CN102411126B

CN102411126B - 电池测量方法及装置

Info

Publication number: CN102411126B
Application number: CN201010288745.4A
Authority: CN
Inventors: 许跃腾; 叶家福
Original assignee: Lite On Technology Corp
Current assignee: Lite On Technology Corp
Priority date: 2010-09-21
Filing date: 2010-09-21
Publication date: 2014-07-16
Anticipated expiration: 2030-09-21
Also published as: CN102411126A; TW201213829A; TWI409487B; US20120072146A1; US8447544B2

Abstract

本发明公开了一种电池测量方法及一种电池测量装置，该电池测量方法包括步骤：利用一脉冲输入至电池以测量取得该电池响应输出的一实际曲线；决定出该电池的一组参数，且该组参数是可供推导出实际曲线；以及使用该组参数查询一对应关系以找出该电池的电量状态。本发明的电池测量方法及其装置，使电池的电量测量可以快速准确，并且所需的测量元件可直接设置在电池组管理系统上，以方便进行测量。

Description

电池测量方法及装置

技术领域

本发明涉及一种测量方法及装置，特别涉及一种可测量电池的电量状态的电池测量方法及装置。

背景技术

电池要能正常工作，必须特别注意要防止电池的过度充电或过度放电，以避免导致电池内部电化学结构改变，而影响电池的储能功能或寿命降低。因此为了避免发生这种现象，则必须在电池靠近充电电压上限或是放电电压下限时，就必须提停止对电池进行的充电或放电动作。故通过对电池电量状态（State-of-Charge；SOC）的测量，不但可以预测电池在充、放电过程中产生的电化学变化，并可确保电池能够在安全范围内使用及提升使用效率。

然而在电池测量过程中，因电池的充放电使得电池内部的电化学反应复杂，例如不同电池种类使用不同材料或不同内部架构，造成影响电池电量测量的因素相对变多。因此现有许多测量电池方法已被提出，通过测量随电池SOC变动的参数，以推导出电池的SOC。而这些常用的方法包括有：放电测试法（discharge test）、电解液浓度测量法（electrolyte concentration measuring）、库仑电量检测法（coulomb/ampere hour counting）、有载电压检测法（loadedvoltage measuring）、内阻测试法（internal resistance measuring）、开路电压法（open circuit voltage measuring）、电化学阻抗频谱分析法（electrochemicalimpedance spectroscopy）等等。

举例来说，若以开路电压法测量电池SOC，其测量方式是使电池成为开路状态，并等待电池浓度均匀分布之后，电池的SOC与开路电压将呈现近似正比关系，如图1所示，之后即可在S1的操作范围内利用电池开路电压与SOC之间对应关系求出目前电池SOC。故开路电压法架构简单，但缺点是测量时间过长需受限于电池长时间静置影响。且，对于某些开路电压对应SOC变化很小的电池(例如磷酸锂铁电池)，开路电压法仍然不足以准确地估测SOC值。

此外再以电化学阻抗频谱分析法测量电池SOC而言，此方法提供多组不同扫描频率波形给电池，并读取电池的反应波形加以分析，以找出求得电池SOC相关参数。但此方法搜集相关参数耗时过多时间，且须考虑电池极化现象的因素，故造成内部计算过程复杂，且所需测量设备成本高，需离线进行测量，无法满足一般电池管理系统的需求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电池测量方法及其装置，以使电池的电量测量可以快速准确，并且所需的测量元件可直接设置在电池组管理系统上，以方便进行测量。

根据本发明的一种实施例，提供一种电池测量方法，包括下列步骤：（a）测量取得电池根据输入的一脉冲所响应输出的一实际曲线；（b）决定该电池的一组参数；（c）以此参数及脉冲的输入电流值代入电池等效模型计算出电池根据脉冲所响应输出的一模拟曲线；（d）比较模拟曲线与实际曲线之间的差异是否为可接受；（e）当步骤（d）判断为否，则回到步骤（b）执行；（f）当步骤（d）判断为是，则以此参数查询一对应关系以找出该电池的电量状态（SOC），该对应关系记录有该电池的电量状态与该电池的一电荷转移阻抗（charge transfer resistance）之间的对应内容。

