专利名称：用于估计电池的荷电状态的系统和方法
技术领域：
此处公开的主题涉及适于估计电池的荷电状态的系统和方法。
背景技术：
电池的荷电状态(soc)通常是指电池的剩余电容量。知道留在电池
中的能量的量向用户指示在电池需要重新充电或被更换之前还能继续 用多长时间。该信息在那些必须避免过分的电池耗尽以确保装置时刻保 持全面运转的应用中可能是特别重要的。
存在几种用于估计SOC的方法和系统。 一个问题是诸如电池长时 间充电或放电的速率这样的变量可能在用于估计SOC的常规方法中引 入不精确性。另一个问题是一些用于估计SOC的常规方法要求在几个 小时的时间内电池没有被充电或放电的稳态条件。可以看到，在那些电 池被频繁地充电或放电，或者以变化的电流被充电或放电的系统中，这 些方法不是最理想的实施方案。
发明内容
在这里解决了上述缺点、不足和问题，这可以通过阅读和理解下面 的说明来理解。
在一个实施例中，电池系统包括电池和可操作地连接到该电池的控 制器。该控制器被配置成基于电池电流的历史来估计电池的荷电状态，
在另一个实施例中，患者监测系统包括电池、可操作地连接到该电 池的患者监测装置、和可操作地连接到该电池的控制器。该控制器被配 置成基于最近获得的电池端子电压测量结果、最近获得的电池端子电流 测量结果和该电池电流的历史来估计电池的荷电状态。在电池的使用过 程期间可以获得该电池的荷电状态估计。
在又 一 个实施例中，用于估计电池的荷电状态的方法包括得到最近 获得的电池端子电压测量结果、得到最近获得的电池端子电流测量结果、和得到该电池电流的历史。该方法还包括基于该最近获得的电池端 子电压测量结果、该最近获得的电池端子电流测量结果和该电池电流的 历史来估计源电压。该方法还包括基于源电压来估计电池的荷电状态， 以便在电池的使用过程期间可以获得该电池的荷电状态。
根据附图和其详细描述，本发明的各种其它特征、目的和优势对那 些本领域的技术人员来说是显而易见的。
图1示出根据一个实施例的系统的示意性表示；
图2示意性示出根据一个实施例的电池模型；
图3示意性示出根椐一个实施例的电池模型；
图4示出电池端子电压与荷电状态的关系的示例性曲线；
图5示出根据一个实施例的方法的流程图6是包括一个电压与时间的关系曲线和一个剩余电容量与时间的 关系曲线的图7是包括两个电压与时间的关系曲线和一个剩余电容量与时间的 关系曲线的图；和
图8是包括两个电压与时间的关系曲线和一个剩余电容量与时间的 关系曲线的具体实施例方式
在下列的详细说明中，参考附图，这些附图构成说明书的一部分， 并且在附图中以图示的方式示出可以被实施的特定实施例。这些实施例 描述的足够详细以致本领域的技术人员能够实施这些实施例，并且应当 理解，可以使用其它实施例并且在不背离这些实施例的范围的情况下可 以做出逻辑上的、机械上的、电学上的和其它改变。因此，下面的详细 说明不应被看作对本发明范围的限制。
参照图1,示出根据一个实施例的系统10。系统10包括电池12、 控制器14和电子装置16。电池12可以包括铅-酸电池。电子装置16可 以包括便携式患者监测装置，其适于监测一个或更多生命指征，例如温 度、脉搏率、血压和呼吸率。但是应该认识到，作为可选方案，系统IO 可以包括其它类型的电池和其它电子装置。
4根据一个实施例，电池12电耦合到控制器14，并且控制器14电耦 合到电子装置16。为了给电子装置16供电，电池12的能量可通过控制 器14转移到电子装置16。当电池12变得耗尽时，它可以被外部电源 18再次充电。
控制器14连接到电池12的正极端子22和负极端子24,并且被配 置成以熟知的方式测量端子22、 24处的电池端子电压Vt和/或电池端子 电流It。如此后详迷，控制器14也被配置成在电池的使用过程期间估计 电池12的荷电状态(SOC)。为了本发明目的，SOC是指电池的剩余电容 量，并且电池的使用过程包括电池充电、放电和/或闲置的时期。为了通 知用户，对电池的SOC的估计可以从控制器14转移到电子装置16。
