CN101354432A - 电池性能监控 - Google Patents

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Abstract

本发明相关于用以判定一电池状况的现存技术借以通讯至一使用者(例如通讯至个人车辆所有人，或通讯至一车队服务经理)，或通讯至该车辆操作系统的该等方法中，及用以评估该电池状况的该等方法中两者的改进。本发明人已发现一完全充电电池于充电期间与充电后测量的内部电阻差异，与一新电池相比，用于一状况差的电池的差异较大。本发明部分相关于数种利用此发现以评估一电池状况的仪器及对应方法。

Description

电池性能监控
技术领域
本发明一般相关评估电池状况的领域，尤其相关例如机动车辆及船舶应用中，在蓄电池受到各样负载及再充电顺序约束的环境中，所使用电池的充电状态及健康状态的评估。
背景技术
1.概述
大众运输车辆、商用卡车、军用设备、船舶、飞机、电传设备、电气车辆、计算机系统及其它许多装置的安全及可靠操作，需要整合在该等系统中的电池具备能预测及可靠的性能。本发明相关电池监控设备，尤其相关用以监控一或多个电池状况的方法及装置，尤其用以不断地监控一或多个电池在使用中的性能特征。
过去，监控此类应用中所用电池的状况有所困难。此项困难的一方面相关与电池系统相关联的许多变量，包括动态及不能预期的工作周期、负载、环境、连接、充电系统、电池年龄、电池与电池的互动等。除了与监控受此类变量约束的电池系统相关联的困难外，在许多应用中方便地安装一监控系统有困难。此困难相关该(或该等)电池位置与操作者位置相隔甚远。例如，在一汽车中，该电池位在引擎室内，而受惠于电池性能信息的驾驶员(或该系统)则位在座舱内，此出现一接线问题，尤其若此一系统安装于一先存在的车辆中。困难也与区分一恰好放电的良好状况电池与一到达或接近使用寿命终点的电池相关联。最后，电池是使用在要求不同监控技术的不同环境中；更特定地，监控需要在短时间吸引高电流的引擎启动服务中使用的电池，与通常在较长时间吸引较少电流的″深周期″应用中使用的电池，适用不同技术。
更特定地，在许多电池应用中，例如，汽车及船舶应用，车辆系统及驾驶员了解电池的充电状态(″SOC″)(有时称为充电程度)及电池的健康状态(″SOH″)(有时称为电池寿命)是有用且重要的。SOC常以百分比表示，以便在100％SOC的电池视为完全充电，及在0％SOC的电池视为完全放电。SOH通常以百分比表示，以便将呈现100％SOH的电池视为新电池，及在0％SOH的电池已达其有用寿命终点，仅能在完全充电储存是新电池时所能储存能量的一部分(通常设定在60％)。
尤其地，通称为止起式车辆的一类汽车例如当该车辆遇红绿灯减速或休止时自动关掉引擎。当车辆关掉引擎休止时，头灯、空调、媒体设备等所有车辆系统是由电池供电。当驾驶想加速时，车辆自动命令引擎启动，以便车辆能继续行驶。此类车辆中的自动引擎控制系统(ECS)因该系统必须一直确保电池中仍有足够能量以启动引擎，因此需要极准确的SOC信息。基于SOC信息，ECS若判定仍有足够电池能量，则将容许自动关闭引擎。同样地，若SOC下降到一预设临限值以下，即使驾驶未曾应用加速器，为将电池充电，ECS会命令引擎启动。
SOH信息重要，主要是当电池达到其有用寿命终点时便于容许前摄地更换电池，而非正在使用车辆时电池不便地故障。更特定地，SOH测量电池储存能量的能力，其随着电池年龄而减低。电池的SOH是借由该电池在完全充电时能储存的能量与是新电池时能储存的能量相比较而得出。例如，具有100安培-小时(Ah)容量的新电池当完全充电时仅能储存60Ah的能量时，视为已达寿命终点(SOH＝0％)。
因此，为一起止式车辆(及其它许多电池应用中)的适当操作，必须准确地评估SOH及SOC以确保电池一直包含足够能量以适当作用在该系统中。
2.专用术语
电池的不同部分及相关工业以不同方式使用相同术语，尤其是″容量″；定义数个术语如下，以便清楚了解本发明。
目前能力(″Ca″)-一电池在任一已知时间所储存能量的度量。
最大能力(″Cm″)-一电池在其整个寿命期间的任一点储存最大能量的度量。
有效能力(″Ce″)-一电池在其寿命中的一已知点储存最大能量的度量。
生命终点能力(″Ceol″)-一电池在其有用寿命终点储存能量的度量。
因此，当一电池在高峰状况中(通常是刚使用不久，如以下的讨论)及完全充电时，其目前能力Ca等于其有效能力Ce，及此有效能力等于其最大能力Cm。
随着时间经过，一电池的有效能力Ce相对于其最大能力Cm而减少；Ce与Cm的关系称为电池的健康状态(″SOH″)。当一电池的有效能力Ce等于其生命终点能力Ceol时即视为超出使用期限。Ceol能随意地设定，如设定成0.6Cm。为以百分比表示SOH，以便当Ce＝Cm时SOH＝100％，当Ce＝Ceol时SOH＝0％，因此Ce-Ceol除以Cm-Ceol及乘以100。
在任一已知时间，一电池能部分地放电，以便其目前能力Ca有点小于其有效能力Ce；Ce与Ca的关系称为电池的充电状态(″SOC″)。如上述，SOC能由Ca/Cex100以百分比表示。
3.先前技艺说明
电池测试的领域已极为活跃，且已研发出许多不同技术用以评估一电池状况的各种方面。为说明各种解决方法的缺点，首先将此艺采用的主要解决方法简短分类如下，以便能立即明白在本发明较佳实施例中所使用电池评估技术的有利点。
用以评估一电池状况各种不同方面的传统方法包括：
建立一预设预期电压放电曲线以用于该电池，测量电池电极端子之间的电压，及比较测量的电压与预设电压放电曲线，用以判定电池的充电状态(SOC)。此称为″电压感测″。
1.施加一重负载到该电池，及测量横跨其电极端子的电压降。此方法称为″负载测试″。
2.建立一参考点以用于一电池中储存的能量，测量随着时间经过流进流出电池的电流，通常借由测量横跨一分流电阻或线圈的电压降，及接着与该参考点比较而估计出总剩余能量。此方法常称为″库仑计数″或″电流积分″，通常使用一″VIT(电压-电流-温度)传感器″执行此方法。
3.借由施加一时变小幅度交流电(AC)信号到一电池一段时间以测量该电池的″动态电导″，及测量该电压响应，及接着基于测量结果计算该电池的″动态电导″；能参考横跨该电池的电压以校正此值，采用此值表示该电池充电状态。参阅Champlin的美国专利号3,909,708及4,912,416。
以上首先提到的电压感测方法有许多缺点。首先，每一电池型号的电压曲线是唯一的，因此该参考曲线必须特定地匹配到单一电池型号。第二，实际放电剖析曲线随着电池年龄而改变。第三，放电剖析曲线是基于负载大小而改变。最后，测量的电压将重大地受到应用到该电池的负载(或充电器)的影响。例如，应用大负载的一完全充电电池将显示一低电压，以致将误认为该电池在放电。
以上在第二点说明的″负载测试″方法，通常实施在先前技艺中，除了其它缺点外，尚有需要自电池吸引重大电流、干扰测量准确度与放电及可能损坏电池的缺点。
以上在第三点提到的电流分流、″VIT″，或″库仑计数″方法有许多缺点。更重要地，此方法未直接测量电池中的能量位准，而仅监控进出电池的能量流动，及使用此数据以测量与一预录参考值的背离。即使经过数个放电/再充电周期，由于无法测量或准确估计电池充电及放电的相关联无效率，作为结果的能力估计大幅且迅速地漂离电池中的实际能量。实施此方法的装置巨大且笨重，难以安装及连接。
更特定地，上述″止起式″车辆需要极准确有关其电池SOC的信息，已使用VIT传感器来努力。如上述，VIT传感器测量流进流出电池的电流，通常借由测量横跨一高度准确分流电阻的电压降，同时测量温度。此数据传送到车辆计算机或由该传感器分析，及借由称为电流积分或库仑计数的过程来评估SOC。为达成有用的SOC结果，该传感器或车辆计算机必须包括大量有关该电池及电池江如何充电放电的细节。需要此细节是因必须一直调整电流积分的结果以用于对电池中储存能量具大冲击的数个因子，但电流传感器无法测量该等因子。此类因子包括电池尺寸、温度敏感度、速率能力及其它因子。即使具有此类细节，随着时间经过VIT传感器及电流积分过程内在地容易累积误差。虽然VIT传感器在一测量周期的开始提供高度准确SOC标示，但误差累积且在10或20个放电周期后误差会变大，且常随着电池年龄而变糟。
除了容易累积误差的问题外，因校正算法的特定本质，不可能单纯地将一VIT传感器应用在任何应用中的任一电决，及期望取得有用的SOC或SOH信息。此等缺点使VIT传感器技术限制到传感器已程序化的极特定应用中。此等限制对提供具许多不同电池的许多设备型号的汽车制造商及其它设备制造商形成问题，此外，顾客会以许多不同方式使用产品，及相关传感器校准成以修配厂能取得的不同电池型号作用而更换该电池。在各情况中，VIT技术是无法准确地测量SOC。
以上最后提到的″AC信号″或″动态电导″方法有重大缺点。最重大的缺点是，当电池在使用中时，将常连接到数个负载或充电器，产生噪声或具有对施加AC信号作出反应的成分。因此，测量的电压响应将包括与连接到该电池的装置元件相关联的重大扭曲。此缺点令此方法极难在正使用一电池时，用以准确地判定该电池的状况。
先前技艺包括许多指向电池监控及评估的专利。数个示范解决方法揭露如下：
Tsuju的美国专利号6,072,300相关于一大电池组的个别电池的特征。由电池电压估计出内部电阻。参阅第5栏第32至38行。
Fakruddin的美国专利号5,027,294基于电压测量指出电池状况的特征。
Arai的美国专利号6,201,373说明用以测量一电池充电状态(SOC)的一电路，但自身并非一电池状况评估元件。电压及电流皆加以取样。
Hirzel的美国专利号5,381,096相关于SOC测量。
Satake的美国专利号6,531,875教示基于一连串测量的推断以评估一电池的开放电路电压。
Disser等人的美国专利公开号2003/0067221A1说明用于汽车的电压调节器电路结构。
Yokoo的美国专利号5,828,218说明一估计方法，用以基于一电池放电期间的放电电流及电压以估计该电池的残余容量。
Munson的美国专利号5,900,734说明一电池监控系统，其中该电池电压与一固定参考值比较，当该电池电压小于该参考值时提供一警示。
Bramwell的美国专利号5,721,688及6,097,193讨论各种测量一电池内部电阻及/或阻抗的方法，包括施加一小AC信号到该电池，及使用一惠斯通(Wheatstone)桥接器或相等物以测量内部电阻，参阅第1栏第40至48行。Bramwell主张的方法包括，当车辆不动时，每隔一段时间借由自一电池发出或消除的一已知量电流以测量该电池阻抗的数个步骤。
Turner等人的美国专利号6,249,106说明用以防止一电池放电超出一预设点的电路。Yorksie等人的美国专利号3,852,732指向同一目的。Finger等人的美国专利号4,193,026指向测量一电池的SOC，是借由将一表示该电极端子电压减少的信号积分运算到一临限值以下。
Reher等人的美国专利号5,130,699说明用以监控一电池的装置，其借由每隔一定时间测量电极端子电压，比较测量值与一默认值，及依该结果而在一移位缓存器中设定一旗标以监控该电池。当一预设数量的旗标指示一电压不足状况时提供一警示。
Sato等人的美国专利号5,193,067揭露借由测量一预设电流放电期间的电压，或借由测量在一预设电压放电期间的电流，以判定一电池的内部阻抗。
