专利名称：电池电量估计装置的制作方法
技术领域：
本发明有关于一种电池电量估计装置，尤指一种可精确地估计电池电量的估计装置。
背景技术：
由于电池相关的技术不断的进步，使得许多可携式装置即使采用电池供电，也能有适当的使用时间。此外，也有越来越多的交通工具采用电力或者混合动力等方式驱动，而让电池的相关应用更为广泛。然而，当采用电池供电时，使用者仍须注意电池的剩余电量，以便能适时地进行充电或更换电池。在现有的技术中，会将电阻串接至电池，而藉由监测电池和电阻的电流和电压，来推估电池的剩余电量。然而，串接至电池的电阻会持续的有电流通过，而消耗了部分的电力，造成能源的不必要浪费。尤其当时下的电子设备愈来越省电时，串接的电阻所消耗电力的比例会越来越高，而成为有待解决的问题。另一方面，许多新种类的电池具有不同特性，例如，当电池的电量介于90 %至10%时，电池都可输出大致相同的电压和电流，以提供稳定的电力输出。因此，若使用现有的方法对此类电池进行电池电量的估计，则可能造成相当大的误差。
发明内容
有鉴于此，如何降低电池电量估计装置所消耗的能源，又能够应用于更多种类的电池，实为业界有待解决的问题。本说明书提供了一种电池电量估计装置，包含有一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端；一第一开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间；一控制电路，用以于一第一时段将该第一开关以一第一频率间歇性的导通，并且于一第二时段将该第一开关以一第二频率间歇性的导通；一电流检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件所通过的一第一电流值，并且于该第二时段时，检测该阻抗元件所通过的一第二电流值；以及一估计电路，用以依据该第一电流值及该第二电流值、及/或依据该第一电流值及/或该第二电流值所产生的一个或多个交流阻抗值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。本说明书另提供了一种电池电量估计装置，包含有一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端；一第一开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间；一控制电路，用以于一第一时段将该第一开关以一第一频率间歇性的导通；一电压检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件两端的一第一电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第二电压差值；以及一估计电路，用以依据该第一电压差值、该第二电压差值、及/或依据该第一电压差值及/或该第二电压差值所产生的一个或多个交流阻抗值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。
本说明书另提供了一种电池电量估计装置，包含有一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端；一晶体管开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间；一控制电路，用以于一第一时段该第一开关导通，并且以一第一频率周期性地变化该晶体管开关的控制端电压；一电压检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件两端的一第一电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第二电压差值；以及一估计电路，用以依据该第一电压差值及/或该第二电压差值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。上述实施例的优点之一是能够对电池快速地进行电量估计，并且能使电池电量估计装置进行电量估计时降低所消耗的能源。上述实施例的另一优点是能够对更多种类的电池进行更准确地电量估计。本发明的其它优点将藉由以下的说明和附图进行更详细的说明。
图1为本发明一实施例的电子设备简化后的功能方块图。图2为图1的控制电路所产生的控制信号的一实施例简化后的时序图。图3为电量对照表的一实施例的部分内容。图4为电量对照表的另一实施例的部分内容。图5为晶体管开关的一实施例的漏极电流与栅极源极电压差值的特性曲线。
