CN103675692B - 电池健康状态检知方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电池健康状态检知装置，包含有一检测模块、一运算控制模块以及一输出模块，运算控制模块分别与检测模块以及输出模块电连接，该检测模块对一电池进行电压检测，且在选定的测试点取得电池的电压值，运算控制模块根据测试点的电压值转换为一比值，再与该电池已知的一电池健康状态曲线进行比对，即可取得该电池的健康状态值并由输出模块输出；运算控制模块在短时间内进行电压检测以得到电池的健康状态值，而易于判断电池的健康状态，解决现有不易快速且简单地判断电池健康状态以及产生电池电量估测误差或有维修成本增加的问题。

Description

电池健康状态检知方法与装置

技术领域

本发明涉及一种电池健康状态检知装置，尤指一种检测电池的电压并比对该电池已知的健康状态曲线，即可快速得知电池当下健康状态的检知装置。

背景技术

随着电池技术的发展以及人们对于节能减碳与环保的要求，使用电动载具的机会日渐增加，而为了使电动载具符合较高的续航旅程距离及性能的需求，其使用的电池组即需串联或串并联多数个电池以达到所需的电压与容量，而提高电池的效率以及对电池进行退化估测便是维持前述要求的重要条件。

电动载具的主要能量来源为安装在其内部的电池组，而电池真正可储存的能量即为使用者考量与否需要充电的重要依据，由于现有电动载具的市场需求日渐增加，其主要是作为中短程通勤之用，大部份电动载具的使用者是居住在大楼或公寓的环境，除非在停车区域有设充电插座或充电站，否则要替电动载具充电将是一大问题，因此较佳的解决方式是在各地设置电池交换站，当电动载具在行驶时发现电力即将耗尽，使用者可就近至电池交换站付费交换已充饱电的电池，其交换费用仅需依换下电池的剩余电量多寡进行计价，因此，电池交换站需要对换下的电池进行电池电量检测及电池退化状态检测。

一般而言，在电动载具的应用，当电池当下的有效电容量低于原厂设定的有效容量的80%时，即可将该电池视为严重退化，而不再符合电动载具的需求；因此，通过电池退化状态检测，可避免换下的电池因其当下的有效电容量的不同，造成电池使用时间及性能不一，而有电池电量错估的问题。

目前市面上针对电池的电量检测或是退化检测的装置主要是针对车用的铅酸电池，常见的有电池寿命测试仪或电池检测仪，其中，该电池寿命测试仪是利用内置的高功率的负载功率电路，由电池对负载功率电路进行大电流放电，以量测其电压降而可得其放电的能力，并由放电能力判断电池的退化状态，由于电池寿命测试仪内置有高功率的负载功率电路，造成体积庞大而有携带不便的缺点，且因测试过程的放电电流相当大，电池测试时间不可过长，否则会有加速电池退化的问题；该电池检测仪主要是分析电池的四项指标(电压、冷启动电流值、电阻、电池能量)，根据以上四项指标判断电池的退化状态，但主要是以量测电池的电阻（内阻）为主，通过交流内阻测量法测试电池的内阻值，而可对应得到电池的容量，不过电池检测仪测量电池容量时，车辆必须熄火超过一个小时以上，且仅能针对单颗电池量测，无法于串联多个电池时分别测量各电池容量。

因此现有用于检测电池的健康状态(SOH：State Of Health)的技术，如美国专利公开第20070252600号“电池健康状态的诊断方法(Diagnosis method for state-of-health of batteries)”，其以一定电流进行长时间放电，再测量电池的电压值，观察其电压变化率，进而判断该电池的健康状态是否有异常，由于电池需进行长时间放电，且仅能判断是否发生退化，而无法快速且即时得知电池当下的健康状态的问题。

而如美国专利公开第20090128097号“追踪电池健康状态之系统与方法(Methodand system for tracking battery state of health)”，由一充电装置、一充电计时装置与一处理单元组成，通过对待测电池充电与计时，计算该电池在充电过程中的电容量，再与电池预设的电容量比较，而可判断该电池的健康状态，由于其使用累计法，判断时间长且无法快速检测，加上需有特殊设计的滤波器，因此无法即时检知该电池的健康状态。