Slepian的美国专利号5,764,469说明当电池电压下降到一预设位准以下时中断一车辆的电子设备。
Gollomp等人的美国专利号6,424,157论及由开放电路电压(OCV)测量电池SOC的困难，原因是此测量需要断开该电池的连接。Gollomp反而教示静止电压(QV)的监控，如在车辆不动时每隔30分钟测量一次，参阅第9栏第18至50行。当QV下降到一预设点以下时提供一警示信息，参阅第11栏第28至39行。Gollomp教示引擎启动期间电压及电流的监控(参阅图6)。此数据储存在内存中，参阅第12栏第48至50行，及用以判定内部电阻(IR)及偏极电阻(PR)。Gollomp教示随着时间经过监控SOC及QV以判定电池何时将无法启动汽车，参阅图3，第14栏第22行至第16栏第36行。Gollomp教示储存电池的第一个IR值，或某一后续值以用于″未来使用″，如随着时间经过判定IR变化。同样随着时间经过监控PR，参阅第17栏第12行至第18栏第35行。该结果是为初发电池故障或与连接等相关的某问题提供警告。在连续启动期间监控此等数据，参阅申请专利范围第1项。
Kchao的美国专利号5,751,217说明用以估计电池阻抗的方法及电路，其表明仅适用于完全充电的电池，参阅第3栏第49至55行及第4栏第12行，及其意欲合并到一电池充电器中。相较之下，本发明的装置未局限于完全充电的电池，及合乎经济地作为一独立式单元或安装在一车辆中。
如上述，现有由一电池″动态电导″(意即其内部″动态电阻″的倒数)的测量以评估该电池的状况，借由施加一时变小幅度AC信号到该电池一段时间及测量该电压响应，及接着基于该响应而计算该电池的″动态电导″；此值参考横跨该电池的电压加以校正，采用该值表示电池的充电状态。参阅Champlin的美国专利号3,909,708及4,912,416。然而，此方法并不适合在一般有电子″噪声″的汽车环境中测量在使用的一电池的动态电导。
Bertness的美国专利号6,633,165借由监控一电池的数个特定参数，以解决一电池的″健康不稳状态″及″健康保留状态″的测量，根据上述Champlin专利所测量的动态电导明显较佳。
本发明人Huang的美国专利号6,791,464，该文件以引用方式并入本文中，说明一机动车辆电池状况的评估，是借由在该启动器提供大量负载时，监控启动期间横跨该电池的电压。在启动期间达到的最小电压与一默认值比较以评估该电池的状况。
美国专利号6,704,629的发明人是Huang，该文件以引用方式并入本文中。根据Huang的′629专利中揭示的方法，其视为上述现有″负载测试″技术的改进，一较大已知负载在一极短时间施加到一电池。测量与该极短瞬间负载相关联的电压变化及电流流量。自施加该已知负载期间的电压变化及电流流量直接算出该电池的直流(DC)内部电阻。因该DC内部电阻与该电池内剩余能量直接相关，因此此方法直接测量电池能力。此方法排除与连接的设备相关联的噪声失真效应，及因此比AC信号方法更大大有用。
共同让渡的美国专利号7,212,006的发明人是Huang，此参考文件以引用方式并入本文中，该专利相关于借由测量一电池内部电阻(IR)以监控该电池状况的方法及装置。该方法涉及测量横跨该电池的无负载电压及一已知负载，连接该负载，测量该负载电压，及基于测量结果以判定IR。该方法能测量一电池安装在一操作上的车辆时的内部电阻，意即，不管一方面存在电荷来源如交流发电机，及另一方面存在负载。
共同让渡申请中的美国专利申请案序号11/984,669，名称为″借由测量一电池内部电阻以监控该电池状况的方法及装置″，此参考文件以引用方式并入本文中，发明人是Huang，该专利申请案说明相关专利号7,212,006中揭示以评估一电池IR的技术的进一步改良。此方法涉及连接横跨该电池的不同已知负载，测量该负载及数个电池电压，及借此判定IR。本文中揭露的一些方法及仪器需要测量一电池在充电期间及充电后的IR，较佳利用美国专利申请案序号11/984,669中揭示的技术来实施该测量，以下将详加讨论。
发明内容
如上述，用于电池评估的现有技术及设备仍有许多能改进的部分。
因此，本发明的一目的为提供一种低成本电池监控器，其立即使一现有车辆改型翻新，及能将电池状态信息通讯给例如驾驶员，或通讯到一远距位置如一车队经理的办公室等，以使前摄式测量能在需要时采用。
本发明的另一目的为提供一种仪器以提供用于SOC的一准确值，该仪器为自行校准式，以便不易受到长期漂移的影响。本发明的再一目的为提供能″自行学习″该电池特性的此一仪器，避免安装时必须输入该电池特性。
本发明的另一目的为提供此一种另外提供一电池SOH标示的仪器，以便可预测初发电池故障及借以避免。
本发明的又一目的为提供一种用以判定一电池SOH的仪器，其将提供该电池状况的一准确评估，无关乎该电池的SOC，及不需手动输入类似规格的一较新电池的额定特性以用于比较，此一仪器在评估用过的电池以用于保证声明或类似情形时最有用。
本发明的再一目的为提供一″智能型″电池充电器，意即，能准确评估一电池状况的电池充电器，以据此调整该等充电参数，在适当时机进一步提供一输出，指明该电池已达其有用寿命终点。
本发明的其它目的将说明如下。
本发明揭示用以判定一电池状况的现有技术(如上述Huang的美国专利案及申请案)借以通讯给一使用者(例如，通讯给个人车辆的所有人，或通讯给一车队的服务经理)或车辆操作系统的该等方法中，及用以评估该电池状况的该等方法中两者的改进。本发明相关于车辆性能及状况数据通讯给使用者，意即除了电池状况数据本身外。本发明相关于根据本发明的一电池监控器与一电池充电器的整合，以便实现最适化电池充电。
本发明相关于数种方法及装置，借此先在一″自行学习″步骤中判定该电池的特性，及然后借此在一″自行校准″过程中准确地追踪一电池的SOC。此外，不需输入有关该电池额定特性的数据，同样准确判定该电池的SOH。
本发明相关于本发明人已作出的一重要发现，有关分析一电池的内部电阻以评估其状况的方式。更特定地，本发明人已发现一完全充电电池在正充电时测量的内部电阻不同于该电池完全充电时但在充电后测量的该值。此外，已发现该内部电阻的此二值之间的差表示该电池的状况(SOH)。又更特别地，已发现一完全充电电池在充电期间所测量与充电后所测量的内部电阻差异，与一新电池相比，用于一状况差的电池的差异较大。因此，本发明相关于一种利用此发现以评估一电池状况的仪器及对应方法。
附图说明
参照至附图将更了解本发明，其中：
图1，包括图1(A)及1(B)，分别显示一图表，显示随着时间经过在一电池的可用能力中的典型变化，绘示本发明的元件有效地自行学习及自行校准的方式，及在本发明的一实施例中提供的一电池″燃料计量器″显示的四个示范图示；
图2示意地显示在一示范汽车环境中根据本发明的一电池管理系统的一可能实施方式；
图3示意地显示实施本发明的方法的一示范算法用以评估一电池的状况，绘示该方法的自行学习属性；
图4以方块图显示一整合式电池监控及充电系统；
图5以一理想化坐标图说明一典型几乎新的电池随着时间经过的横跨电压及内部电导，绘示该电池正充电时及完全充电但在充电后在电压及内部电导中的变化；
图6同样是坐标图说明一电池在接近其有用寿命终点时取样的电压及内部电导；
图7以一简化流程图说明根据本发明评估一电池状况的一方法中的该等步骤；
图8是对应到图7的较详细流程图；
图9显示与图4及5相比的另一坐标图，绘示在充电及放电周期期间在电池电导及电压变化中的更多细节；
图9A显示如图9中在充电及放电周期期间电导相对于时间的坐标图，显示该积分电流流量；
图10是与图3相比的流程图，示意地显示一示范算法，用以利用该积分电流流量及一电池电导中的变化以评估该电池状况，绘示该元件的自行学习及自行校准属性；及
图11以示意图显示用于实施本发明的一仪器的一电路。
具体实施方式
本发明数个较佳实施例的以下说明基本上包括临时申请案序号60/935,017的内文，虽然已作出数个更正及澄清，但本完整发明仍主张该文件的优先权。以下将详细讨论进一步的发现及后续作出的相关改进。临时申请案序号60/935,017及与其一起提出申请的附录以引用方式并入本文中。此外，本申请人保留对本文中揭示的任何细目提出额外申请专利范围的权利，及不主张为属于本发明的最初申请项目。
独立式引擎启动电池监控器
在本发明的一概念中，提供一种监控一引擎启动电池的独立式装置及方法。一监控元件实体地固定在一电池上，及以电连接到该等电极端子上，以便该元件在该电池的剩余寿命中不断地监控该电池。意欲以移动方式连接该元件，以便在一电池寿命终点，移除该元件及连接到另一电池。
该元件包括一测试电路，在引擎启动期间用以监控该电池，及实施Huang的美国专利号6,791,464的教示，该文件以引用方式并入本文中。该测试电路结构自动地侦测每一引擎启动顺序的开始，及在每一引擎启动顺序前及期间不断地监控该电池的电压。该电路结构配置成在一够高速率取样该电压(通常在20赫与1千赫之间)，以便辨识一引擎启动顺序期间在电压中的变化，自不断监控的电压中辨识出一或多个关键性能参数，及与该测试电路的一内存中储存的一或多个参考值比较。算出一电池性能结果，以该一或多个关键性能参数与该一或多个储存参考值的函数表示。提供相关该电池性能结果的一输出。
例如，一关键性能参数是一引擎启动顺序期间测量的最低电压，此值与一参考值比较，及表示为一百分比值，表示该电池启动该引擎的能力。在直接连接到该监控元件如安装在该电池上或接近该电池的一显示器上，用数字或符号显示该输出。该输出用声音通讯，例如当用于一引擎启动的电池性能结果低于一储存临限值极限时，提供一声音警示。该输出无线地通讯到车辆座舱中的一显示元件。本发明的此等实施例立即实施在一修配厂产品中，以下将进一步讨论。一弱性能启动指标触发一待储存诊断码，用以后续通讯到一分开的诊断估计工具，如车内安装的一诊断码读取机，如所有现代汽车及其它特定车辆中所提供；通常此将需要在制造时安装本发明的监控器。
该测试电路结构在其最简化形式中包括一接线连接到该电池的一正极端子，一接线连接到该电池的一负极端子，一取样电路连接到该二接线，取样该电池的(数个)电参数，一微处理器连接到该取样电路，及一输出入元件连接到该微处理器。该等接线为多导体接线如开尔文连接或单导体接线。
此艺现有该取样电路包括模拟至数字(A/D)转换器，需将模拟数据转换成由一微处理器使用的数字数据，以执行想要的分析。此艺现有微处理器用以控制该取样电路，分析该取样电路的数据，储存数据到内存中，及通过一输出入元件传输数据。该输出入元件为一数字或模拟显示器、打印机、可携式内存，任何实体或非实体(无线)数据传送系统，或其它任何通用以观看或传达数据的元件。
如以下进一步的讨论，根据上述Huang的其它专利及申请案的教示，同一元件或一同样配置及连接的元件，包括一构件用以施加一电流到该电池，或用以施加一负载到该电池，以测量该电池或数个相关深周期电池的状况的其它方面。
具车(机)内安装感温器的启动电池监控器
现有电池容量随温度而变化，为提供合适补偿以用于此效应，在本发明的另一实施例中，该监控元件再配备有一感温器。该感温器包括在该电池表面安装的测试电路中，或位在该等接线端子，其连接该测试电路到该等电池电极端子。该感温器测量周围温度及提供温度信息到该测试电路结构。该测试电路结构产生一调整的电池性能结果，以温度与电池性能结果的函数表示。
具故障预测功能的启动电池监控器