具体实施例方式以下将配合相关图式来说明本发明的实施例。在图式中，相同的标号表示相同或类似的元件或流程步骤。图1为本发明一实施例的电子设备100的简化后的功能方块图，电子设备100包含有电池110和电量估计装置120，并且将电子设备中的其它元件以方块190表示。图1中省略其它元件及连接关系，以便于说明。电池110藉由正输出端111和负输出端112 (也可分别称为第一供电端及第二供电端)而对电子设备中的其它元件190提供电流Idc，并且将电池110等效地表示为阻抗元件113和电源114。阻抗元件113的阻抗值Z113等于R113+1/(2ji · f · C113)，其中R113为电阻值、C113为电容值、而f为通过阻抗元件113的电流频率。阻抗元件113的阻抗值Zl 13、电源114的输出电压和电流会随着电池的电量而改变。图1中，电池110的正输出端111处之电压标示为Vp,而电源114的输出电压标示为VB。电量估计装置120耦接于电池110的两端，并且包含有阻抗元件121、开关124和125 (也可分别称为第一开关及第二开关)、控制电路126、检测电路127及估计电路128。阻抗元件121的一端点122耦接于电池的负输出端112，而阻抗元件121的另一端点123则由开关124和125分别依据控制信号Cs和Ct，而耦接于电池的正输出端111或负输出端112。阻抗元件121的阻抗值为Z121，并且于图1中，阻抗元件121的端点123处之电压标示为Vm。控制电路126用以产生控制信号Cs和Ct，以控制开关124和125的导通状态。检测电路127(也可称为电压检测电路及/或电流检测电路)用以检测阻抗元件121两端的电压值、电压差值及/或阻抗元件121所通过的电流值，并将所检测的电压值、电压差值或电流值传送至估计电路128。估计电路128依据检测电路127所传送的电压值、电流值或电压差值，进行运算或者于电量对照表中进行查阅，以产生电池110的电量估计值。电量对照表可储存于电量估计装置120内部或外部的各种易失式或非易失式的储存装置。控制电路126、检测电路127及估计电路128可以分别采用处理器、控制器、各种模拟及/或数字电路、及/或软件搭配硬件的方式实施。由于电池110所剩余的电量不同时，阻抗元件113的直流阻抗值R113可能差异并不大，而无法准确的估计电池Iio所剩余的电量。因此，电量估计装置120藉由使用控制电路126将开关125设置为不导通，并间歇性地将开关124设置为导通，而使交流电流Iac流入电量估计装置120。此时，电量估计装置120可以求得阻抗元件113的交流阻抗值Z113，而更精确地估计电池110的剩余电量。例如，控制电路126会使开关125不导通，并且以第一频率fl间歇地导通开关124，使阻抗元件121的端点123间歇地耦接至电池110的端点111，而使交流电流Iac流入电量估计装置120。因此，电池110的端点111的电压Vp = (Idc+Iac)*Z113+VB =(Idc+Iac)*[R113+l/(2 π · Π · C113)]+VB，其中 Iac = Vm/Z121。估计电路128可以依据检测电路127所检测的电压值、电压差值及/或电流值，而依据上述的方程式求得阻抗元件113的交流阻抗值Zl 13 = Rl 13+1/(2 Ji ·Π -C113)，以估计电池110的剩余电量。例如，估计电路128以交流阻抗值R113+l/(2 · f · C113)，于阻抗元件113的交流阻抗值与电池110剩余电量的对照表中进行比对，而估计电池110的剩余电量。在另一实施例中，控制电路126会使 开关125不导通，并且另以第二频率f2间歇地导通开关124，阻抗元件121的端点123会间歇地耦接至电池110的端点111，而使交流电流Iac流入电量估计装置120。因此，使电池110的端点111的电压Vp =(Idc+Iac)*Z113+VB = (Idc+Iac)*[R113+l/(2 π · f2 · C113)]+VB，其中 Iac = Vm/Z121。此时，估计电路128可以依据检测电路127所检测的电压值、电压差值及/或电流值，而依据上述的方程式求得阻抗元件113于两个频率fl及f2的交流阻抗值R113+1/(2 31 ·Π .C113)及R113+1/(2ji · f2 · C113)，以估计电池110的剩余电量。例如，估计电路 128 以交流阻抗值 R113+1/(2ji · Π · C113)及 R113+1/(2 · f2 · C113)，于阻抗元件113的交流阻抗值与电池110剩余电量的对照表中进行比对，而估计电池110的剩余电量。在其它的实施例中，控制电路126会使开关125不导通，并且以一个或多个频率间歇地导通开关124，而估计电路128直接依据检测电路127所检测的电压值、电压差值及/或电流值，对照电压值、电压差值及/或电流值的至少其中之一与电池110剩余电量的对照表，藉由在对照表中查阅当交流电流Iac以一个或多个频率变化时，所检测的电压值、电压差值及/或电流值所对应至电池110的电量值，而产生电池110的电量估计值。在其它的实施例中，估计电路128也可以阻抗元件113的交流阻抗值、检测电路127所检测的电压值、电压差值及/或电流值作为参数，而直接计算出电池110的电量估计值。图2为图1的电量估计装置120对电池110进行电量估计时，控制信号Cs和Ct简化后的波形图，以下将以图2搭配图1，进一步说明电量估计装置120对电池110进行电量估计的方式。在图2的时段TO中，控制电路126会将控制信号Cs设置为低电位，并将控制信号Ct设置为高电位，使开关124呈现不导通状态，并使开关125呈现导通状态，以将阻抗元件121的端点123耦接至负输出端112，让阻抗元件121的两端点122和123间放电至电压差值为O。