由上述可知，现有针对电池的电量检测的装置多是使用电流法与内阻法进行测量，其中，该电流法是使用特定电流放电方式，量测并观察电压的变化率，以作为电池健康状态的判断依据，其缺点是电池需进行完整充、放电步骤，造成放电时间过长，而且只能判断电池是否健康，无法判断其健康程度；该内阻法需提供电池一外部的输入电压，由该输入电压量测电池的内阻值，再经计算以判断电池的退化状态，其缺点是检测装置规格与成本较高，且需要多个次系统组成；该累计法是在电池放电过程中持续量测与记录电池的电荷，待完成放电步骤后再与该电池的原始记录值相比较，以判别电池的健康状态，其缺点是需完整的放电步骤，造成判别时间过长而无法快速检测，且需有特殊设计的滤波器辅助。

综上所述，现有针对电池的电量检测或是退化检测的装置或方法皆有其限制与缺点，例如电流法需要长时间放电造成检测时间过长，而且只能判断电池健康与否，无法判断电池的健康程度；内阻法的系统规格要求较高，需由多个次系统组成，造成设置成本过高；累计法的判断时间长，因此无法快速检测，而且须有特殊的滤波器设计；因此，现有电动载具上的电池容量显示装置，若无加入电池退化估测的参数，将会致使驾驶者读取到有误差或过高的电容量值，产生误判行驶距离的困扰；此外，若是以电池交换方式更换电力耗尽的电池，则会面临欲付费交换电池时，可能因更换的电池寿命长短不同、使用时间与性能不一以及电池残余容量不准确而有电量估测误差的问题，加上电池交换站无法有效针对换下的电池依据其健康状态或退化程度进行维修，以分别更换严重退化的电池芯，造成更换整组电池芯会有浪费与维修成本增加的问题。

发明内容

如前揭所述，现有技术针对电池的健康状态仍无法有效的即时得到检知结果，换下的电池易因使用时间与性能不一以及电池残余容量不准确而有电量估测误差的问题，而电池交换站则无法有效的对换下的电池依据其健康状态或退化程度进行维修，造成维修成本增加的问题，因此本发明主要目的在提供可快速检测电池健康状态的一电池健康状态检知方法与装置，主要是在电池充电或放电时选定测试点，由测试点所得的电压比值与电池原始的健康状态曲线进行比对，即可得到电池的健康状态值，做为电池退化与电容量修正的判断依据，解决现有技术无法快速判断电池的健康状态，而产生维修成本增加以及电池电容量错估等问题。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述电池健康状态检知方法包含有：

提供一已知的电池健康状态曲线；

执行一电压检测程序，用以检知并记录电池在电压检测程序中所设定的多个测试点的电压值；

计算该等测试点之间的电压差以及相对电池原始电压压差的比值，并以该比值对照前述的电池健康状态曲线，以取得电池的健康状态值。

为达成前述目的所采取的主要技术手段是令前述电池健康状态检知装置包含有：

一检测模块，其用以连接电池，并在充电或放电步骤中设有多个测试点，以分别取得电池在各测试点的电压值，并转换为数字信号；

一运算控制模块，其与检测模块电连接，取得各测试点的电压值以及相对电池原始电压压差以计算比值，并以该比值与对应该电池的一电池健康状态曲线进行比对，以取得该电池的健康状态值；

一输出模块，其与运算控制模块电连接，以输出运算控制模块所取得的电池健康状态值。

利用前述元件组成的电池健康状态检知装置，由运算控制模块取得对应该电池的电池健康状态曲线，且令检测模块控制与其连接的电池进行充电或放电，以分别在选定的测试点取得电池的电压值，运算控制模块经计算电压值与电压压差可得到比值，该比值经对照电池健康状态曲线，即可得到该电池的健康状态值，并由输出模块输出该电池的健康状态，藉此，运算控制模块仅需经计算测试点对应的比值并对照已知的电池健康状态曲线，可快速检测电池的健康状态以及判断电池的有效容量与寿命长短，解决现有技术无法快速判断电池的健康状态的缺点，以及电池电容量错估与维修成本浪费的问题。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1为本发明第一较佳实施例的充放电测试曲线图。