上述输入给电池的脉冲，其脉宽时间小于或等于10毫秒（ms），以及其脉冲高度为小于或等于2安培。

上述步骤（f）中使用参数中的电荷转移阻抗（charge transfer resistance）的Rct电阻值以从该对应关系中找出该电池的电量状态。

根据本发明的另一种实施例，提供一种电池测量装置，包括一脉冲产生器、一模数转换器、一控制器。脉冲产生器输出一脉冲给该电池。模数转换器是测量电池的输出电压。控制器耦接于脉冲产生器与模数转换器，且控制脉冲产生器输出该脉冲，并通过模数转换器以测量取得电池根据脉冲所响应输出的一实际曲线，以及通过计算方式取得电池根据脉冲所响应输出的一模拟曲线，而所计算出的模拟曲线与实际曲线的差异是在一可接受范围内。

上述模拟曲线的计算方式是通过决定电池的一组参数并配合脉冲的输入电流值代入电池等效模型进行计算取得。且控制器利用此参数查询一对应关系以找出电池的电量状态（SOC），而此对应关系是记录有该电池的电量状态与该电池的一电荷转移阻抗（charge transfer resistance）之间的对应内容。

本发明的有益效果在于，通过上述的技术方案，将具有下述功效：本发明仅需由一单一频率的脉冲，即可取得电池反应输出的波形，通过后续进行的计算即可取得所需的参数，以供求出电池的电量状态。故本发明的测量方法与测量装置所需元件简单易实现，且测量速度快无需等待电池的静置时间以及无复杂的计算过程，并且所取得的参数不会受电池极化现象干扰，而影响到本发明测量的准确性。

以上的概述与接下来的详细说明及附图，皆是为了能进一步说明本发明所采取的方式、手段及功效。而有关本发明的其他目的及优点，将在后续的说明及附图中加以阐述。

附图说明

图1为现有电池在开路电压与电量状态（SOC）的对应曲线图；

图2为电池的等效模型电路图；

图3为电荷转移阻抗与电量状态（SOC）的对应曲线图；

图4为本发明实施例的一电池测量方法的流程图；

图5为本发明使用脉冲的示意图；

图6为本发明计算求得电池响应的模拟曲线与实际测量电池响应的实际曲线的对照图；

图7为本发明实施例的一计算模拟曲线的流程图；以及

图8为本发明实施例的一电池测量装置的方框图。

其中，附图标记说明如下：

1电池

10控制器

11脉冲产生器

13模数转换器

15限流元件

17温度传感器

19存储单元

S401～S411流程图步骤说明

S701～S715流程图步骤说明

具体实施方式

在对本发明进行讲解之前，请先参阅图2，一般电池的等效电路模型可视为由一电解质阻抗（bulk resistance）Rb、一电荷转移阻抗（charge transferresistance）Rct及一双电层电容（electric double layer capacitor）Cd等元件组成。而其中的电荷转移阻抗与电量状态（SOC）是具有如图3所示的对应关系，由于此曲线图具有一定斜率，因此不同电荷转移阻抗的阻值（Rct）是可以对应到不同SOC值。故若能准确得知电池的电荷转移阻抗的阻值为何，即可通过图3的曲线对应关系找出电池的电量状态。

因此本发明即提出一种电池测量方法及装置，可通过简单硬件架构以对电池的电量状态（SOC）进行快速且准确的测量。本发明所使用的技术特点是通过提供一输入脉冲给电池，以供测量取得图2中电池相关电路模型的参数，并通过得知其中电荷转移阻抗的此一参数值，即可根据图3所示的对应关系以查表方式或代入函数关系找出电池的电量状态。

而上述电池的计算模型参数是具有如下关系式：

Vo=RbIb+Rct Ib x(1-exp(-t/τ))；τ=Rct x Cd

上述Vo为电池电压，Ib为输入脉冲的电流脉高，t为输入脉冲的脉宽时间。

故以下将举例说明本发明如何通过求得的电荷转移阻抗以找出电池的电量状态。

请参阅图4，其为本发明实施例的一电池测量方法的流程图。此流程图是通过一可程序化的控制器以控制相关电路元件以对电池进行下述的测量操作。

首先对一电池提供一输入脉冲（S401），以供取得电池内部相关参数以供后续计算使用。而为了避免电池极化现象造成后续测量结果的不正确，在此所提供的脉冲可如图5所示，此脉冲的脉宽时间（Td）为小于或等于10毫秒，以及脉冲的电流脉高（Ib）是小于或等于2安培（A），此脉冲的脉宽时间及脉宽高度的数值仅为举例说明，并非用以限制本发明保护范围。

