCV预测的电量计实现。通过过充电到4. 3V，但是早期停止到相同的状态作为4. 2V 满载，这个相同的构思可能用于4. 2V充电。然而，应当进行下述验证即使短时间升到比电池制造商指定的电压甚至更高的充电电压，也将有可能不知何故无法实现期望的效果或者进一步缩短电池寿命。 在极端长寿命应用中，通常充电到仅70 %并且放电到仅30 %从而最大化总的电池寿命使用(循环*容量)。在其中服务成本极端的空间应用中如此操作，并且在其中车辆必须维持超过10年的汽车应用中也如此操作。利用本发明中使用的开路预测和感知通过更精确地和直接地管理电池状态，基于状态的满载和空载控制可以扩展这种已有构思。
因而通过具有电池状态的良好预测，可以更精确地定义满载和空载状态并且利用更多的电池容量而没有对电池过充电或过放电的风险。结果，对于老化的电池，由于其更高的阻抗，基于状态的满载和空载控制应将运行时间提高超过30%。在寒冷温度(诸如0°C)， 电池可能会损失超过一半的容量。在寒冷时，基于状态的满载和空载控制可以将运行时间提高超过50%。当电池上的负载为高时，存在更加多的电压下降，并且电池电压更加脱离电池状态。在IC负载时，相对于更高的3. 4V和3. 3V空载电压，基于状态的满载和空载控制在一些新电池上可以将运行时间提高超过20 %。电量计量是一种实时活动，并且不允许依赖于在关键事件(空载)已经过去之后发生的将来的弛豫条件。实时电量计量必须在存在加负载时进行其预测。通过根据开路电压的预测来定义空载，电量计可以实际上限制和管理电池的空载状态，而不是使用简单的即时电压。典型地以保留2%或3%电池容量的储备来执行这一点，即放电将在2%或3% 的实际电池充电状态处终止以留下储备容量。该储备容量可用于支持1.储备&背景功能(保存数据、关闭、保持时钟)。2.误差预算(没有电量计是理想的)。3.保护电池以免过放电。向下放电到电池的底部会损坏电池并且将加速老化。可以用于实践本发明的另一种技术是使用库仑计量器类型的电量计，并且记下在每次放电之后以及电池有机会弛豫之后电池的开路电压。随后，基于在弛豫之后电池的开路电压和代表空载的预期的电池的开路电压之间的误差，从满载到空载的库仑计量可以被向上或向下调整以用于下一个充电放电循环。类似地，可以记下在每次充电之后以及电池有机会弛豫之后电池的开路电压。随后，基于在弛豫之后电池的开路电压和代表满载的预期的电池的开路电压之间的误差，从空载到满载的库仑计量可以被向上或向下调整以用于下一个放电充电循环。尽管可以如此工作，但其缺点在于它甚至比典型库仑计量器更依赖于设备用户的习惯。特别地，不仅用户在各放电之间可以不将电池满载充电(这允许库仑计量的漂移)；而且用户可以在指示的空载出现之后立即开始再充电，使得无法获得在指示空载之后的开路电压的精确读数。因此电池模型方法是优选的，不过所使用的特定电池模型本身是关于偏好的问题并且该模型本身不是本发明的一部分。因此本发明具有诸多方面，所述各方面可以根据需要而单独地或者按照各种组合或子组合来实践。尽管本发明的某些优选实施例已经在此处出于说明目的而非限制目的予以公开和描述，但本领域技术人员将理解在此处可以进行各种形式和细节上的变化而不背离本发明的精神和范围。
权利要求
1.一种确定电池的空载状态的方法，包括利用电量计监测电池，以便即使在该电池上存在可变负载时也预测该电池的开路电压；当OCV预测经过阈值时，确定电池的空载状态。
2.权利要求1的方法，其中该电量计为模拟的电池模型。
3.权利要求2的方法，其中该电池模型为电阻器电容器电池模型。
4.权利要求2的方法，其中该电池为可再充电电池。
5.权利要求4的方法，还包括通过下述各项来确定该电池的满载状态 将该电池充电到超过代表电池满载状态的预定开路电压的电压；当该电池模型预测该电池的开路电压为预定满载开路电池电压时，终止充电，从而允许该开路电池电压弛豫到该预定满载开路电压。
6.权利要求1的方法，其中该电量计为库仑计量器并且该电池为可再充电电池。
7.权利要求6的方法，其中基于在弛豫之后空载电池的开路电压和预期的空载电池的开路电压，调整该库仑计量器从满载到空载的库仑计量。
8.一种确定电池的空载状态的方法，包括对该电池建模，以便即使在该电池上存在可变负载时也预测该电池的开路电压； 当OCV预测经过阈值时，确定该电池的空载状态。