在本发明的另一实施例中，所述监控元件配备有一内存，用以储存数值以用于超过一连续引擎启动顺序的一或多个关键性能参数。该测试电路结构比较超过一连续引擎启动顺序的数个关键性能参数，及计算该一或多个关键性能参数的一变化率。该测试电路结构判定一剩余有用寿命值，其以该等关键性能参数的变化速率与一或多个储存临限值的函数表示。计算该剩余有用寿命值以作为剩余启动数或作为剩余时间量。该剩余有用寿命值显示在连接到该监控元件的一显示器上。此一计算的示范公式如下：
一示范关键参数值(例如，在该启动顺序期间达到的最小电压)的变化率：
ΔSv＝(Svx-Svx+n)/n，其中：
Sv＝启动性能值
Svx＝用于启动x的启动性能值
Svx+n＝用于启动x+n的启动性能值
n＝介于Svx与Svx+n的启动次数
此变化率值ΔSv用以预测一未来启动性能值将需要多少次启动(″N″)以达到一储存的临限值；例如，借由如此有效地监控该启动顺序期间的电压最小值(″Svx″)，估计该电池何时将达到该电池将无法启动该引擎的点(″Svmin″)，公式如下：
N＝(Svx+n-Svmin)/ΔSv
不使用该启动次数N作为预设测量的增加，一极类似公式使用时间作为测量的增加。依此，随着时间经过算出该启动性能值，及该电池的剩余有用寿命用一未来时间量表示，而非启动次数。
在两式子中，Svx为单一引擎启动的启动性能值，或多个引擎启动值的平均。同样，Svx+n为单一引擎启动的启动性能值，或多个引擎启动值的平均。借由使用多次启动的平均以建立一启动性能值，使数个引擎启动值之间不归因于该电池性能衰退的小变化减到最小，及改进预测的准确度。
更特定地，由于在引擎温度、电池温度与引擎润滑作用中的差异，发生在启动性能值中的变化。除了随着时间经过平均数个启动性能值外，尚有一方法使启动性能值中的变化减到最小，即基于一较大组数值中记录的数个最低启动性能值而作出数个剩余有用寿命标示。此为一有用且实际可行的方法，原因是当状况有困难时，例如当电池及引擎皆是冷却状态且润滑作用不良时，一电池将几乎总会故障，如寒冷早晨的第一次启动。与当天引擎及电池因使用已暖机后如第二次启动等较容易状况相关联的启动性能值相比，与此类困难启动状况相关联的启动性能值是整体电池状况的一更重要预报器。
因此，在本发明的一实施例中，一内存储存最差的启动性能值，储存最近的启动性能值，及能将此等值两者与一参考临限值比较以判定整体电池健康。依此，该元件指出整体电池健康及电池在最近启动时的性能。两值同时在一模拟显示器上标出，提供使用者一看即知重大启动性能信息。
用以判定一电池剩余有用寿命的关键性能值包括电池电极端子电压、DC内部电阻、动态电导、动态阻抗，及随电池年龄改变及使用的其它任何参数。
独立式储存电池能力监控器
在本发明的另一概念中，提供一种监控一电池储存能量的独立式装置及方法。虽然并非如此受限，但与上述借由启动电池所经历的短期负载相比，本发明的此概念在该电池(或连接以形成一电池库的的数个电池)用于如供应大致连续负载的″深周期″用途中尤其有用。此实施例中的元件如上述实体地及以电连接到一电池，及配置成自动及不断地测量该电池的一或多个参数，由测得的参数再计算数个电池参数，及提供表示电池能力的一输出。该输出包括该电池定义如上的一或多个健康状态(SOH)、其可用能力容量Ca及其有效能力Ce的评估及通讯(经由显示或其它方式，将讨论如下)。如以下详细的讨论，此等参数通讯到一相关电池充电器，及用以控制该充电器，以便依一方式使电池充电最适化，而非其它可能方式。
该等如此测量或计算的参数包括(但不限于)如下：温度、电压、DC内部电阻，动态电导、动态阻抗及电流。借由随着时间经过常常测量或计算此等参数，例如每60秒一次，该装置评估使用者极感兴趣的性能参数，如流进流出电池的电流，该电池的充电状态及健康状态。依此，例如该容量监控器有效地作为一″燃料计量器″使用，不管是正在充电、放电或休止，在任何时间判定该电池中的可用能量。
用以测量该等电池参数的电路结构及方法较佳的是美国专利号6,704,629或7,212,006所揭示者，及最佳的是上述2007年11月20日提出美国专利申请案序号11/984,669所揭示者，用以测量一电池内部电导。用以判定该电池能力(即SOC及SOH)的电路结构实施以下说明的新颖″ABMS″电池分析方法。必要时，提供此等能力的数个元件合并上述该引擎启动电池监控器。
ABMS-具内存以用于自动学习及预测能力的电池能力监控器
根据本发明的另一概念，由数个测得参数算出一关键电池参数的一电池能力监控器配置有内存及处理电路结构，以便能自数个测得参数得出数个电池性能属性，及用以判定及预测数个关键性能参数。一此类关键电池性能参数为电池能力，其自电池的DC内部电阻的测量得出。更特定地，电池的DC内部电导(即其DC内部电阻的数学倒数)是一有用参数，其与电池能力成正比增加。除非特别说明，否则″DC内部电阻″及″DC内部电导″二词在本申请书全文中视为同等。除了以下说明用以测量该电池内部电导的较佳方法外，使用其它用以测量电池内部电阻或电导的准确方法。以下说明一汽车电池监控系统(″ABMS″)的一实施例，其提供新颖电池分析功能；虽然在本文中当作最适用于汽车应用加以说明，但当然未局限于此实施例。
更特定地，当一电池随着时间经过重复地充电及放电，DC内部电导首先随着新电池性能初始增加而增加，及接着随电池年龄而减低。当电池在任何特定周期中放电或充电时，DC内部电导有所不同。因此，为适当地指出电池的健康状态(SOH)，其表示电池老化时的整体状况，及其充电状态(SOC)，其表示电池瞬间能力(即立即可用能量)，需要区分例如较新但较放电的电池与较旧但完全充电的电池，原因是两者呈现完全相同的内部电导值。换句话说，仅测量一电池的内部电导不足以提供有关电池SOH及SOC两者的准确信息。
上述Champlin的专利(及类似意思的许多其它者)指出内部电导表示一电池的SOH，及借由测量电池的开放电路电压以实现用于不完全SOC的补偿，及使用此电压表示电池充电状态。然而，此方法仅用在该电池与所有充电或负载源头断开的情况，意即，若电池与车辆(或其它负载)断开；此在该元件上是高度不想要的限制。
根据本发明的一概念，当电池在一般服务中重复放电及再充电时，重复地判定表示其能力的一电池参数。电池在各充电/放电周期中完全充电时达到的最大值称为Ce，其有效能力。如上述，电池的瞬间能力，称为Ca，表示目前可用能量。Ce随着时间经过会随电池老化以一预期逐渐方式减少，因此Ca自完全充电值Ce的明显背离视为表示电池目前部分地放电。因此Ca是电池正瞬间储存能量的准确标示，及Ce表示在其寿命周期中的任何已知点能储存的能量，无关乎新电池时能储存的能量Cm。如上述，Ca与Ce的关系表示电池的瞬间SOC，而Ce与Cm的关系表示其SOH。借由Ce/Cm与用于SOH的一预设最小值比较，或同等地借由Ce与一默认值比较，根据本发明此概念的监控器用以提供电池达到其有用寿命终点的准确标示。
广泛地说，根据本发明此概念的ABMS操作如下。每隔一段时间评估一电池参数，通常是其DC内部电导，较佳使用上述以引用方式并入的Huang专利及申请中申请案所揭示的技术，得出Ca。Ca的数个测量在以下讨论的数个可能方式之一中储存及处理以判定Ce。将电池的整个寿命中由Ce达到的最大值当作Cm及加以储存。每隔同一时间同样算出Ce/Cm及Ca/Ce的比率，及用以提供使用者有关SOH及SOC的信息，其适当地用于预测及因此避免初发电池故障。以下讨论的图3以进一步细节提供实施此等功用的一示范算法。由本发明的监控器提供的信息用以辨识因附属设备引起的困难，如一不作用的充电系统，或在车辆操作周期中在一不适当点出现一负载，表示短路或类似情形，及用以使电池充电最适化。
所述本发明装置借由储存达到Ce最大值以作为Cm的事实，具有如下的内在优势。新电池通常提供额定地″完全充电″，因此电池能立即使用，但熟谙此艺者将明白，事实上如连接在一适当作用的汽车环境中的新电池初次使用期间将会较完全充电。因此，例如当一新电池充电到其完全状态时，其完全充电时的DC内部电导将逐渐增加。当新电池达到其真正完全充电状态时，如此记录的Cm将因此在最早的数个充电/放电周期中上升。因此根据本发明的一监控器经过一段时间(通常是超过一充电-放电周期)能″记住″电池″尺寸″，且不需以任何参考值预先定程序。因此，本发明的监控元件能弹性地用以准确监控任何尺寸的电池，及从一电池移到另一电池，不需预先定程序。
图1绘示本发明ABMS监控器的操作。在图1(A)中，由线12绘示Ca相对于时间(示范图中为36个月)的图，Ca如电池DC内部电导所判定(如所示，以姆欧(奥姆的倒数)为单位测量，其中测量电阻)的。线12具尖突的形状绘示Ca随电池经历的充电/放电周期变化的方式；四个时间示范点14a至14d由数个方框表明。周期14a至14d对应到一″电池计量器″的四个说明，如图1(B)的16a至16d所指明，以下将详加讨论。
如所示，电池的可用能力Ca在各充电/放电周期之上大幅变化。然而，如以上的讨论，当一新电池在初次使用中完全充电时，各周期达到的Ca最大值(即Ce)在最早的数个周期中增加，达到一最大容量值(称为Cm)，及然后当电池老化时则随时间而减少。划出一线以连接线12中的数个极大值；在任何已知时刻，由此线代表的值，称为电池的″有效容量″Ce，与其测得的值Ca相比较。如所示，测得的值Ca接近Ce的程度-通常如所示由Ca/Ce的比率表示-是表示电池的充电状态(SOC)，及因此表示剩余的相关能量。Ce接近在电池寿命中达到的最大值Cm的程度，通常如所示由Ce/Cm的比率表示，是表示电池的SOH。SOC及SOH两者在单一″燃料计量器″型显示器上清楚显示给使用者，如在图1(B)的16a至16d所举例说明。
更特定地，单一燃料计量器借由提供具三部分的柱形图以显示SOC及SOH，该三部分通常是不同颜色以求清晰。如图1(A)的图所示，显示Ca随着时间的变化，SOC是借由比较Ca与Ce来判定；SOH是由Ce与Cm及与一Ceol默认值的比较来判定，考虑电池在寿命终点的Ce。在图1(A)所示范例中，Ceol设定成0.6Cm。在图1(B)的16a至16d所示示范实施例中，由燃料计量器的左边部分绘示目前SOC，由左边及中央部分的总合代表SOH，而右边部分代表电池能力随着时间失去的量(在图1(A)中称为″损失的BL″)。假定想要燃料计量器在电池寿命终点读为″空″，则控制燃料计量器，以便如所示，当Ce＝Ceol＝0.6Cm时右边部分填满计量器。如图1(A)的四个阴影区域所示，Ce在Ceol与Cm之间的相关位置判定电池寿命周期在不同阶段损失的电池寿命程度。
因此，如在图1(B)的16a所示，其中Ce＝Cm，但电池相对地放电，燃料计量器的左边部分显示SOC约为50％，但SOH是100％；因损失的BL＝0％，燃料计量器中无右边部分。当电池老化时，右边部分增加。在16b，采用在Ca＝Ce的一点，意即电池完全充电，除了右边部分占用的部分代表在该点损失的BL程度外，指明SOC的左边部分占用所有燃料计量器。同样地，在16c中，SOC显示为大幅地小于SOH，指明电池大幅地放电。然而，右边部分仍较小，指明SOH是高的，及电池全面在良好状况中。最后，在16d中，计量器的右边部分占用其大部分面积，指明SOH是低的，意即已损失大部分电池寿命。
图1(A)显示一″放电警示临限″值预设为Cm的一部分，稍高于一目标最大放电深度(DoD)值(低于该值会损坏电池)，Ca与该放电值比较；此比较用以提供使用者电池成为大幅放电的警示，以便要求校正动作。