图2为本发明第一较佳实施例的电池容量估计曲线图。

图3为本发明第一较佳实施例的正规化电压差曲线与连续循环充放电的关系图。

图4为本发明第一较佳实施例的电池健康状态曲线图。

图5为本发明第一较佳实施例的电池放电曲线图。

图6为本发明第一较佳实施例的电池健康状态检知装置的电路方块图。

图7为本发明第一较佳实施例的电池健康状态检知装置的流程图。

图8为本发明第二较佳实施例的电池充电曲线图。

图9为本发明第三较佳实施例的电池放电初始斜率的曲线图。

图10为本发明第三较佳实施例的电池充电初始斜率的曲线图。

附图标号：

10检测模块 11量测单元

12充/放电控制单元 13滤波控制单元

14数据量测单元

20记录模块

30输入模块 31扫描单元

32数据输入单元

40运算控制模块

50输出模块 51数据传输单元

52显示单元

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

关于本发明的第一较佳实施例，主要是预先对一电池进行多次且完整的充/放电测试（Life Cycle Test，其充放电的特性曲线如图1所示），以对该电池进行电池容量估测，在本较佳实施例中，该电池是一种锂铁电池，其全充/放电测试的电压是介于3.6V至2.6V之间，如此进行固定充/放电速率（C-rate）的连续且重复循环的充放电测试，可得到如图2所示的电容量与电池充放电次数的关系图。

如图2所示该电池的原始电容量约为9Ah，在经过连续循环的反复充放电50次后，电池的电容量会降低至约为7.8Ah，仅约为原始电容量的87%。因此可知该电池经多次完整的充/放电测试后，其电容量已有13%的退化，通过上述测试可轻易取得该电池的电容量衰退与使用次数的一关系曲线（适配曲线）。

而在上述对电池的充/放电测试过程中，导入电压检测程序，以建立正规化的电压差比值与连续循环充放电次数的关系，其结果会如图3所示的电池容量估测曲线，此外，此正规化的电压差比值以不同充/放电率（0.4C、0.6C、0.8C与1.0C）进行测试与比较后，不同放电率所得的曲线虽高低略有不同，不过电池退化的整体趋势是相同的。

通过整合上述的充/放电测试的数据，经运算后可得如图4所示的电池健康状态（State-of-Health，SOH）曲线，此电池健康状态曲线即可做为该类电池的健康状态的检测与判断依据，又不同种类的电池或由不同材料组成的电池，其所得到的电池健康状态曲线则略有不同。

如图5所示，为本较佳实施例中有关检知电池健康状态的电压检测程序的其中一种测试方式，该测试方式是通过控制电池放电电流与时间的方式，以得到电池的放电曲线，当电池放电到达所设的放电时间（T₁）时，即停止放电并取得电池停止放电时的测试点的电压值（V₁），待电池经过一段时间（T₂）取得其回升至稳态电压的测试点的电压值（V₂），该电池回升至稳态的测试点的电压值（V₂）减去电池停止放电时的测试点的电压值（V₁），再与电池的原始电压压差（ΔV_origin）进行比较而可得到一比值（VR：Voltage-Difference Ratio），其中该原始电压压差（ΔV_origin）为电池尚未退化时，对电池进行上述测试所得的数值，而该比值（VR）为：

$\mathrm{VR}=\frac{V_2-V_1}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{origin}}},$

将该比值（VR）对照上述测试方式所建立的电池健康状态曲线即可得该电池现有的健康状态值，例如，电池的原始电压压差（ΔV_origin）为0.199V，电池停止放电的时间为T₁秒，停止放电的电压值（V₁）为3.125V，而电池回升至稳态的时间为T₂秒，回升至稳态的电压值（V₂）为3.3V如此，可计算出该比值为：

$\mathrm{VR}=\frac{V_2-V_1}{\mathrm{\Δ}{V}_{\mathrm{origin}}}=\frac{3.3-3.125}{0.199}\≅0.88,$

该比值（0.88）经对照图4的电池健康状态曲线可得该电池的健康状态值约为93.2%，意味着电池原始可用电容量若为10Ah，则经该测试方式后可知该电池当下的可用电容量实为9.32Ah，如此通过对电池进行短时间放电并计算比值，即可快速得知该电池的健康状态。

如图6所示，该电池健康状态检知装置包含有一检测模块10、一与检测模块10连接的记录模块20、一输入模块30、一分别与记录模块20以及输入模块30连接的运算控制模块40以及一与运算控制模块40连接的输出模块50，其中，