控制器14可以基于从电池模型19导出的等式估计电池的SOC,图 2示出根据实施例的电池模型19。电池模型19包括由内部电压源Vs驱 动的电路，并且该电路模型19适于描述电池12 (图1所示)的电化学 行为。根椐一个实施例，电池模型19的电子电路包括以串联形式布置 的多个电阻器R广Rn和相应的多个电容器C,-Cn.,,每个电容器都布置在 一对相邻的电阻器之间。电阻器R!-Rn和电容器CrCV,分别代表在很多 不同类型的电池中固有的内部电池电阻和内部电池电容。电阻器和电容 器的数目能被增加以提高电池模型20描述电池12的行为的精确性。根 据另一个实施例，电池模型19可以包括电感，以取代电容器d-C^或 作为它们的补充。
参照图3,示出根据实施例的筒化电池模型20。电池模型20包括 布置在一对电阻器Ri和R2之间的单个电容器d。图3中描述的电池模 型20的实施例将在下文被用于说明性的描述，但是，本领域技术人员 应当认识到那些包含附加电阻器和电容器的备选实施例可以以类似的 方式实施。
众所周知，如果电池已经闲置了一段时间(即，未被充电或者放电)， 电池端子电压Vt能被用来估计电池的SOC。 一种基于所测量的电池端 子电压Vt得到电池的SOC估计的方法是通过使用例如图4中所示的曲 线。图4的曲线将电池端子电压与电池的SOC相关联，并且该曲线可 以从制造商处得到或者通过编辑(compile)在电池端子电压值范围上获 得的试验数据得到。作为一个例子，如果电池已经闲置了足够长的时期， 测得的电池端子电压6.0V将表明大约28%的SOC。换句话说，基于6.0V的电池端子电压测量结果，可以估计剩余大约28%的电池容量。先前所 述方法的一个问题是，在可以得到对电池的SOC的准确估计之前，必 须等待电池保持闲置达几个小时的时间。
再次参照图3，可以看到，当电池已经闲置有一段时间的时候内部 电压源Vs—般等于电池端子电压Vt。换句话说，在电容器C1达到电压 电平Vs后并且在一段时间内没有任何电流流过电阻器Rl和R2,内部 源处的电压Vs—般等于端子处的电压Vt。因此，可以结合与图4的曲 线类似的曲线来实现所计算的Vs值，从而以不要求电池保持闲置的方 式估计电池的SOC。如果负载电流已知或者可以估计，剩余的电池运行 时间也可以基于电池的SOC计算。下面将描述用于计算Vs以便可以估 计电池的SOC和/或电池的运行时间的方法
参考图1和3，控制器14被配置以基于最近获得的电池端子电压 Vt和电池端子电流It的测量结果以及该电池电流的历史来计算Vs。为了 本发明目的，电池电流的历史包括一个或更多先前获得的电池端子电流 It的测量结果。还为了该发明，最近荻得的测量结果是与其预期的使用 大致同时得到的测量结果(例如，在此前的5秒内)，而先前获得的测量 结果是在其预期的使用之前超过30秒得到的测量结果。根椐一个实施 例，控制器14被配置以使用从模型20中导出的公式Vs=Vt- ( R2*It)-(ACC^R^(1/Bte))来计算Vs。现在将描述实施该公式以估计电池的SOC 和/或电池运4亍时间的方法。
参照图5,示出根据一个实施例的用于估计SOC和/或电池运行时 间的方法的流程图。从102到114的各个框代表可以由控制器14 (图1 所示)执行的步骤。本领域技术人员将认识到步骤102-114可以以保留 该基本计算的方式重新设置和/或组合。
参考图3和5，在步骤102，以已知的方式在端子22, 24处测量电 池端子电压Vt。在步骤104,以已知的方式在端子22, 24处测量电池端 子电流It。