应了解为如上述操作，准确判定电池的有效能力是重要的，但此并非易事。首先，即使在电池完全充电时，如此测量的内部电导值通常将在一小范围中变化。因此，仅判定Ca的变化率由正(充电期间)转到负(放电期间)的折曲点，未必得到合适的准确结果。为减少此″分散″的统计分析令此方法能足以用于有效用途。另一可能性是测量横跨电池的电压，以时间函数表示，及当电压在一预设时间周期(大约1小时)中未变化超过一默认值(大约0.1v)时，采用Ca当作Ce。当在充电期间得到此等状况时，认为电池完全充电，以便使Ce等于Ca。
以上用较一般用词讨论ABMS技术，当电池随着多次充电-放电周期老化时，自然会失去能力。除了储存最大能力值(即新电池的能力值)外，当电池能力随着时间变化时，根据本发明的监控器尚可储存与电池完全充电相关联的最大能力值。此值称为电池的有效能力。是新电池时，有效能力值类似于最大能力值。然而，经过多个充电/放电周期及经过时间，有效能力值将随着电池自然老化而减低，及经过硫酸盐化、腐蚀或其它电池衰退过程，慢慢失去储存能量的能力。根据本发明的监控器比较一最近充电周期后判定的有效能力值与储存的最大能力值。此比较用以判定电池自从是新电池以来已损失的能力数量。此比较用百分比表示及指明电池在其寿命周期的何处。此比较相关电池寿命或健康状态。电池寿命周期值的变化率用以了解电池达到寿命终点将花费多久时间，及仍有多少有用寿命。
例如：
ΔCe＝(Cex-Cex+t)/t
其中：
ΔCe＝有效能力的变化率
Cex＝在时间x判定的有效能力值
Cex+t＝在时间x+t判定的有效能力值
t＝介于Cex的测量与Cex+t的测量之间的时间
在判定Ce的任一对时间点之间的变化率ΔCe意味着计算图1(A)中平滑地连接此等点所示该线的一线段的斜率。假定此线斜率将仅极逐步地改变，因此判定该线将分段地完全适用于所述目的，主要是判定何时Ce＝Ceol。意即，变化率值ΔCe用以预测有效能力值Ce将还有多久即到达一储存临限值Ceol，其用一最大或″如新″能力值(Cm)的百分比表示。
例如：
T＝(Cex+t-Ceol)/Δce
T＝到达寿命终点的时间
Ceol＝在电池寿命终点的能力
Ceol由电池的原Ah值的函数表示，意即，该值指定用于是新电池时的容量，或如上述以一判定值Cm的一部分表示。例如，Ceol定义成等于约0.6Cm；因此，当本发明的监控器判定有效电池能力Ce已下降到所储存最大能力值Cm的60％时，建议驾驶员更换该电池。电池的有效能力变化率如上述判定为一时间函数，或是充电/放电周期总次数的函数。因此，该结果用一计划的周期寿命表示，即在电池到达该临限值以前的计划周期数。
在此等式子中，Cex是单一能力测试的有效能力值，或是在多个充电/放电周期中多个测试的平均。同样地，Cex+t是单一有效能力值，或多个有效能力值的平均。借由使用许多有效能力值的数个平均以建立有效能力的变化率，将不归因于电池性能正常衰退的有效能力中的小变化减到最小，及改进到达寿命终点的预测准确度。
上述装置及方法几乎连接到任何尺寸的电池，及借由常常应用一前摄式测试，在一段时间后学习电池的尺寸属性，及在任何时间同时指出充电程度或SOC及其健康状态SOH，其表示计划的电池寿命。此一装置用以监控许多不同应用中所使用电池的充电程度及电池寿命。重要的是，电池在使用时施加此测试技术，提供使用先前测试方法无法提供的实时信息。
图2更详细显示在一汽车环境中ABMS的一可能实施。由一″测试层″实行与电池的互动，其中执行测试，较佳根据Huang的专利案及申请案(本文中称为″LPR″或″DLPR″测试)，结果是电池测试数据，包括内部电阻(或电导，如所述，此等值在数学上互为倒数)。此等数据接着传送到一″应用层″，其中如上述执行电池数据分析。如所述，此分析的结果包括电池能力Ca，Ce及Cm的数个相关测量的判定；由此等结果判定SOC及SOH。判定电池的平均放电深度，其相关走调负载的控制；能立即追踪放电周期数，及如上述借由比较Ca与各种临限值以提供各种警示。最后，来自该应用层的结果传送到一I/O Coms(即数个通讯)层，其中该判定数据用在各种功用性能中。例如，有关电池SOH的数据传送到车辆的车内安装诊断(OBD)系统，及在适当时间用以提供一″更换电池″信号。如在″外部通讯(External Com.)″所示，必要时此等数据传送到一远程接收器；例如，在一车队场合中，将SOC及SOH数据传送到一中央维修地点，以便许可前摄式电池(或交流发电机)服务，借此避免电池故障及代价大的停工期。熟谙此艺者将明白使用本发明提供的新颖信息所提供的其它概念及优点。
如本文所述，由一″ABMS模块″执行数据分析，通常是实施上述计算及控制方法的一微处理器驱动的元件，或借由该车辆的″中央处理器/ECU(电子控制单元)″。在任一情形中，本发明在本文中揭示的实施方式在此艺内堪称完善。
图3示意显示一示范算法以用于此类分析，特定地用以依一规律基础判定Ca，比较Ca与Ce，判定Cm，及使用此等值以提供预期电池寿命及瞬间充电程度的一标示，意即有效实施图1(B)的″燃料计量器″。因此，在一开始步骤40中，指定一值x用于一寿命终点因子feol，及一值y用于一放电深度因子dd。此等值分别控制电池在其有用寿命终点命定在的点，及电池无永久性损坏放电的最大深度。如在上述范例中，用于feol的一典型值会是0.6，及用于dd的值是0.5。
在次一步骤42中，用于最大能力Cm、有效能力Ce、可用能力Ca的值，及一值n皆初始化为零，及控制该测量频率的一参数T初始设定成60秒。
在次一步骤44中，较佳根据上述Huang的专利案及申请案执行测试，得到数个瞬间值以用于电池的电导C及电压V。
在次一步骤46中，该等瞬间值C及V与相关最近执行类似测量所储存的相比值比较。如次一步骤48所示，此比较许可充电或放电速率的判定，其具有数个含意。若电池正极缓慢放电，则认为此判定指明未使用电池，如若在车辆中，车辆已停放。在此等环境下并不想太常执行测试，原因是测试本身会自电池吸出一些能量，若太常执行测试会令电池成为完全放电。若电池正在快速充电或放电，则标示正按次序执行较频繁监控。因此，在步骤50照此调整T。
在步骤52，相关电池是否充电作出判定。依数个方式中的任一者完成此判定，例如比较可用能力Ca与有效能力Ce；若Ca例如在Ce的2％之内，则认为电池是完全充电。或者，若变化率如步骤48中所判定为小于一默认值，则认为电池是完全充电。若借此判定电池是充电，则在步骤54，Ce设定成等于Ca，在步骤54，记录充电/放电周期数的一计数借由n的值加1而增加；因此记录充电/放电周期数在预测电池寿命为有用。为避免充电周期的过度频繁开始，实施电池充电的判定，以便仅在电池放电到一预设位准时才执行充电。在步骤55，若最大能力Cm小于Ce，则Cm设定成等于Ce(如上述，通常是发生在新电池开始使用时成为完全充电时)；依此，本发明的监控器随着时间经过″学会″电池的最大能力Cm。
在步骤56，代表容许下降不损及电池能力的最小值Cd设定成等于fdd*Cm，借此使Cd与电池的最大能力相关。Ceol同样地设定成feol*Cm，容许基于Cm预测电池的寿命终点。在步骤58，比较Ce，Cm及Ceol以判定SOH，如Ce/Cm，及用以估计剩余的电池寿命，如Ceol/Ce。在步骤60，Ca/Ce用以判定SOC，及Ca与Cd比较以确保未处于成为不适当深度放电的危险中。
在步骤62，此等步骤的结果在任何各样方式中通讯及使用。该等结果通讯给一使用者(如借由所述燃料计量器，或借由在实施一仪器面板的一计算机屏幕上显示用于SOC及SOH的数值)，提供到一车辆状态监控电路(例如用以令一充电周期开始，或用以指出极需维修)，或传送到一远程监控地点(例如在车队场合中，提供一状态指示到一维修监督计算机以安排服务)。最后，在步骤64，时间T到期后，再开始该过程。
整合式电池监控与充电控制
根据本发明的ABMS监控器提供准确实时SOC及SOH的事实，根据本发明的再一概念用以提供改良的充电控制，其预期得到改进的电池寿命及大幅经济利益。目前在深周期电池充电的典型实行方式中，即使是所谓″智能型″电池充电器，仅监控横跨其电极端子的电压，及使用此电压以控制充电速率，因此当电池由此简陋标准显示接近完全充电时，充电速率减低。明显地，若一合适程序化充电器具备有准确的SOC及SOH数据，则提供更为复杂的控制。假定已知充电过度或充电不足的电池会减低其有用寿命，自然看出期待负责此等重大电池参数准确测量的充电控制，以得到较长的电池寿命。
更特定地，根据本发明的实行方式，电池充电并非是内在最适化，原因是充电器仅″知道″一般电池类型(如传统的″湿电池″、吸收式玻璃垫(″AGM″)，或阀控铅酸(″VRLA″)电池，或凝胶型电池)，此信息一般是由使用者在安装充电器时提供。(即使根据本发明，如现在所想象，使用者将仍需如此做。)然而，今日的电池充电器(即使是目前可用的″智能型″或″三阶段″充电器)未具备有相关电池容量或电池多快吸收及传送能量的信息。若充电器能基于电池尺寸调整其输出(电流及电压)，则充电速率在适当时间增加，同时避免过度充电。因此，充电会较快较安全。
若具有充电速率控制的电池充电器具备有本发明ABMS电池监控器来的输入，以便充电器会″学习″电池的有效容量(Ce)(及最大容量Cm)，则充电器接着将输出(电流及电压)定比例以匹配电池的尺寸及充电状态。例如，能以一最大值10安培传送电流的一充电器在3安培操作，以最适地及安全地将一小电池充电。此外，相较于有效容量Ce，有关电池SOC的信息用以管理充电器的状态转变。更特定地，典型″智能型″充电器具有一″大量充电″阶段(定电流)，一″吸收充电″阶段(定电压)，及一″浮动充电″阶段(较低定电压)，分别借由监控电压及电流以管理该等转变，然而，用以管理第二转变的电流临限值仅适用于一特定尺寸的电池。借由使用ABMS技术，充电器将能侦测该尺寸，及设定该转变更适合该电池尺寸。
当电池老化时将提供另一有利点。如上述，ABMS技术侦测一电池正损失的有效容量及在某些临限值，或其它触发器控制该充电器以开始一去硫化过程或一等效过程。(目前此等步骤由使用者手动开始及控制；无疑地许多使用者未在最适时间如此做。)现今仅有电压及电流作为输入参数的电池充电器，并无有关电池能力或电池改变方式的信息，及因此无法自动地管理此过程。
此外，ABMS技术做的不仅是控制充电速率。若整合该技术，如通常在一充电器/反向器应用中所做，则基于实际充电程度通知充电器何时开关，而非基于电压，其常因连接的负载而有所不同。例如，使用ABMS技术将能控制一发电机，以便在电池实际放电时启动它，而非仅对一低电压侦测作出响应，低电压发生在完全充电电池正供应一突然大负载时。
图4以示意方块图说明一典型系统，其中一深周期电池(或分离式电池库)用以供应一或多个负载，合并有根据本发明此概念的一电池监控及控制系统。以粗线说明电力分布的路线，及以细线说明信号测量及控制线。以20表示电池。横跨电池电极端子22，24连接的是一充电程度及电池寿命传感器区段26，一充电器区段28，及一负载管理区段30。负载管理区段供应电力到各种负载32a，32b，...32n。充电程度及电池寿命传感器区段26监控电池。较佳使用上述Huang的专利案及申请案中揭示的技术，充电程度及电池寿命传感器区段26依一规律基础判定电池20的内部电导，及实施上述ABMS技术，以使用此信息自此等SOH及SOC判定出该等关键参数，如Cm，Ce及Ca以用于电池20。