该检测模块10包含有一量测单元11、一充/放电控制单元12、一滤波控制单元13以及一数据量测单元14，充/放电控制单元12分别与量测单元11以及滤波控制单元13电连接，又数据量测单元14是与滤波控制单元13电连接，该量测单元11连接至一待测的电池，充/放电控制单元12用以控制该电池的放电的电流与时间，且设定有多个测试点，以分别取得电池在多个测试点的电压值，该等测试点的电压值是如图5所示的电池停止放电时的电压值（V₁）以及电池回升至稳态的电压值（V₂），并由滤波控制单元13进行滤波处理，再经数据量测单元14将滤波后的电压值或电流值的模拟信号转换为数字信号。

该记录模块20用以记录数据量测单元14传送的数字信号或数据，并可纪录输入模块30或运算控制模块40的数据。

该输入模块30用以接收外部输入该电池的种类或型号，以及对应该电池种类或型号的电池健康状态曲线；在本较佳实施例中，该输入模块30包含有一扫描单元31或一数据输入单元32，其可通过扫描、感应或输入数据的方式从外部取得待测电池的种类或型号，以及由外部输入对应该电池种类或型号的电池健康状态曲线，并可进一步将外部输入的电池健康状态曲线通过运算控制模块40储存于记录模块20中，以利使用者可由内部直接取得对应该电池的电池健康状态曲线。

该运算控制模块40是依据记录模块20储存的数字信号进行运算，其取得充/放电控制单元12的各测试点电压值的数字信号，进行计算以得到前述的比值，并以该比值与由记录模块20储存或是由输入模块30取得的电池健康状态曲线进行比对，以得到该待测电池的健康状态值，可直接且快速判断该待测电池的健康状态。

该输出模块50用以输出或显示运算控制模块40计算的电池的健康状态值，其包含有一数据传输单元51与一显示单元52，该运算控制模块40计算的健康状态值可经由数据传输单元51将其以有线或无线的方式传输至外部的显示或纪录装置（图中未示），又运算控制模块40计算的健康状态值也可以直接传给显示单元52或是通过数据传输单元51传给显示单元52，再由显示单元52显示该待测电池的健康状态值。

请配合参阅图7所示，该输入模块30利用外部输入的数值数据或以扫描方式取得该类电池的出厂测试数据，该出厂数据包含有电池经过多次完整充/放电测试取得电池的电压、电流、容量所得的电池容量估测曲线，该电池容量估测曲线可转换为电池健康状态曲线（101），将该电池连接至检测模块10，使其对电池进行放电控制（102），检测模块10控制电池放电的电流与时间并持续量测电池的电压变化（103），当检测模块10到达所设的放电时间，即停止放电并取得电池停止放电时的电压值，待电池的电压回升至稳态时，则取得该稳态的电压值（104），检测模块10将电池放电所量测的电压值经由模拟/数字转换成为数字信号，送至记录模块20记录其电压值（105），运算控制模块40计算该电池回升至稳态的电压值减去电池停止放电时的电压值，再与电池的原始电压压差进行比较而可得到比值（106），该比值经对照预先输入的电池健康状态曲线（107），可得该电池的健康状态值（108），再在输出模块50显示该电池的健康状态或是通过通讯方式传给外部装置进行显示、沟通或整合（109）。

请参阅图8所示，关于本发明的第二较佳实施例，是与第一较佳实施例大致相同，不同的是，该电压检测程序为充电测试，其分别设定一电池停止充电的测试点以及一电压回降至稳态时的测试点，其电压分别为电池停止充电的电压值（V₁）以及回降至稳态的电压值（V₂），该停止充电的电压值（V₁）减去稳态电压值（V₂）即得到一电压压差，又电池原始电压压差再与该电压差计算可得比值，该比值经对照由充电测试取得的电池健康状态曲线，即可得该电池的健康状态值。

关于本发明的第三较佳实施例，请参阅图9、10所示，与第一、第二较佳实施例大致相同，不同的是，该电压检测程序是分别在电池放电或充电时，取得其放电或充电曲线上初始测试点的斜率（M1、M2、M3或M4），该斜率经运算控制模块40计算且对照由不同斜率数值组成的充电或放电测试的电池健康状态曲线，即可快速得到电池的健康状态。