而当电池接收到此脉冲后，控制器通过相关电路元件测量以取得电池根据此脉冲所响应输出的一实际曲线（S403），此一实际曲线即为电池连续输出的电压曲线。

之后控制器决定电池的一组参数（S405）以供计算出一模拟曲线与实际曲线进行比较。此步骤决定的参数基本上是依据电池等效模型中的电路元件决定，例如包括一电解质阻抗（bulk resistance）的电阻值Rb、一电荷转移阻抗的电阻值Rct及一双电层电容的电容值Cd。

而当参数决定后，控制器即可根据内部的一计算流程计算出电池根据该脉冲响应输出的一模拟曲线（S407），而此控制器所执行的内部计算流程将于后面有更完整说明。

因此当控制器计算出此模拟曲线之后，即可将此模拟曲线与实际曲线进行比较，并判断两者的差异是否在一可接受范围内（S409），而关于如何判断两曲线的差异属于该领域技术人员所知悉的技艺，因此在此不予以详述。而此步骤比较的目的是用来判断S405所决定出的参数是否为接近真实电池内部的电路参数，因唯有使用到真实电池内部的电路参数才可求到逼近实际曲线的模拟曲线。

当S409判断为否，表示目前供控制器计算模拟曲线使用的参数并非接近真实电池内部的电路参数，因此需回到步骤S405重新决定出另外一组参数。故通过S405～S409等步骤的不断重复执行，主要是通过不断以不同的参数计算模拟曲线，并直至其中一组参数计算出的模拟曲线与实际曲线的差异是在可以接受的范围内为止。

而若步骤S409判断为是，则代表控制器此时使用的参数所计算出的模拟曲线几乎近似于实际曲线时，如图6所示，其中实线代表实际曲线，虚线代表模拟曲线，两曲线几乎是处于重叠状态。因此最后即可将此组参数中的电荷转移阻抗的电阻值Rct通过图3所示的对应关系式找出电池的电量状态（S411）。

关于上述S403中，参数的决定方式于第一次计算模拟曲线时可以根据不同类型的电池选定不同的预设起始值，并根据第一次计算结果的模拟曲线与实际曲线的差异，之后通过不断调整不同的参数组合，以使之后计算出的模拟曲线能逼近实际曲线，例如在此可以使用曲线逼近法的方式来达成此效果，但本发明也可使用其他方式算出可逼近实际曲线的模拟曲线。而为了加快上述处理时间，可以事先通过在一数据库中建表以记录多组参数以供选取计算模拟曲线使用。

再者上述S411中所使用电荷转移阻抗与电池电量状态的对应关系也事先建立有对照表以供查表使用或建立有函数关系以供计算。此外上述S411于执行之前可以还包括通过测量电池的温度，并根据测量的温度结果以使用对应的对照表或函数关系，以使最后求得的电量状态可以更正确。

而关于上述图4中S407的执行方式，则请进一步参阅图7，其为本发明实施例的一计算模拟曲线的流程图。此图7执行流程说明如下：

首先初始化双电层电容的电压Vi为零（S701）。

依序取样输入脉冲的一笔电流值I（S703），在此取样方式是从图5所示脉冲中一起点A的位置依序取样至一终点B的位置。

计算电池的输出电压Vo（S705），在此是根据Vo＝I×Rb＋Vi的关系式进行计算求得。

计算电荷转移阻抗的电流值Ict（S707），在此是根据Ict＝Vi/Rct的关系式进行计算求得。

计算双电层电容的电流值Id（S709），在此是根据Id＝I－Ict的关系式进行计算求得。

计算双电层电容的电压Vi（S711），在此是根据Vi＝上一个取样时间点的Vi+Id/Cd的关系式进行计算求得，Cd为双电层电容的电容值。

判断取样脉冲的电流值I是否为最后一笔（S713），也即判断电流值I是否为脉冲终点B的值。

若S713判断为否，则回到S703继续执行。

若S713判断为是，则依序输出上述每一次取样脉冲时计算所得Vo以得到模拟曲线（S715）。

在此需特别说明上述图7所揭示计算模拟曲线的方式仅为举例说明，并非用以限制本发明，本发明也可通过其它的计算方式得到模拟曲线。

请参阅图8，其为本发明实施例的一电池测量装置的方框图。此实施例的测量装置包括一控制器10、一脉冲产生器11、一限流元件15、一模数转换器13、一温度传感器17及一存储单元19。