由充电程度及电池寿命传感器区段26借此判定的该等电池参数通讯至充电器区段28及用以控制该充电器区段的操作。充电器区段28包括数个充电源，例如，在一船舶上，充电自推进引擎上的一交流发电机得到，自一分开的引擎/发电机″genset″单元得到，由海岸供电的电池充电器、太阳能板、绕组驱动发电机等得到。依电池需求及船舶操作条件(例如，是否系在码头上及连接到海岸电力，在其推进引擎下发动，或下锚)而定，启动不同充电源。例如，在船舶下锚过夜，自电池20吸出电力以经由负载管理区段30供应各种负载32a，32b，...32n的情形中，充电器区段28包括控制电路结构，用以启动一genset以响应侦测到电池SOC正下降到接近一默认值。
如所示，提供一控制线直接从充电程度及电池寿命区段26到负载管理区段30；此用以控制一或多个负载32a，32b，...32n的失能，如在电池SOC低于一临限值及经由充电器区段28中的一些瑕疵未重新供应的事件中，用以防止会造成电池20永久性损坏的过度深放电。
因此想象由充电程度及电池寿命区段26提供代表电池SOC及SOH的信息，用在一复合式DC电力分布及电池充电系统控制的所有方面。
假定实施本发明此概念的上述揭示及Huang的专利案及申请案中的信息包括在此艺技术中。
具自动取样速率定比例的能力监控器
在本发明的另一概念中，上述ABMS监控器自动调整测量该等电池参数的取样速率。依一致周期性基础(例如每60秒一次)操作一测试电路及主动测试以用于数个电池参数，在一段长时间后消耗大量电力。用于一些电池应用，例如在汽车用途中，电池监控电路等辅助电路的效率极为重要，为了该监控电路随着时间经过并非自己耗费车辆电池而已，因此必须谨慎地管理其耗电。
为减少如Huang的专利案及申请案中揭示的电池监控电路及本文所述ABMS监控器的耗电，由本发明监控器包括的一微处理器比较一组计算的关键性能参数与一不同时间取样的另一组，及判定该等关键性能参数是否正快速或缓慢地改变。若变化是快的，则指明该电池当该车辆使用时正经历重复的充电/放电周期，则该微处理器将增加取样速率，例如，每10秒一次或每秒一次执行该测试，图3的步骤48及50举例说明此情形。若变化是缓慢的，指明未使用该电池，则该微处理器将减低取样速率，或许每小时一次或每周一次。依此，该监控电路调整其性能以使结果准确度最适化，同时使耗电减至最小。
在此一电池监控器的一较佳实施例中，测得的参数仅是电压；在另一实施例中，测得的参数是DC内部电导。该微处理器考虑用以建立测试频率的参数为此等参数或其它任何如动态电导或动态电阻等参数的组合。或者，由来自一外部来源的一输入设定测试频率，如来自一有线或无线连接网络(例如一LIN、CANBUS或IP网络)的一命令等。
在一较佳实施例中，测试电路结构实体地连接到车辆的电池接线挽具，以便该电池传感器的电连接嵌在该等电池电极端的钳内。此方法的有利点在于，依此利用本发明的传感器，未产生任何必须由车辆组装工厂或售后服务技术人员管理的额外及分开的连接。
如上述当该电池传感器元件用在汽车应用中时，该传感器装置的自行学习属性极有用。不仅如此，若提供一些最小临限值，则该元件提供额外的有利点。此等额外最小临限值包括一值如一最小DC内部电导值，以便在工厂或刚安装电池后将极快速辨识有瑕疵的电池或不适合该应用的电池尺寸。假设本发明的监控元件在交车时作为该车辆的一部分来提供，此类最小临限值由该车辆的车内安装计算机系统提供，或永久性储存在该传感器装置内存中。若本发明的监控元件作为一修配厂配件来提供，则用熟谙此艺者已知的任一各种方式，由使用者在安装时输入一额定值以用于该电池的能力。
储存在本发明监控元件内存中的其它属性是电池充电/放电周期数及放电深度，以及其它任何自该等测量参数的一或一组合来判定的电池属性。
任何上述实施例配合传统电池传感器技术如电流传感器使用，其使用此艺熟知的分流或霍尔效应线圈实施。借由结合来自上述实施例的相关充电信息与来自一电流传感器的电流流量信息，本发明的监控元件用以建立极精准″到达空的时间″及″到达满的时间″信息，其对使用者会有价值。
本文所述实施例一般参照至具有内存及能处理原始数据(电压、温度、时间)的计算电路结构的积体监控元件，以判定(数个)中间参数(DC内部电阻)，及接着比较此参数与储存的数据以判定总结信息、对使用者有直接价值的参数(电池能力、充电程度、寿命周期状态、到达满的时间或到达空的时间)。本发明的范围包括提供该等传感器与一外部信息系统之间的有效通讯，以便原始数据(电压、温度、时间)或(数个)中间参数(DC内部电阻，或总结信息)自该传感器装置传送到一远程信息系统，如一车辆中央计算机，或远离该传感器装置的其它处理单元。在后者实施例中，该远程系统的一部分包括储存临限值及历史数值的内存，及执行计算及实施原始电池数据转换成充电程度、电池寿命、健康状态等总结信息的微处理器。例如，在一汽车中，该电池传感器传送总结信息到车辆信息系统，及车辆信息系统将原始数据处理成适当总结信息。
在任一情形中，表示电池性能及能力的总结信息用以控制重要的车辆系统。例如，若车辆电池在关闭引擎时用以供应配件负载(立体音响、空调)通常会成为放电，能阻止引擎重新启动。根据本发明，该监控电路结构与车辆的启动电路结构整合以重新启动主要引擎(或一辅助发电机，若有设置)，以便在充电程度到达一预设临限值用以使该电池重新充电，或在该电池充电程度成为太低时用以关闭特定电池负载。同样地，若电池健康状态或电池寿命减到一预设临限值，则在车辆诊断系统中设定一旗标以通知该驾驶员或一服务技术人员。
电池监控数据的远距显示
为解决先前提到一电池的位置与使用电池信息的使用者或系统的位置比较造成不便的问题，提供具有周期性或不断传送数据到一远程显示器或信息系统的监控元件是有用的。任何上述实施例输出测量及计算的信息到一分开的显示元件或信息系统，其远离该监控系统的测试电路结构。任何模拟或数字通讯技术用以传送信息到一远程显示器或系统。此类现有通讯技术使用有线或非有线连接来实施；后者包括无线通讯、红外线或其它技术。通讯协议包括任何现有或稍晚研发的单向或双向模拟、数字、串联或封包式通讯协议，包括(但不限于)RS232、IP、TCP/IP、GPRS、USB、CAN、SNMP、LIN、WiFi、Zigbe及其它协议。该远程显示器或信息系统使用该通讯系统以传送一信息请求或命令给该电池监控元件的测试电路结构，或用以设定或重新设定该监控元件中的一储存参考值或临限值。
信息远距显示及特定电池监控网络
本发明的另一实施例解决具有超过一电池的应用的需求；例如船舶、休旅车或军用车辆通常将具有一启动引擎电池及一或多个深周期电池库。为提供完整的监控能力，系统中的各电池(或分开连接的电池库)与上述适当类型的一适当电池监控元件配合。各监控元件监控上述对应电池，及使用一单向或双向通讯链接将电池测试数据通讯到一或多个远程显示器或信息系统。该等监控元件与该系统的数个显示器一起定义一单一特定电池监控网络。该一或多个监控元件及一网络的一或多个显示器配置成，仅仅与其特定网络中的数个监控元件及远程显示器共享信息，以便许多特定电池监控网络接近地操作，不会共享其间的数据或互相干扰。在一特定电池监控网络中，各个远程显示器或信息系统由使用者操作以自该等监控元件的任一者撷取数据。此一系统例如用于船舶、休旅车或军用车辆应用中，其中各用于不用应用的多个电池全部各由一专属监控元件个别地监控，及作为结果的数据及来自许多电池各个的重大电池信息显示在单一显示器上，或显示在位置方便驾驶员的使用者接口上。
弹性、可延伸、特定电池监控网络
本发明的另一实施例包括一特定电池监控网络，包括有一或多个电池监控元件及一或多个远程显示器，配置成便于数个监控元件及显示器弹性地加入或自该特定电池监控网络移除，借此产生一可延伸的特定电池监控系统。一可延伸网络是有用的，其中单一系统中有多个电池，或多个系统各具有单一电池，借此数个电池或数个系统依一权宜基础加入服务或自服务中移除。数个范例包括仓库中使用的一队堆高机，或具有多个电池库的一船舶。在两情况中，该网络中加入或移除多个电池，及重新定出该监控系统的程序以适应该改变。
固定式特定电池监控网络
本发明的另一实施例是一特定电池监控网络，包括安装在一或多个机动车辆上的数个监控元件，如仓库设施中操作的材料管理设备，或安装在一队送货或服务卡车上。该等监控元件各个将数据如电池状况通讯到远离该等车辆的一中央信息系统。该信息系统通常是一静止系统，用以收集来自该等监控元件的连续或间歇数据，因此一车队监督员用以判定何时个别车辆电池需要更换。在一些环境中，该电池监控元件大致不断地与该远程信息系统通讯；例如，在一仓库中，具有电池监控元件的所有车辆不断地传送数据到该固定位置接收站。或者，该等电池监控元件将监控数据累积及储存在自己的内存中，及周期性地将所有或一部分数据通讯给该信息系统；例如，当具有一监控元件的机动车辆在工作天结束回到其基地时，用以查询该监控元件及令其下载该工作天储存的数据。此一应用的一范例是各具有数个电池监控系统的一队货车，当回到他们的仓库及进入与该固定位置信息系统通讯的范围时，将无线地通讯其数据。而且，此一系统在辨识需要更换电池时将极为有用，借此避免因车辆损坏而损失时间。
在另一替代例中，来自车辆内安装的监控器的数据借由因特网或其它现有技术通讯到一远程位置，以便在该等车辆的特定位置外实施服务决策。
电池状况及其它车辆数据的传输
上述电池监控系统的再一较佳实施例中，一车辆中安装的电池监控元件提供的数据与该车辆的其它相关诊断信息合并及一起传送。例如，基本上所有车辆现在均设置有车内安装的诊断(OBD)能力，借此储存来自该车辆管理系统的诊断码。一服务技术人员接着借由经由一OBD端口存取该系统，用以下载该车辆的操作状态。根据本发明的此概念，使上述电池监控元件能储存该OBD及电池状况信息，及传送该信息到一想望的远程位置(如该装置在该固定位置信息系统的范围内时)。借此立即传送稍早所述电池性能信息，及传送车内安装的诊断系统提供的任何诊断码。
依此，一车队的维修经理可(事先规划)积极自动地获知重要的电池状况及车辆诊断信息。假定若及时提出重要信息便常可避开即将发生的故障，此代表车辆维修的真正进展。更特定地，根据本发明的此概念提供给车队维修经理及类似人事的信息是有帮助的，原因是常未前摄地检查该等车辆以用于诊断码或电池问题。为帮助大规模作业的经理们，自该等车辆撷取该信息的固定位置信息系统连接到因特网，及借此每次车辆进入该固定位置信息系统的通讯范围，即用来自一大车队的每一车辆的重要诊断信息来更新一远程计算机数据库。该数据库配置成维护车辆诊断信息历史，及配置成提供周期性报告及前摄的重大警告给维修经理，帮助经理们将珍贵资源集中在非发生重大故障时才发现的问题上。
本完整发明提供的额外揭露
如上述，此完整申请案主张2007年7月23日提出申请的临时申请案序号60/935,017的优先权，以下参照至数个后续发现及进一步研发。
如上述，一电路元件的电导C是其电阻R在数学上的倒数，即C＝1/R；电阻测量单位是奥姆，而电导是姆欧。为各种原因，用以执行涉及根据本发明的一电池评估的计算，及相关本文讨论本发明较佳实施例的情形，使用以姆欧计的电导值比使用以奥姆计的电阻值更方便。更特定地，一电池(如汽车内安装者)的内部电阻IR以奥姆表示。然而，电池的内部电阻IR极小。因此，为更清楚解释本发明，在附图及以下讨论中使用内部电阻的倒数(即1/IR)，以姆欧表示。然而，除非特别说明，否则电阻视为同等于电导。