在步骤106处，使用公式Vs=Vt-(R2*It) - (ACOM(l/Bj )来计 算内部电压源Vs。将在下文中详细描迷用于根据上述公式计算Vs的示 例性方法。在步骤108,估计电池的SOC。根据一个实施例，可以使用 在步骤106得到的Vs的计算值和先前对于图4所描述的方法来估计电池 的SOC。在步骤110,估计电池运行时间。根据一个实施例，可以基于在步骤108处得到的SOC和通常最坏情况下的电流提取值来估计电池 运行时间。例如，如果电子装置16 (在图1中所示)的最高要求的操作 以.75amps的速率提取电池电流，该值可以和电池的SOC结合使用来提 供对运行时间的估计。
在步骤112处，根据公式ACC-( (ACC先前)"1-K))+It迭代获得变 量ACC。对以第一次迭代，变量ACC先称可以被设定为零。变量K是电 池常数，其可以根椐公式K-卜EXP ( (-h(取样率)/(BJ)得到。变量 Btc是电池时间常数，其可以根据公式Bte-C,R,得到。用于估计电池
时间常数Bte的示例性方法将在下文详细描述。在步骤114处，方法100
延迟或者等待一预定的时间量。根据一个实施例，在步骤114处的延迟 的持续时间是大约51秒。在完成步骤114之后，方法100返回步骤102。 现在将描述用于计算或估计步骤106的公式Vs=Vt- (R2*It)-(ACC^R,(1/Btc))中的每个变量的示例性方法(以它们在公式中出现 的顺序) 变量Vt可以由控制器14(在图1中所示)在端子22, 24处以 已知方式测量。变量R2可以从电池制造商处得到或者可以通过测量与 应用已知负载或移除已知负栽相关联的电池端子电压的通常是瞬间的 变化来得到。下文将对照图6描述用于估计R2的示例性方法。变量It 可以由控制器14在端子22， 24处以已知方式测量。变量ACC以对于 方法100的步骤U2所描述的方式计算。
变量R、和电池时间常数Bte可以从电池制造商处得到或者可以通过
移除负载并且曲线拟合由电压对时间曲线所得到的斜率来估计。现在将 对照图6-8来描述用于计算变量R卜R2和电池时间常数Bte的示例性方 法。
现参照图6，具有.29amp放电电流的负栽被施加于与电池12 (图1 所示)类似的取样电池(未示出)。在时刻T!,该.29amp放电电流被从该 取样电池处移除，并且在时刻T2,该.29amp放电电流;汰重新施加于该 取样电池。曲线40代表了随着对该先前所描述的放电时序的应用而产 生的取样电池的端子电压对时间的关系。曲线42代表随着对该先前所 描述的放电时序的应用而产生的取样电池的剩余容量对时间的关系。可 以看到，电池端子电压曲线40的斜率不同于剩余容量曲线42的斜率， 特别是在时间段T,和T2之间，这是因为电池端子电压曲线40未计及变 量R,、 R2和电池时间常数Bt。(图3所示)。
7如前所示，变量R2 (图3所示)可以通过测量与应用已知负栽或移
除已知负载相关联的电池端子电压的通常是瞬间的变化来估计。参照图
6可以看到，在时刻T!,端子电压(由曲线40表示)随着该.29amp放 电电流的移除而从大约5.82伏增加到大约5.91伏。因此，变量R2可以 使用欧姆定律根据公式R2=AV/I来计算，R2=A V/I=(5.91-5.82)/.29=31欧。
图7示出了曲线44和先前描述的曲线40和42。曲线44包括电池 端子电压和用来计及电阻R2 (图3所示)的修正因子。更确切地，曲线 44是随着对参照图6所描述的电池放电时序的应用而产生的(Vt-(R2*It))的量对时间的曲线。
可以看到通过将适于计及电阻l的修正因子包含进来，曲线44的 斜率更接近地近似剩余容量曲线42的斜率。但是，在时刻T,和时刻丁2 之间的曲线4 4的斜率与剩余容量曲线4 2的斜率不 一 致，这是因为曲线 44未计及电阻R,和电池时间常数Btc (图3所示)。