此时，由电池110流入电量估计装置120的电流Iac(TO) = O。在图2的时段Tl (也可称之为第一时段)，控制电路126会将控制信号Ct设置为低电位，并将控制信号Cs以频率Π (也可称之为第一频率)间歇地设置为高电位状态。使开关125呈现不导通状态，并且使开关124以频率f I间歇地导通阻抗元件121的端点123与正输出端111。此时，电池110会有电流Iac(Tl)流入电量估计装置120，并且通过开关124及阻抗元件121。检测电路127会检测通过阻抗元件121的电流值Iac(Tl)(也可称之为第一电流值)、阻抗元件121两端的电压值、及/或阻抗元件121两端的电压差值(也可称之为第一电压差值)，并且将电流值Iac (Tl)、电压值、及/或电压差值传送至估计电路128。在图2的时段T2中，控制电路126会将控制信号Cs设置为低电位，并将控制信号Ct设置为高电位，使开关124呈现不导通状态，并使开关125呈现导通状态，以将阻抗元件121的端点123耦接至负输出端112，让阻抗元件121的两端点122和123间放电至电压差值为O。此时，由电池110流入电量估计装置120的电流Iac (T2) = O。在图2的时段T3(也可称之为第二时段)，控制电路126会将控制信号Ct设置为低电位，并将控制信号Cs以频率f2(也可称之为第二频率)间歇地设置为高电位状态。使开关125呈现不导通状态，并且使开关124以频率f2间歇地导通阻抗元件121的端点123与正输出端111。此时，电池110会有电流Iac (T3)流入电量估计装置120，并且通过开关124及阻抗元件121。
检测电路127会检测通过阻抗元件121的电流值Iac (T3)(也可称之为第二电流值)、阻抗元件121两端的电压值、及/或者阻抗元件121两端的电压差值(也可称之为第三电压差值)，并且将电流值Iac (T3)、电压值、及/或电压差值传送至估计电路128。在一实施例中，估计电路128会依据电流值Iac(Tl)和Iac (T3)，于电量对照表中进行查阅，以产生电池Iio的电量估计值。例如，图3显示电量对照表的另一实施例的部分内容，在图3的电量对照表中，估计电路128会依据检测电路127所传送的两个电流值Iac (Tl)和Iac (T3)，于电量对照表中进行查阅，而推估电池110的电量。例如，当第一电流值Iac(Tl)为O. 25安培，而第二电流值Iac(Tl)为O. 28安培，估计电路128会查阅图3的电量估计表，而推估电池110仍有800晕安小时的电量。在另一实施例中，估计电路128会依据时段Tl和T3时，阻抗元件121两端的电压值及/或电压差值，而于另一电量对照表中进行查阅，以产生电池110的电量估计值。例如，图4显示电量对照表的另一实施例的部分内容，在此实施例中，当估计电路128接收检测电路127所传送的电压差值为O. 9伏特时，估计电路128会查阅电量对照表而推估电池110仍有800晕安小时的电量。在另一实施例中，估计电路128也可以依据时段Tl时阻抗元件121两端的电压差值、及/或依据时段T3时阻抗元件121两端的电压差值，而于类似图4的电量对照表中进行查阅，以产生电池Iio的电量估计值。在另一实施例中，估计电路128会依据阻抗元件113的交流阻抗值、检测电路127所检测的电压值、电压差值及/或电流值的至少其中之一与电池剩余电量的对照表，来产生电池110的电量估计值。在上述的实施例中，开关124及/或开关125也可以采用晶体管开关的方式实施，例如，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、双极性接面晶体管(BJT)或其它合适的晶体管开关。例如，在一实施例中，开关124采用M0SFET，并且具有如图5中所显示MOSFET的漏极(drain)电流与栅极源极电压(Vgs)的特性曲线。因此，控制电路126可藉由控制信号Cs而设置MOSFET的栅极(也可称为控制端)的电压，而控制MOSFET的漏极电流Id，亦即控制开关124所通过的电流。因此，在图2的时段Tl及T3中，控制电路126藉由设置控制信号Ct使开关125呈现不导通状态，并且控制电路126藉由设置控制信号Cs而将开关124的控制端电压分别以频率fl及频率f2在电压Vl至V2之间进行变化(如图5所示)，使通过开关124的电流值Iac(Tl)和Iac (T3)亦以频率fl及频率f2的频率于Il至12间变化。检测电路127用以检测阻抗元件121两端的电压值、电压差值及/或阻抗元件121所通过的电流值，并将所检测的电压值、电压差值或电流值传送至估计电路128。估计电路128依据检测电路127所传送的电流值、电压值、及/或电压差值，而于电量对照表中进行查阅，以产生电池110的电量估计值。在上述的实施例中，在时段Tl及T3中，控制信号Cs能够采用方波、弦波或锯齿坡等周期性的波形。