更特别地，在根据图1操作的ABMS的上述讨论中，利用数个有关电池″能力″的值，即电池的最大能力Cm，电池的有效能力Ce，及目前能力Ca；SOC表示成同等于Ca/Ce，及SOH由Ce/Cm表示。电池的电导直接表示其能力；电导的值越高，储存的能量越多。上述ABMS系统的自行学习能力极有用，但为使记录的Cm值将真正表示电池在其寿命中的最大能力，唯若监控器连接到新电池，提供的SOH值将是准确的。然而，最近已发现一完全充电电池的电导某种程度上依是否在测量时进行充电而有所不同，此外其间的差异表示其SOH。因此，根据本发明此概念的一装置连接到不知年龄或额定容量的一电池及用以预测其SOH。此外，根据再一最近研发，假定已知电池已完全充电，用以后续地监控进出电池的电荷流量及随着时间经过用以追踪SOC。
图5与6的比较说明该发现，其由本发明的方法及仪器利用以评估一电池的状况。图5及6各以实线绘出横跨一电池测量的电压，图的右侧是单位。(请注意，为求简明，此等图是测量数据的″干净″绘图。)由虚线显示内部电导，图的左侧是姆欧计的单位。两图代表大约90分钟的一段时间所作的测量，每一分钟测量一次。图5绘示的测量是用于已使用两个月近乎新的一电池，而图6显示比较的测量，是用于具有类似额定特性的一较旧电池，特指已使用二十个月的一电池。以下将详细讨论的图9是一用以比较的图，显示有关本发明额外概念的进一步细节。
图5及6以坐标图显示一完全充电电池的横跨电压及电导，在电池正充电时及充电前后所测量。在图5中，在充电期间的电压Vg1大约是14.4，其发生时机从第29分钟到第51分钟，及在充电前后的电压Vg2皆大约是12.75。在图6中，在充电期间的电压Vg3大约是14，从第25分钟到第61分钟，而在充电前后的电压Vg4大约是12.6。如两图所示，电池的电导在充电期间增加；意即Cc(在此使用此变量名称以参照至完全充电电池在充电期间测量的电导)大于Cn(对应地参照至电池在完全充电时但在充电后测量的电导)。然而，如图5与6的比较立即明白，与相关图5的较新电池相比，相关于图6的不良状况电池在Cc与Cn之间的差异更明显。本发明人显然已发现此事实，本发明使用此发现以提供一种用以评估一电池状况的方法及仪器。
更特定地，如以下更完整的讨论，此发现结合以上根据图1及3的讨论操作的一电池评估元件的″自行学习″能力，以提供远超过先前技艺的电池评估能力。较佳地，利用完全充电电池在充电后的电导Cn作为能力值Ce，用以根据图1及3技术以判定SOH。
将由图6见到较旧电池的电导在充电后有点大于先前。如所述，先前技艺教示一电池内部电阻(或电导)的测量用以评估其状况，及此图显示此教示在评估电池充电状态SOC时能有效。图9及图9A更详细解决电导测量在SOC评估中的使用。然而，熟谙此艺者应了解充电前后在电导中的差异较细微及能容易由温度变化等其它效应掩盖。借由比较，Cc与Cn之间的差异十分明显及其本身有助于SOH评估技术。
因此，除了根据图1及3评估电池的状况外，该评估需要随着时间经过追踪电池状况中的变化，根据本发明的发现，借由Cn除以Cc得到一百分比值SOHactual，用以评估一完全充电电池的SOH。必要时，SOHactual与代表一新充电状况的一对应值SOHnominal比较，用以指明该电池的实际状况。因此，若判定该电池在其有效能力Ce已下降到其最大能力Cm的0.6时，将视为已达其有用寿命终点，则建立一寿命终点值Ceol＝0.6Cm。若SOHactual接着等于或小于0.6SOHnominal，则提供一标示指明应更换该电池。若SOHactual以百分比表示作为替代，则因此用于一新电池的SOH＝100％及在其有用寿命终点的电池的SOH＝0％，则用(Cn-0.6Cc)/(Cc-0.6Cc)算出SOH。
在图5的范例中，在充电期间曲线Cc具有大约181姆欧的一平均值，及充电后曲线Cn具有大约170姆欧的一平均值。Cn/Cc代表由本发明方法得出的测试电池的实际状况，是0.944；以百分比表示为94.4％。已知此电池较新，此值视为SOHnominal，用于未知状况的电池的对应值与此值比较。
在图6中，在充电期间曲线Cc具有大约182姆欧的一平均值，及充电后曲线Cn具有大约130姆欧的一平均值。Cn/Cc代表该根据本发明状况的测试电池的实际状况，因此是0.714，或以百分比表示，SOHactual为71.4％。此与对应值SOHnominal比较以判定该电池是否能使用；将采用该范例中测量的值以指明该电池仅是勉勉强强有用。通常，若测得的内部电阻Cn小于Cc的60％，将提供一信号以指明应以一新电池更换掉一用过电池；决定该百分比的准确值是依待测量电池的类型而定。
由图5与6的比较将进一步了解，用于一新充电及使用良好的电池，Cc基本上完全相等。此事实在本发明的应用中极为重要，因意味着能在一电池寿命期间的任何时间测量Cc，简单地借由电池充电及测量其电导，及与充电后测量的电导Cn比较，用以判定该电池的相关状况。因此，不需要输入一值以用于一新电池的Cc，不用输入一值以用于SOHnominal。此外，此事实尚意味着本发明用以判定电池SOH的技术能在任何时间应用到任何完全充电的电池，不用提供更多信息。
图7显示本发明方法中响应上述发现的数个主要步骤，用以评估一电池状况，意即健康状态(或SOH)。在步骤81中，其如上述式选步骤，选定一默认值(即SOHnominal)以代表一新电池的状况。在步骤82中，当继续充电时测量一完全充电电池的电导，及以姆欧计表示为Cc。在步骤83中，在完成充电后测量该电池的电导，及以姆欧计表示为Cn。在电池84中，Cn除以Cc得出SOHactual用以表示该电池的实际状况。若在步骤81中提供用于SOHnominal的一值，则在步骤85中将SOHactual与该值比较。在步骤86中，若电池故障迫近则发出一警示。
图8显示相关图7方法的一较详细流程图。在对应图3步骤81的步骤93中，选择性地设定对应至一新电池SOH的一值SOHnominal。在步骤94中，使用一充电元件将该电池充电，当电池完全充电时(如以下讨论所判定)，测量该电池的电导C，以姆欧表示，及储存在内存中。为改进该值的准确度，较佳执行该测量复数次K及采用一平均且储存为Cc。在步骤95中，停止充电，及测量该电池的电导，以姆欧表示，及储存在内存中；而且较佳储存一平均值作为Cn。在步骤96中，Cn与Cc相比以得到一百分比值SOHactual，其表示该电池的实际状况。若提供一值用于SOHnominal，则该值在步骤97中与SOHactual比较。在步骤98中，基于该比较作出该电池是否能使用的判定，或仅对SOHactual作出回应。若该电池不能使用，则指示一I/O装置(例如一警示光)发出一警示。请注意，在汽车场合中，在引擎运转时基本上继续充电的情况中，当引擎运转时将重复地测量Cc，及关掉引擎时测量Cn。如以下配合图9的讨论，通常较佳在充电停止后数分钟再测量Cn，以容许导致错误读数的″表面电荷″消散。若接着判定SOH已下降到表示电池初发故障的一点，则提供一对应警示信号。
图9以图显示当一电池首次经由一重负载放电，接着充电，及接着静止时，在横跨该电池的电压中的变化及经过一段大约400分钟时间的电导。如在图5及6中，由一虚线显示电导C，以图左侧上标示的姆欧单位表示，及由一较粗线显示电池电压V，以图右侧上标示的姆欧单位表示。而且，该绘图是实际数据的一″干净″版本。
在第1分钟至第106分钟，该电池先借由连接到一重负载而放电。如所见，当电池成为放电时，电压V及电导C两者皆快速下降。在第106分钟，移除该负载及连接一充电器。如图中在A所标示，当初始连接充电器时，V快速从10伏上升到13.2伏，及接着经过一段大约二小时的时间再缓慢地上升到近乎14.5伏的一最后值。当第一次连接该充电器时，电导C初始地快速上升，但之后以一非线性方式上升，最终到达大约210姆欧的一稳定值Cc。当C达到一较稳定值，如当一连串测量中的变化小于一专特值L时，该电池视为完全充电。如图9所示，在该传导信号中有一些噪声，会需要较复杂的信号处理技术以得到用于C的该等最佳可能值。
在大约第295分钟，点B，中断该充电器，但未连接任何负载。当金属板上的″表面电荷″消散及电池借此达到平衡时，经过数十分钟后，电压V逐渐下降到一最后值。传导性C同样逐渐下降，最后到达一值Cn，其准确表示该电池中储存的能量。此值Cn与Cc比较以评估电池的SOH，及应利用以作为图3方法中的目前能力Ce，如应用相关图1(A)解释的分析及造成图1(B)燃料计量器显示。此外，借由储存电池在充电后达平衡后测量的Cn与稍后测量的C比较，也能判定电池的SOC。
如以上的讨论，相关图1及3说明的ABMS技术在自动储存及更新一最大能力值Cm的方面是″自行学习″，借此本发明的监控器″学习″相关电池的最大能力；与进行中的电压及电导测量结合，此Cm值大体上在任何状况中容许判定SOH以用于任何电池，及然后容许准确地预测电池的剩余有用寿命。也能规律地测量Ca，及与Ce比较，以得到用于SOC的一值。此外，借由在电池已充电后测量Cn，该元件″自行校准″。本发明的自行学习及校准属性克服先前技艺的重大缺点，原因是根据本发明制成的监控器在广泛使用条件中安装在各式各样的电池尺寸、类型及年龄上，及极快速″学会″该电池的关键属性及开始报告有用的SOC及SOH信息。
由图9看出，当电池正放电时(第1至106分钟)，传导曲线C较成直线，因此一SOC计算，比较C与一先前建立值以用于Cn，将得到一较准确值以用于SOC；借由比较，在重新充电期间(例如第106至209分钟)执行的一类似计算，由于在C中的变化较非线性，将不如此准确。
在必须极准确知道SOC的情形中，如在上述起止式车辆中，一传统″分流″或″VIT″感测电路与根据本发明提供的资料结合，以连续不断地提供高度准确的SOC信息。如上述，先前技艺VIT传感器产生高度准确电流流量信息，但遭遇的困难是，不知道其它有关该电池重要独特信息，随着时间经过难以使该信息与电池SOC相关联。借由结合上述实施例的自行学习及自行校准属性与来自一简单分流的电流流量信息，其测量进出该电池的电流，提供具有较高SOC准确度的一电池感测元件。此外，结合放电期间的实时内部电路测量与同一放电期间的实际电流积分，能判定该电池的总绝对容量。
图9A重复图9中的同一曲线C，省略曲线V以求简明，及加入一充电/放电的实曲线，指明进出该电池的电荷积分流量。借由一分流、霍尔效应传感器、电感线圈或此艺熟知的其它方式测量电荷流量，及在系统微处理器控制单元(MCU)中实行该积分运算(以下配合图11加以讨论)。因此，用于该电池不时完全充电时所建立的SOC的一值持续地更新及维持准确。如所示，通常该积分电荷在放电及充电期间将线性地变化，但因直接测量该流量，因此用于SOC的计算值的准确度未依线性未依不变的流量速率而定。
更特定地，每次建立一值以用于Ce(或Cn，其中使用内部电导作为能力度量)及执行在内存中，意即每次电池充电，SOC设定成100％。然后，使用该分流以测量进出电池的电流流量，容许由电流积分运算有效追踪SOC。基于Cm而设定一目标最大放电程度深度Cdod，及视需要用以控制重新充电。例如，在起止式车辆场合中，追踪SOC，当Ca＝Cdod时，意即在电池到达电池将无法用以放电的一放电深度前，用以启动引擎将该电池重新充电。
此外，经过一段足够时间(短如数分钟到长如数小时)，使测得电导C中的减低与累积的实际电流放电Ci相关联，及计算该电池的总绝对容量。换句话说，为评估SOH，需要如上述Cc简单地除以Cn，但此计算未提供一实际值以用于电池中的充电量。然而，若在追踪电池电导C中的变化时测量流进或流出电池的实际电流量，则得出一准确值以用于电池的实际能力。一旦如上述建立绝对能力范围(满到空，Ce到Cdod)，在每一完全充电情况，建立一新值以用于Ce，及再开始电流积分运算过程。依此，在任何已知时间提供一高度准确值以用于SOC。此外，因每次电池完全充电皆重新开始电流积分运算的过程，因此避免过量错误的累积；因此该过程兼有自行学习及自行校准两者。此容许该过程用以评估未知额定尺寸及状况的电池。此外，当电池老化及SOH自然减低时，借由积分运算电流流量以提供正确SOC的功用及准确度仍高。