可以使用曲线44通过识别与应用已知负载或移除已知负栽相关联 的整个时间上的电压变化得到对变量R！的估计。该估计是基于下面的 假定而断定的该内部电池电容d (图3所示)将最终达到电压电平 Vs，以致，在足够长的时期内，电压的变化完全归因于电阻R,。例如参 照图7可以看到，在时间间隔TVT2期间，曲线44随着该.29amp》文电电 流的移除而从5.91伏增加到5.94伏。与移除已知负栽相关联的整个时 间上的该电压变化可以结合欧姆定律实施以根据公式R,=AV/I来计算 Ri， R尸AV/卜(5.94-5.91)/.29^.1欧。
图8示出了曲线46和先前描述的曲线40和42。曲线46表示基于 电池端子电压；计及电阻l (图3所示)的第一修正因子；计及电阻R, 和电池时间常数Btc的第二修正因子，对电池的内部电压源(Vs)的估 计。更确切地，该Vs曲线46是随着对参照图6所描述的电池放电时序 的应用而产生的量(Vt- (R2*It) - ( AC01V(1/B,。))对时间的曲线。
应当理解，定义曲线46的公式仅包括有一个未知变量(电池的时间 常数Bte)。可以经过试错法和经过对所得到的Vs曲线的斜率进行曲线拟 合来估计该未知变量。换句话说，该所估计的Bte变量是产生具有与曲
线42的斜率最接近匹配的斜率的变量。根据图8所示的例子，产生Vs 曲线46的该Bte估计是2,000秒。当曲线46的斜率与曲线42的斜率高度相似时，可以假定该所估计的Bte值2,000是准确的。
该所写的描述使用例子来公开包括最佳方式的本发明，并且还使得 本领域的任何技术人员能够实行本发明，包括制造和使用任何装置或者 系统并执行任何所包含的方法。本发明的专利范围由权利要求确定，并 且可以包括本领域技术人员想到的其它例子。如果这些其它例子包括与 该权利要求的文字语言没有不同的结构元件，或者如果这些其它例子包 括与该权利要求的文字语言没有本质区别的结构元件，这样的其它例子 被规定为属于该权利要求的范围内。
权利要求
1. 电池系统(10)包括电池(12)；和可操作地连接到该电池(12)的控制器(14)，所述控制器(14)被配置以基于该电池电流的历史来估计电池的荷电状态，以便在电池的使用过程期间可获得该电池的荷电状态估计。
2. 权利要求1所述的电池系统(IO)，其中该控制器(14)被进一步 配置以实施最近获得的电池端子电压测量来估计该电池的荷电状态。
3. 权利要求1所述的电池系统(IO)，其中该控制器(14)被进一步 配置以实施最近获得的电池端子电流测量来估计该电池的荷电状态。
4. 权利要求1所迷的电池系统(IO),其中该控制器(14)被进一步 配置以基于所估计的该电池(12)的内部电阻来估计该电池的荷电状态。
5. 权利要求1所述的电池系统(IO),其中该控制器(14)被进一步 配置以基于所估计的该电池(12)的内部电容来估计该电池的荷电状态。
6. 权利要求1所述的电池系统(IO),其中该控制器(14)被进一步 配置以基于该电池的荷电状态来估计电池的运行时间。
7. 权利要求1所述的电池系统(IO),其中该电池(12)包括铅-酸电池o
8. 权利要求1所迷的电池系统(IO),其中该电池(12)包括可再充 电的电池，该可再充电的电池适于附着到位于远处的电源。
9. 权利要求1所述的电池系统(IO),其中该电池(12)包括一次非 可再充电的电池。
全文摘要
本发明涉及用于估计电池的荷电状态的系统和方法。此处公开了一种电池系统(10)。该电池系统(10)包括电池(12)和可操作地连接到该电池(12)的控制器(14)。该控制器(14)被配置以基于该电池电流的历史来估计电池的荷电状态，以便在电池(12)的使用过程期间可以获得该电池的荷电状态。
文档编号H01M10/48GK101488596SQ20091000257
公开日2009年7月22日 申请日期2009年1月16日 优先权日2008年1月18日
发明者C·E·墨菲, R·W·霍德 申请人:通用电气公司