在上述的实施例中，检测电路127可将阻抗元件121两端的电压值、电压差值及/或阻抗元件121所通过的电流值进行平均、加权平均、取最大值或取最小值等方式进行运算，而将运算后的电压值、电压差值及/或电流值输出至估计电路128，使估计电路128能依据运算后的电流值、电压值、及/或电压差值，于电量对照表中进行查阅，以产生电池110的电量估计值。在上述的实施例中，电量对照表可以记录阻抗元件113的一个或多个交流阻抗值所对应的电池电量值、阻抗元件121两端的一个或多个电压值所对应的电池电量值、阻抗元件121两端的一个或多个电压差值所对应的电池电量值、及/或阻抗元件121所通过的一个或多个电流值所对应的电池电量值。电量对照表中不但可以记录交流阻抗值、电压值、电压差值及/或电流值所对应电池电量值，也可以记录交流阻抗值范围、电压值范围、电压差值范围及/或电流值范围所对应电池电量值。例如，图4中的电量对照表也可以记录为当阻抗元件121两端的电压差值为O. 3 O. 33伏特时，估计电路128会推估电池约有200毫安小时的电量。在上述的实施例中，检测电路127也可设置为用以检测电池110的正输出端111和负输出端112之间的电压差值。例如，于图3的时段Tl时，使用检测电路127检测电池110的正输出端111和负输出端112之间的电压差值(也可称之为第二电压差值)，并于图3的时段T3时，使用检测电路127检测电池110的正输出端111和负输出端112之间的电压差值(也可称之为第四电压差值)，并使用估计电路128依据检测电路127所检测的电压差值，于电量对照表中进行查阅，以产生电池110的电量估计值。在上述的实施例中，采用由电池110放电的形式，使交流电流Iac流入电量估计装置120。在其它的实施例中，也可采用升压电路等元件，而由电量估计装置120流出交流电流至电池110，以进行电池110的电量估计。在上述的实施例中，电量对照表所记录的单位也可以依据不同的应用环境，而加以适当地选择。例如，可将电量纪录为百分比的型态等。在上述的实施例中，电量对照表可以藉由统计多个相同规格的电池而产生，或者也可以在使用电子设备100时，依据电池的特性调整，而皆能搭配上述实施例之方法而进行电量的估计。上述实施例的优点之一是电量估计装置120仅需使用短暂的时间对电池110进行电量估计，因此可大幅降低进行电量估计时所消耗的电力。上述实施例的另一优点是电量估计装置120利用阻抗元件113的阻抗值会依据交流电流的频率产生变化的特性，因此采用交流电流的方式进行电量估计，而能够更精确地估计电池的电量。说明书及申请专利范围中的某些词汇被用来指称特定的元件，所属技术领域的技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。本说明书及申请专利范围并不以名称的差异作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来为区分的基准。在说明书及申请专利范围中所提及的「包含」为一开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」一词包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一装置耦接于第二装置，则代表第一装置可通过电性连接、有线传输、无线传输、或光学传输等信号连接方式而直接连接于第二装置，或通过其它装置或连接手段间接的电性或信号连接至该第二装置。在说明书及图式中，信号皆以高态有效(active high)方式表达以简化说明，即信号于高电位时为有效(active)。在申请专利范围及其它实施例中，各个信号也可以采用高态有效、低态有效(active low)或分别使用高态有效和低态有效的方式表示。此外，某些信号、元件、电路、流程或操作方法等仅以电压或者电流的方式描述，但所属技术领域的技术人员应可理解，电压型式或电流形式的实施方式，皆能够藉由适当的转换而达成本发明的功效。说明书及图式中的元件的数量、位置和连接关系等仅为示意性的叙述与绘制，以简化说明。说明书中各个元件能以一个或多个的元件实施，或者说明书中多个元件的功能也可由同一元件实施，而皆属本发明的涵盖范围。此外，所属领域中具有通常知识者应能理解，若说明书及申请专利范围中叙述某些数值或数值范围相同时，例如，时间、阻抗值、电压值或电流值等数值或数值范围，因为工艺条件、设计上的误差和设备条件等影响，而造成此些数值于实施时可能略有不同而仍能达成本发明的效果，也应属于本发明的涵盖范围。以上所述仅为本发明的较佳实施例，各个实施例间皆能适当的结合而不互斥，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化、修饰与组合，皆属本发明的涵盖范围。
权利要求
1.一种电池电量估计装置，包含有 一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端； 一第一开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间； 一控制电路，用以于一第一时段将该第一开关以一第一频率间歇性的导通，并且于一第二时段将该第一开关以一第二频率间歇性的导通； 一电流检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件所通过的一第一电流值，并且于该第二时段时，检测该阻抗元件所通过的一第二电流值；以及 一估计电路，用以依据该第一电流值及该第二电流值、及/或依据该第一电流值及该第二电流值所产生的一个或多个交流阻抗值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。