一比喻有助于了解。假设一电池是一贮水槽，储存未知初始能力Cm，但具有一简单计量器指明其装满的程度，随着时间经过电池能力已减低，就像以碎石装满到一未知程度，因此未知其目前能力Ce。先装满贮水槽，及记录其位准Ce。接着当将释出的水量作积分运算时，贮水槽逐渐排空。在稍后一些时间再记录其相关位准Ca。Ca/Ce指明贮水槽已排空的程度；若为50％，及已释出十加仑的水，则Ce是20加仑。从此，每次开始重新装满贮水槽，自20加仑减去释出的水量以判定剩下的实际水量。此实际水量当然同等于一电池的SOC。此外，因上述的电池例子中借由比较Cn与Cc，以判定电池的相关SOH(在该贮水槽比喻中将是不可能)，因此能判定初始最大能力Cm，其将已大致等于Cc。
图10以流程图显示用以执行此计算的一示范算法中的数个步骤。在此，该等步骤许多大致与图3者完全相同，在此将省略其说明。应尚了解有许多修改及变化。
因此，步骤100及101初始化使用的数个变量。在步骤102中，测量测试中的一电池的电导C及电压V。使用美国专利申请案序号11/984,669中揭示的LPR测试完成此测量，及再总结如下，若合适，或借由另一方法以测量C及V。在步骤103中此等值与储存值Ca及Va比较，及在步骤113中判定其变化率；在步骤114中，此变化率用以设定重复该过程的时间间隔T。步骤116判定该电池是否接着完全充电及正充电；若是，在步骤115中Cc设定成等于测量值C。若不是，但若在步骤118判定电池已充电而非正充电，则Cn设定成等于C，及Ci(该积分运算的电流值，如上述横跨一分流或另外情况所测量)设定成等于零。若电池未完全充电，则控制直接跳到方块104，其中Cd(代表待许可最大放电深度)设定成等于fdd*Cc，及Ceol设定成等于feol*Cc。(Cc作为用于此等数量的参考值，以便寿命终点目标值Ceol及最大许可放电深度值Cd未随着电池老化而有所不同)。因此，当电池不时完全充电时，将重复比较C的能力值加以更新以反映电池的状态，借此″自行校准″该元件，以便例如电流积分中的错误不会随着时间经过而累积。
在步骤105，测量通过分流的电流I及乘以消逝时间T以得到一积分值以用于总能量流量，及借此更新Ci。在步骤105A中，其在该元件在安装初始化时执行，或在使用期间不时地执行，判定一标度因子SF用以将该积分运算的电流流量用的值Ci转换成数个能力值，如通常对电池的电导测量作出响应所判定。如以下讨论来判定该标度因子SF。在步骤106中，比较Ci与SF以判定用于SOC的瞬间值(电流)，意即得出用于SOC的一值以回应电流流量Ci的测量。在步骤107中，判定SOC，以传导性的函数表示，例如用以确认该转换值SF。在步骤108中，比较Cn、Cc与Ceol以判定SOH。在步骤109中，比较SOC与SOH以警示数个极限，若适当，则在步骤110提供一警示。不然，在步骤111将该等结果显示在一输出元件上。如步骤112所示，在一时间间隔T后重复该过程。
更特定地，若想要基于该电流流量的测量以提供一进行值以用于SOC，则必须判定从100％SOC到0％SOC对应到电池放电的电流量。然而，当测量所提供的总电流量时，明显地不想要借由电池完全放电来作判定。反而，根据本发明的一概念，本发明的过程包括一初始化性能步骤，用以判定电荷流量与电导变化之间的关系。例如，执行一完全充电电池的Cn，及用于Cdd的一值判定为fdd*Cn。因此Cdd对应到0％SOC。当积分运算电流流量及监控电池电导中的变化时，该完全充电电池接着仅需要部分地放电；接着预测对应到0％SOC的放电的电流流量。例如，若Cn是200姆欧(MHO)及fdd是0.5，则Cdd将会是100姆欧。假设当C下降到150姆欧时，记录一总电流流量是10安培，则SOC将会是100-[(200-150)/(200-100)]，或50％；由此将立即看出从100％SOC到0％SOC电池放电所需的总电流将是20安培。此建立之后相关该特定电池待利用的标度因子SF。在此范例中，SF是5，即测得的电流乘以5及减去Cc的姆欧数以得到C，其接着与Cdd比较而得到SOC。然后，每次已知电池完全充电，SOC重新设定成100％，及然后监控的电流随着时间经过用以追踪SOC。
诊断式充电系统
图11根据本发明以电子方块图说明用以评估一电池状况的一装置160。用以测量该电池电导的基本电路及技术如美国专利申请案序号11/984,669中所揭示。装置160包括一稳压电路161用以在操作中供应一稳定电压到装置160，一MCU(微处理器控制单元)162用以控制装置160，及用以在数个模拟至数字(A/D)输入，在连接到MCU 162的电路中的数个点测量电压，一负载电阻值R 163，一瞬间电流控制电路165，及一I/O(输出入)单元167。I/O单元167可用熟谙此艺者熟悉的数个方式实施，如作为一或多个显示器、一键盘输入、一无线通讯元件，及因特网的无线存取。
更特定地，装置160包括一瞬间电流控制电路165，实施为二并联晶体管Q1及Q2，各代表一控制负载，加以连接以便令Q1与Q2任一者或两者将电流自电池B经由一电阻R 163吸引出。对来自MCU 162的数个控制信号作出响应，自电池B控制地吸引出大″瞬间″电流(意即在极短时间内吸引的大电流，以便限制消散的电量)，该电池将由第一及第二晶体管加以评估。若仅Q1导通，则使用连接163B及163D测量横跨R的一参考负载电压VLR；接着令Q2导通。因Q1与Q2是并联且具有内部电阻，因此将吸引一不同电流量，及测量横跨R的一不同负载电压VLL。接着由MCU借由VLR与VLL之间的差除以R算出自电池吸引出的电流I。当仅有Q1导通时测得横跨电池的电压VBR及Q1与Q2两者皆导通时测得的电压VBL将已在同时间测得。接着借由VBR与VBL之间的差除以I算出电池的内部电阻r。在美国专利申请序号11/984,669文件中已揭示该内部电阻测量的进一步细节，该文件以引用方式并入本文中。接着反转算出用于电池内部电阻的值r，以得到电导C。
根据本发明的一概念，图11电路显示，借由响应一相关联控制线168操作的一开关SW1171连接到一充电器G或其它能量源170。显示服务负载L 172的连接，为具有一对电压感测连接176的一分流电阻174，用以测量流进或流出电池B的电流。
在以下范例中，假想初始想要判定一汽车内安装的一电池的状况，然后追踪其状况及控制其充电。该仪器连接到该电池，理想地经由开尔文连接，如图11所示。使用序号11/984,669详细揭示的技术先测量内部电导以建立其Ce。接着供应能量到充电源170将以该电池充电；继续充电直到电压及/或电导稳定。接着将SOC当作100％。接着将该电导值储存为Cc，及重新供应能量至该充电器；在足以容许表面电荷消散的一段时间后(或测量的电压已稳定后，指明表面电荷消散)，再测量该电导值及储存为Cn。接着借由比较Cn与Cc以判定SOH。接着使用电压感测引线176以测量横跨一已知电阻的分流174的电压降，及以此追踪SOC中的变化，在未来追踪SOC。为提供剩余充电的一准确测量，导出该电池实际容量(与SOH提供的″相关″容量相对)的一标示。如上述，此借由监控随着时间经过流进流出电池的充电量，及测量其电导中的实际变化而完成。由MCU控制I/O元件，例如用以提供指明电池SOH及SOC的一输出；例如SOC显示为一百分比值，或显示一值以用于电池中储存的剩余能量。
本文中所揭示电池评估过程及设备的各种概念以各种方式结合，得到不同想望特性的元件，包括(但不限于)使充电速率最适化的电池充电器、用以判定未知起源电池的SOH的电池评估设备，用于起止式车辆的充电及引擎启动控制系统，用于具有多个电池及充电源的船舶、军车、卡车、RV休旅车等的电池监控及充电源控制系统，用于小客车的电池监控器，及其它许多装置。因此，虽然已详细说明本发明的数个特定实施例，但本发明未局限于此等实施例，而仅由后附申请专利范围所限制。

Claims (36)

1、一种用以判定一电池健康状态的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
施加充电电流至该电池，直到判定该电池大体上完全充电；
当施加充电电流时，测量该完全充电电池的电导Cc；
中止施加充电电流至该电池；
当不再施加充电电流时，测量该完全充电电池的电导Cn；及
借由比较Cn与Cc以评估该电池的健康状态。
2、根据权利要求1所述的判定一电池健康状态的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：监控该电池于充电期间的电导或电压其一或两者；及当该监控的电导及/或电压大体上稳定时，判定该电池大体上完全充电。
3、根据权利要求1所述的判定一电池健康状态的方法，其特征在于：该电池已在停止施加充电电流后达到平衡后，执行当不再施加充电电流时测量该完全充电电池的电导Cn的该步骤。
4、根据权利要求1所述的判定一电池健康状态的方法，其特征在于：尚有一种用以额外追踪该电池充电状态(SOC)的方法，包括以下额外步骤：
(a)执行一初始化例行工作，包括以下步骤：
储存一值以用于该电池当完全充电时的电导Cn，及采用此值作为其在100％SOC的电导；
判定一值以用于该电池对应至0％SOC的电导；
当监控该电池电导中的对应变化时，监控进出该电池的电流流量，用以建立其间的一标度因子；及
使用该标度因子以判定自100％SOC至0％SOC对应至放电的电流量；
(b)然后追踪该电池的SOC，每次判定该电池为完全充电时借由以下步骤重新开始：
将该完全充电电池的SOC设定成100％；
监控进出该电池的电流流量；
随着时间经过积分运算该电流流量；及
利用该标度因子将用于电流流量的该积分值转换成一对应值以用于SOC。
5、一种于数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
(a)执行一初始化例行工作，包括以下步骤：
储存一值以用于该电池当完全充电时的电导Cn，及采用此值作为其在100％SOC的电导；
判定一值以用于该电池对应至0％SOC的电导；
当监控该电池电导中的对应变化时，监控进出该电池的电流流量，用以建立其间的一标度因子；及
使用该标度因子以判定自100％SOC至0％SOC对应至放电的电流量；
(b)然后监控该电池的充电，用以判定该电池何时完全充电；及
(c)追踪该电池的SOC，每次判定该电池为完全充电时借由以下步骤重新开始：
将该完全充电电池的SOC设定成100％；
监控进出该电池的电流流量；
随着时间经过积分运算该电流流量；及
利用该标度因子将用于电流流量的该积分值转换成一对应值以用SOC。
6、根据权利要求5所述的一种于数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的方法，其特征在于：该方法包括借由以下步骤以评估该电池的健康状态(SOH)：
当该电池完全充电时，及正施加充电电流时，测量其内部电导C，及储存该测量值以作为Cc；
在停止施加充电电流后，测量该完全充电电池的内部电导，及储存该测量值以作为Cn；及
借由比较Cn与Cc以评估该电池的健康状态。