由上述可知，本发明欲判断电池的健康状态时，不需在充饱电的条件才能测试其电池健康状态，而且不需长时间的进行完整放电步骤，通过检知与计算电池在短时间充电或放电时的电压的比值或是取得特定测试点的斜率以对照电池健康状态曲线，即可快速检测电池的健康状态做为退化的判断依据，解决现有技术无法快速判断电池的健康状态以及电池电容量错估与维修成本浪费的问题。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电池健康状态检知方法，其特征在于，包括：

提供一已知的电池健康状态曲线；

执行一电压检测程序，用以检知并记录在电池充电或放电时，在电压检测程序中所设定的多个测试点的电压值；所述电压检测程序为一放电测试或一充电测试；

当执行所述放电测试时，设定一电池停止放电的测试点的电压值与一回升至稳态电压的测试点的电压值，计算所述回升至稳态电压的测试点的电压值减去所述电池停止放电的测试点的电压值得到一电压差，然后计算所述电压差除以相对的一电池原始电压压差得到一比值；

当执行所述充电测试时，设定一电池停止充电的测试点的电压值与一回降至稳态电压的测试点的电压值，计算所述电池停止充电的测试点的电压值减去所述回降至稳态电压的测试点的电压值得到一电压差，然后计算所述电压差除以相对的一电池原始电压压差得到一比值；

将所述放电测试所得到的所述比值或所述充电测试所得到的所述比值对照所述的电池健康状态曲线，以取得电池的健康状态值。

2.如权利要求1所述的电池健康状态检知方法，其特征在于，所述电压检测程序为放电测试，取得其放电曲线上初始测试点的斜率，经计算且对照不同斜率数值组成的放电的电池健康状态曲线，以得到电池的健康状态。

3.如权利要求1所述的电池健康状态检知方法，其特征在于，所述电压检测程序为充电测试，取得其充电曲线上初始测试点的斜率，经计算且对照不同斜率数值组成的充电的电池健康状态曲线，以得到电池的健康状态。

4.一种电池健康状态检知装置，其特征在于，包括：

一检测模块，其用以连接电池，并在充电步骤或放电步骤设有多个测试点，以分别取得电池在各测试点的电压值，并转换所述电压值为数字信号；其中，在所述放电步骤是设定一电池停止放电的测试点的电压值与一回升至稳态电压的测试点的电压值；在所述充电步骤是设定一电池停止充电的测试点的电压值与一回降至稳态电压的测试点的电压值；

一运算控制模块，其与所述检测模块电连接，当执行一放电测试时，计算所述回升至稳态电压的测试点的电压值减去所述电池停止放电的测试点的电压值得到一电压差，然后计算所述电压差除以相对的一电池原始电压压差得到一比值；当执行一充电测试时，计算所述电池停止充电的测试点的电压值减去所述回降至稳态电压的测试点的电压值得到一电压差，然后计算所述电压差除以相对的一电池原始电压压差得到一比值；将所述放电测试所得到的所述比值或所述充电测试所得到的所述比值与对应所述电池的一电池健康状态曲线进行比对，以取得所述电池的健康状态值；

一输出模块，其与所述运算控制模块电连接，以输出所述运算控制模块所取得的电池健康状态值。

5.如权利要求4所述的电池健康状态检知装置，其特征在于，所述运算控制模块连接有一记录模块与一输入模块，所述记录模块用以记录所述检测模块传送至所述运算控制模块的数字信号，以及纪录所述输入模块或所述运算控制模块的数据；所述输入模块用以输入所述电池的种类或型号以及对应所述电池的健康状态曲线。

6.如权利要求5所述的电池健康状态检知装置，其特征在于，所述输入模块包含有一扫描单元或一数据输入单元。

7.如权利要求4至6中任一项所述的电池健康状态检知装置，其特征在于，所述检测模块包含有一量测单元与一充/放电控制单元，充/放电控制单元是与所述量测单元电连接，所述量测单元是与电池连接。

8.如权利要求7所述的电池健康状态检知装置，其特征在于，所述检测模块包含有一滤波控制单元与一数据量测单元，所述滤波控制单元是分别与所述充/放电控制单元以及所述数据量测单元电连接，并由所述数据量测单元与所述运算控制模块电连接。