9.权利要求8的方法，其中该电池模型为电阻器电容器电池模型。
10.权利要求8的方法，其中该电池为可再充电电池。
11.权利要求10的方法，还包括通过下述各项确定该电池的满载状态 将该电池充电到超过代表电池满载状态的预定开路电压的电压；当该电池模型预测该电池的开路电压为预定满载开路电池电压时，终止充电，从而允许该开路电池电压弛豫到该预定满载开路电压。
12.一种确定电池的空载状态的方法，包括使用RC电池模型电量计监测电池，以便甚至在该电池上存在负载时预测该电池的开路电压，该电池为可再充电电池；当OCV预测经过阈值时，确定该电池的空载状态； 还通过下述各项来确定该电池的满载状态 将该电池充电到超过代表电池满载状态的预定开路电压的电压； 当该电池模型预测该电池的开路电压为预定满载开路电池电压时，终止充电，从而允许该开路电池电压弛豫到该预定满载开路电压。
13.一种确定电池的空载状态的方法，包括提供电量计，即使在电池具有负载时，该电量计也响应于电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个而预测该电池的开路电压；监测电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个； 确定预测的开路电压何时等于预定空载状态电池电压。
14.权利要求13的方法，其中该电量计为电压模型电量计，并且该电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为电池的终端电压。
15.权利要求14的方法，其中该电量计包括库仑计量器，并且该电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为电池的终端电压和从电池流出的电流这二者。
16.权利要求13的方法，其中该电量计为库仑计量器，电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为从电池流出的电流，并且基于在弛豫之后电池的开路电压和代表空载的预期的电池的开路电压之间的误差，从满载到空载的库仑计量被向上或向下调整以用于下一个充电放电循环。
17.一种确定电池的满载状态的方法，包括提供电量计，即使在电池具有负载时，该电量计也响应于电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个而预测电池的开路电压；监测电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个；确定预测的开路电压何时等于预定满载状态电池电压。
18.权利要求17的方法，其中该电量计为电压模型电量计，并且电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为电池的终端电压。
19.权利要求18的方法，其中该电量计包括库仑计量器，并且电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为电池的终端电压和从电池流出的电流这二者。
20.权利要求17的方法，其中该电量计为库仑计量器，电池的终端电压和从电池流出的电流中的至少一个为从电池流出的电流，并且基于在弛豫之后电池的开路电压和代表满载的预期的电池的开路电压之间的误差，从空载到满载的库仑计量被向上或向下调整以用于下一个充电放电循环。
全文摘要
本发明涉及用于可再充电电池的基于状态的满载和空载控制。用于可再充电电池的基于状态的满载和空载控制，其即使在电池上存在负载的情况下也将确保均匀的电池空载条件。电量计提供电池的开路电压的预测，并且当预测的电池的开路电压达到空载电池的预定开路电压时，负载被终止，在此之后该电池将弛豫回到空载电池的预定开路电压。公开了一种类似的用于电池充电的技术，其允许更快速的电池充电而不会过充电。优选地，使用RC电池模型作为电量计以提供预测，但是作为可替换方案，库仑计量器可用于提供预测，在连续充电放电循环之间提供误差校正。
文档编号G01R31/36GK102565715SQ20111043715
公开日2012年7月11日 申请日期2011年12月7日 优先权日2010年12月7日
发明者J·A·沃尔萨姆 申请人:马克西姆综合产品公司