7、根据权利要求6所述的数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的方法，其特征在于：该电池已在停止施加充电电流后达到平衡后，执行在停止施加充电电流后测量该完全充电电池内部电导的该步骤。
8、根据权利要求5所述的数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：监控该电池于充电期间的电导或电压其一或两者；及当该监控的电导及/或电压大体上稳定时，判定该电池大体上完全充电。
9、一种用以追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
每隔一段时间评估一代表该电池能力的参数，得到一串值Ca；
判定用于Ca的该串值中达到的数个最大值，及储存此等值以作为Ce；
判定在该电池寿命期间由Ce达到的最大值，及储存此值以作为Cm；
借由比较Ce与Cm以判定该电池的健康状态；及
借由比较Ca与Ce以判定该电池的充电状态。
10、根据权利要求9所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：该方法尚包括借由比较Ce与一默认值Ceol以预测初发电池故障的步骤。
11、根据权利要求10所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：Ceol设定为Cm的一预设部分。
12、根据权利要求9所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：该方法尚包括借由比较Ca与一用于最大许可放电深度的默认值Cdod以控制该电池充电的步骤。
13、根据权利要求12所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：Cdod设定为Cm的一预设部分。
14、根据权利要求9所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：表示该电池能力的该参数是该电池的直流(DC)内部电导。
15、根据权利要求9所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：借由以下步骤的进行以判定Ce：
施加充电电流至该电池，直到判定该电池大体上完全充电；
中止施加充电电流至该电池；
当不再施加充电电流时，测量该完全充电电池的电导Cn；及
设定Ce等于Cn。
16、根据权利要求15所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的方法，其特征在于：该电池已于充电后达到平衡时，执行当不再施加充电电流时测量该完全充电电池的电导Cn的该步骤。
17、一种用以判定一电池健康状况的仪器，其特征在于，该仪器包括：
一充电元件，用以施加充电电流至该电池；
一测量电路，用以测量该电池的电导；
一控制器，用以控制该充电元件及该测量电路的操作，该控制器用以：
(1)判定该电池何时大体上完全充电，及接着中止施加充电电流至该电池；
(2)操作该测量电路用以测量正施加充电电流时该完全充电电池的电导Cc，及当
不再施加充电电流时用以测量该完全充电电池的电导Cn；及
(3)借由比较Cn与Cc以评估该电池的健康状况。
18、根据权利要求17所述的判定一电池健康状况的仪器，其特征在于：该控制器尚用以监控该电池于充电期间的电导或电压其一或两者，及当该监控的电导及/或电压大体上稳定时，用以判定该电池大体上完全充电。
19、根据权利要求17所述的判定一电池健康状况的仪器，其特征在于：该控制器尚用以判定该电池在停止施加充电电流后何时已达到平衡，及用以接着测量该完全充电电池的电导Cn。
20、根据权利要求17所述的判定一电池健康状况的仪器，其特征在于：该仪器尚能追踪该电池的充电状态(SOC)，及尚包括一电流测量元件，用以测量进出该电池的电流流量，及提供该控制器一信号以响应该测量，及其中该控制器尚执行以下步骤：
(a)借由以下步骤执行一初始化例行工作：
储存一值以用于该电池完全充电时的电导Cn，及采用此值作为该电池在100％SOC的电导；
判定一值以用于该电池对应至0％SOC的电导；
当监控该电池电导中的对应变化时，监控进出该电池的电流流量，用以建立其间的一标度因子；及
使用该标度因子以判定自100％SOC至0％SOC对应至放电的电流量；
(b)然后追踪该电池的SOC，每次判定该电池为完全充电时借由以下步骤重新开始：
将该完全充电电池的SOC设定成100％；
监控进出该电池的电流流量；
随着时间经过积分运算该电流流量；及
利用该标度因子将用于该电流流量的该积分值转换成一对应值以用于SOC。
21、一种于数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的仪器，其特征在于，该仪器包括：
一充电元件，用以施加充电电流至该电池；
一测量电路，用以测量该电池的电导；
一控制器，用以控制该充电元件及该测量电路的操作；及
一电流测量元件，用以测量进出该电池的电流流量，及提供该控制器一信号以响应该测量，
其中该控制器用以：
(a)执行一初始化例行工作，包括以下步骤：
储存一值以用于该电池完全充电时的电导Cn，及采用此值作为该电池在100％SOC的电导；
判定一值以用于该电池对应至0％SOC的电导；
当监控该电池电导中的该对应变化时，监控进出该电池的电流流量，用以建立其间的一标度因子；及
使用该标度因子以判定自100％SOC至0％SOC对应至放电的电流量；
(b)然后监控该电池的充电，用以判定该电池何时完全充电；及
(c)追踪该电池的SOC，每次判定该电池为完全充电时借由以下步骤重新开始：
将该完全充电电池的SOC设定成100％；
监控进出该电池的电流流量；
随着时间经过积分运算该电流流量；及
利用该标度因子将用于电流流量的该积分值转换成一对应值以用于SOC。
22、根据权利要求21所述的数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的仪器，其特征在于：该仪器尚评估该电池的健康状态(SOH)，借由操作该控制器以：
当正施加充电电流至该完全充电电池时，测量该电池的内部电导，及储存该测量值以作为Cc；
停止施加充电电流后，测量该完全充电电池的内部电导，及储存该测量值以作为Cn；及
借由比较Cn与Cc以评估该电池的健康状态(SOH)。
23、根据权利要求22所述的数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的仪器，其特征在于：该控制器尚用以判定该电池于停止施加充电电流后何时已达到平衡，及接着测量该完全充电电池的内部电导Cn以用于与Cc的比较。
24、根据权利要求21所述的数个充电/放电周期中追踪一电池充电状态(SOC)的仪器，其特征在于：该控制器尚用以监控该电池于充电期间的电导或电压其一或两者，及当该监控的电导及/或电压大体上稳定时，判定该电池为大体上完全充电。
25、一种用以追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于，该仪器包括：
一测量电路，用以测量一表示该电池能力的参数，及用以每隔一段时间提供一信号以响应该参数的一测量值，得到一串值Ca；及
一控制器，响应该测量电路用以监控该串值Ca，及用以：
判定用于Ca的该串值中达到的该等最大值，及储存此等值以作为Ce；
判定在该电池寿命期间由Ce达到的最大值，及储存该值以作为Cm；
借由比较Ce与Cm以判定该电池的健康状态；及
借由比较Ca与Ce以判定该电池的充电状态。
26、根据权利要求25所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：该控制器尚借由比较Ce与一默认值Ceol以预测初发电池故障。
27、根据权利要求26所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：Ceol设定为Cm的一预设部分。
28、根据权利要求25所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：该控制器尚借由比较Ca与一用于最大许可放电深度的默认值Cdod，以控制该电池的充电。
29、根据权利要求28所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：Cdod设定为Cm的一预设部分。
30、根据权利要求25所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：该测量电路测量该电池的DC内部电导。
31、根据权利要求25所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：该仪器尚包括一可控式元件，用以施加充电电流至该电池，该元件对该控制器有反应，其中该控制器借由以下步骤的进行以判定Ce：
当监控该电池的状况时，令充电电流施加至该电池直到该控制器判定该电池大体上完全充电；
中止充电电流施加至该电池；
当充电电流不再施加充电电流时，测量该完全充电电池的电导Cn；及
设定Ce等于Cn。
32、根据权利要求31所述的追踪一电池随着时间经过的健康状态及充电状态的仪器，其特征在于：该控制器尚判定该电池于充电后何时已达到平衡，及当不再施加充电电流时，接着测量该完全充电电池的电导Cn。
33、一种用于一车辆的电池充电监控及控制系统，其特征在于，其中一内燃机在数个低负载条件下失能，该系统包括：
一第一电路，用以测量该车辆的一电池的电导或电压其一或两者；
一第二电路，用以测量该电池使用中流进流出的电荷；及
一控制器，用以：
(1)当该电池于充电期间由该第一电路测量的监控电导及/或电压大体上稳定时，判定该电池大体上完全充电；
(2)然后不断地监控该电池的充电状态，以响应由该第二电路作出的电流测量；及
(3)启动该车辆的内燃机，俾当该电池的充电状态指明想要驱动一充电元件时照做。
34、根据权利要求33所述的电池充电监控及控制系统，其特征在于：该控制器借由以下步骤不断地监控该电池的充电状态(SOC)：
(a)执行一初始化例行工作，包括以下步骤：
储存一值以用于该电池完全充电时的电导Cn，及采用此值作为该电池在100％SOC的电导；
判定一值以用于该电池对应至0％SOC的电导；
当监控该电池在其电导中的对应变化时，监控进出该电池的电流流量，以建立其间的一标度因子；及
使用该标度因子以判定自100％SOC至0％SOC对应至放电的电流流量；
(b)然后监控该电池的充电，以判定该电池何时完全充电；及
(c)追踪该电池的SOC，每次判定该电池完全充电时借由以下步骤重新开始：
将该完全充电电池的SOC设定成100％；
监控进出该电池的电流流量；
随着时间经过积分运算该电流流量；及
利用该标度因子将用于电流流量的该积分值转换成一对应值以用于SOC。
35、根据权利要求34所述的电池充电监控及控制系统，其特征在于：借由Cn乘以一默认值以判定该电池电导对应至0％SOC的该值。
36、根据权利要求34所述的电池充电监控及控制系统，其特征在于：当该充电状态达到一设定为Cn的一预设部分的默认值Cdod时，该控制器启动该内燃机以给该电池充电。
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