2.如权利要求1所述的电池电量估计装置，另包含有一第二开关，耦接于该阻抗元件与该第二供电端之间，其中该控制电路会于该第一时段及该第二时段之间，使该第一开关呈现不导通状态，并且会使该第二开关呈现导通状态。
3.如权利要求1或2所述的电池电量估计装置，其中该电流检测电路，会依据该阻抗元件两端的电压值及/或电压差值、及/或该第一供电端及一第二供电端的电压值及/或电压差值，以检测该阻抗元件所通过的该第一电流值及该第二电流值。
4.一种电池电量估计装置，包含有 一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端； 一第一开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间； 一控制电路，用以于一第一时段将该第一开关以一第一频率间歇性的导通； 一电压检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件两端的一第一电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第二电压差值；以及 一估计电路，用以依据该第一电压差值、该第二电压差值、及/或依据该第一电压差值及/或该第二电压差值所产生的一个或多个交流阻抗值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。
5.如权利要求4所述的电池电量估计装置，其中该控制电路会另于一第二时段将该第一开关以一第二频率间歇性的导通，该电压检测电路会于该第二时段时，检测该阻抗元件两端的一第三电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第四电压差值；并且该估计电路会依据该第一电压差值、该第二电压差值、该第三电压差值及/或该第四电压差值于该电量对照表的查阅结果，而产生该电池的该电量估计值。
6.如权利要求5所述的电池电量估计装置，另包含有一第二开关，耦接于该阻抗元件与该第二供电端之间，其中该控制电路会于该第一时段及该第二时段之间，使该第一开关呈现不导通状态，并且会使该第二开关呈现导通状态。
7.—种电池电量估计装置，包含有 一阻抗元件，用以耦接至一电池的一第一供电端及一第二供电端； 一晶体管开关，用以耦接于该阻抗元件与该第一供电端之间； 一控制电路，用以于一第一时段该第一开关导通，并且以一第一频率周期性地变化该晶体管开关的控制端电压； 一电压检测电路，耦接于该阻抗元件，用以于该第一时段时，检测该阻抗元件两端的一第一电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第二电压差值；以及 一估计电路，用以依据该第一电压差值及/或该第二电压差值于一电量对照表的查阅结果，而产生该电池的一电量估计值。
8.如权利要求7所述的电池电量估计装置，其中该控制电路会另于一第二时段以一第二频率周期性地变化该晶体管开关的控制端电压，该电压检测电路会于该第二时段时，检测该阻抗元件两端的一第三电压差值及/或该第一供电端与该第二供电端之间的一第四电压差值；并且该估计电路会依据该第一电压差值、该第二电压差值、该第三电压差值及/或该第四电压差值于该电量对照表的查阅结果，而产生该电池的该电量估计值。
9.如权利要求8所述的电池电量估计装置，另包含有一第二开关，耦接于该阻抗元件与该第二供电端之间，其中该控制电路会于该第一时段及该第二时段之间，使该第一开关呈现不导通状态，并且会使该第二开关呈现导通状态。
10.如权利要求7所述的电池电量估计装置，其中该电压检测电路会依据该第一电压差值及/或该第二电压差值，而产生一个或多个电流估计值及/或一个或多个交流阻抗值，并且该估计电路会依据该一个或多个电流估计值及/或该一个或多个交流阻抗值与该电量对照表的查阅结果，而产生该电池的该电量估计值。
全文摘要
本发明提出的电池电量估计装置的实施例之一，包含有阻抗元件、开关、控制电路、电压检测电路及估计电路。阻抗元件耦接于电池的第一供电端及第二供电端，并且开关耦接于阻抗元件与第一供电端之间。控制电路会以预定频率间歇性地导通开关，并且电压检测电路会检测阻抗元件两端的电压差值。估计电路会依据电压差值于电量对照表的查阅结果，而产生电池的电量估计值。因此，本发明能降低电池电量估计装置进行电量估计时所消耗的能源，并且能够对更多种类的电池进行更准确地电量估计。
文档编号G01R31/36GK103064024SQ20111031648
公开日2013年4月24日 申请日期2011年10月18日 优先权日2011年10月18日
发明者黄培城, 纪秋亦, 陈正原 申请人:立锜科技股份有限公司