脉冲产生器11根据控制器10的控制提供一脉冲给电池。此脉冲产生器11可以是一开关，此开关是耦接于电池1与地（ground）之间，因此当开关导通时，电池1即可对地放电以形成一放电脉冲。脉冲产生器11除了通过开关实现之外，亦可以是以其他电路元件实现，且脉冲产生器11也可设计成提供充电脉冲给电池1，并非限制只能提供放电脉冲。

限流元件15与脉冲产生器11串联，以控制脉冲产生器11提供的电流能在一设定值内，此设定值在此以小于或等于2A。限流元件15可例如是电阻。

模数转换器13是根据控制器10的控制对电池1电压进行测量，以将电池1端的模拟电压转换成可供控制器10判读的数字电压。

温度传感器17是对电池1温度进行检测，并将检测结果输出给控制器10。

存储单元19中记录有相关数据可以供控制器10使用。例如记录有不同电池1温度下电荷转移阻抗与电量状态之间的对应关系，此对应关系可以是通过对照表或是函数关系式表示，以及记录有多组不同的参数组合以供计算模拟曲线时使用。

控制器10在此测量电池1的电量状态是依据内部的程序码进行，此程序码是使控制器10可以依据前述图4及图7的方式以对脉冲产生器11、模数转换器13、温度传感器17及存储单元19进行控制。

因此通过上述元件之间的连接关系，控制器10即可以通过控制脉冲产生器11的导通与截止时间，以产生如图5所示的脉冲。例如控制器11可通过控制开关的导通时间为小于或等于10ms及配合限流元件15以使脉冲的电流脉高（Ib）小于或等于2安培。此外控制器10通过模数转换器13即可测量取得此电池1根据此脉冲所响应输出的一实际曲线。

而当控制器10取得此实际曲线时，控制器10即可通过计算方式计算出一模拟曲线，控制器10计算模拟曲线的方式是通过决定一组电池1的参数，以此参数及脉冲的输入电流值代入电池等效模型进行运算，以求得电池1的多笔连续输出电压。而此多笔连续输出电压即为经过计算所得的模拟曲线。

因此控制器10即通过上述方式持续以不同的参数输入进行计算，以使计算结果的模拟曲线能逼近实际曲线，并从中得到一组最接近实际曲线的模拟曲线，且以该模拟曲线计算使用的参数找出电池1的电量状态。例如使用参数中的电荷转移阻抗的电阻值Rct以从存储单元19中所存储的电荷转移阻抗与电量状态之间的对应关系找出此电池1目前的电量状态。

故通过上述说明，本发明测量电池的电量状态时，无须如传统OCV测量方式是须等待电池进入稳态才能进行测量。因本发明测量时间点可以在电池的任何状态下，直接输入脉冲给电池，以取得相关信息以供后续判断比对使用。故本发明可以快速进行测量。

除此之外本发明在测量取得电池内部参数的过程中，也可以有效避免电池充放/电时所产生极化现象的干扰，因本发明是通过输入高频（如100Hz）的脉冲以抑制电池等效模型中定相元件（constant phase element）对测量准确性所产生的干扰。故本发明所得的测量结果可以相当准确。

再者，本发明所使用的测量架构无须如现有使用电化学阻抗频谱分析法（electrochemical impedance spectroscopy）对电池等效电路模型分析时，需使用昂贵的波形产生器以供产生多组不同频率的扫描波形。本发明仅需通过简单的开关元件并配合控制其开关时间以产生单一频率的脉冲，即可取得对电池等效电路模型分析所需的信息。故本发明所使用的测量架构简单且成本低。

故通过上述实施例说明，本发明确实具有测量速度快及测量准确，且所使用的测量架构具有简单易实现、成本低及不占空间的优势。

上述所揭示的附图、说明，仅为本发明的实施例而已，本领域技术人员当可依据上述的说明作其他种种的改进，而这些改变仍属于本发明的发明精神及所界定的保护范围中。

Claims

1.一种电池测量方法，其特征在于，包括步骤：

（a）输入一脉冲至该电池以测量取得该电池响应输出的一实际曲线；

（b）决定该电池的一组参数；

（c）以该组参数及该脉冲的输入电流值代入电池等效模型计算出该电池根据该脉冲所响应输出的一模拟曲线；

（d）比较该模拟曲线与该实际曲线之间的差异是否为可接受；

（e）当步骤（d）判断为否，则回到步骤（b）执行；以及

（f）当步骤（d）判断为是，则以该组参数查询一对应关系以找出该电池的电量状态，该对应关系是记录有该电池的电量状态与该电池的一电荷转移阻抗之间的对应内容，

其中步骤（b）中，该组参数包括一电解质阻抗的电阻值Rb、一电荷转移阻抗的电阻值Rct及一双电层电容的电容值Cd。

2.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，该脉冲的脉宽时间小于或等于10毫秒。

3.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，该脉冲的高度为小于或等于2安培。

4.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，步骤（a）中输入该脉冲的方式是使该电池通过一开关接地，并由一控制器控制该开关的导通时间。

5.如权利要求4所述的电池测量方法，其特征在于，该控制器是通过一模数转换器以将该电池接收该脉冲所响应的输出电压转换成该实际曲线。

6.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，步骤（c）包括步骤：

（c1）初始化该双电层电容的电压Vi为零；

（c2）依序取样该脉冲的一笔电流值I；

（c3）计算I×Rb＋Vi以得到该电池的一输出电压Vo；

（c4）计算Vi/Rct以得到流经该电荷转移阻抗的电流值Ict；

（c5）计算I－Ict以得到流经该双电层电容的电流值Id；

（c6）计算上一个取样时间点的Vi+Id/Cd以得到该双电层电容的电压Vi，Cd为该双电层电容的电容值；

（c7）判断该笔电流值I是否为该脉冲中最后一笔；

（c8）当步骤（c7）判断为否，则回到步骤（c2）执行；以及

（c9）当步骤（c7）判断为是，则依序输出（c3）中所计算的该输出电压Vo以得到该模拟曲线。

7.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，步骤（f）中是根据该组参数中的该电荷转移阻抗的电阻值Rct以从该对应关系中找出该电池的电量状态，且步骤（f）中该对应关系的建立方式为建立有一对照表以供查表使用或建立有函数关系以供计算使用。

8.如权利要求7所述的电池测量方法，其特征在于，在步骤（f）之前还包括测量该电池的温度以使用对应测量结果的该对应关系。

9.如权利要求1所述的电池测量方法，其特征在于，步骤（b）、（c）、（d）的执行是使用曲线逼近法进行计算。

10.一种电池测量装置，其特征在于，包括：

一脉冲产生器，输出一脉冲给该电池；

一模数转换器，用以测量该电池；以及

一控制器，耦接于该脉冲产生器与该模数转换器，该控制器控制该脉冲产生器输出该脉冲，并通过该模数转换器以测量取得该电池根据该脉冲所响应输出的一实际曲线，且该控制器并通过计算方式取得该电池根据该脉冲所响应输出的一模拟曲线，而该模拟曲线与该实际曲线的差异是在一可接受范围内；

其中该模拟曲线是通过决定该电池的一组参数并配合该脉冲的输入电流值代入电池等效模型进行计算取得，且该控制器将该组参数查询一对应关系以找出该电池的电量状态，该对应关系是记录有该电池的电量状态与该电池的一电荷转移阻抗之间的对应内容，

其中该组参数是包括一电解质阻抗的电阻值Rb、一电荷转移阻抗的电阻值Rct及一双电层电容的电容值Cd。

11.如权利要求10所述的电池测量装置，其特征在于，该控制器是根据该组参数中的该电荷转移阻抗的电阻值Rct以从一对照表中找出该电池的电量状态。

12.如权利要求10所述的电池测量装置，其特征在于，该脉冲产生器为一开关，且该开关耦接于该电池与接地之间。

13.如权利要求12所述的电池测量装置，其特征在于，该控制器控制该开关的导通时间以使产生该脉冲的脉宽时间小于或等于10毫秒。

14.如权利要求12所述的电池测量装置，其特征在于，该电池测量装置还包括一限流元件，该限流元件与该开关串联，且该限流元件使流经该电池的电流小于或等于2安培。

15.如权利要求10所述的电池测量装置，其特征在于，该控制器使用曲线逼近法以计算出该模拟曲线。