CN104282960B - 电池模块 - Google Patents
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Abstract
一种电池模块。电池模块包括一电池组、一电压量测单元、一温度量测单元、一矩阵计算单元及一混合演算单元。电池组是被进行放电。电压量测单元用以量测电池组的一电压值矩阵。温度量测单元用以量测电池组的一温度。矩阵计算单元用以计算电压值矩阵的一范数。若范数的变化大于一预定数值且温度上升一预定温差以上达一持续时间以上，则混合演算单元降低电池模块的一目前电量一第一预定比例。若范数的变化大于预定数值且温度未上升预定温差以上，则混合演算单元降低电池模块的目前电量一第二预定比例。
Description
技术领域
本发明涉及一种电池模块，特别是涉及一种充放电电池模块。
背景技术
一般而言，电池容量计算常有计算上的暇疵，不是很不准确就是容量乱跳动。电池容量显示几乎降低到0％时，使用者插上电源连接器后，电池容量就突然跳到30％以上。或者，电池容量显示50％，但运作一个简单程序之后就突然显示电池容量降低到0％。
检测电池容量的芯片可以采用终止放电电压（End of Discharge Voltage,EDV）或阻抗追踪（Impedance Tracking,IT）。然而，这些方法并未对电池本体与外部环境特性进行计算，而造成电池容量计算上的不准确。
发明内容
本发明涉及一种电池模块，其针对电池本体与外部环境特性进行计算，以提高电池模块的量测的准确性。
根据本发明的第一方面，提出一种电池模块。电池模块包括一电池组、一电压量测单元、一温度量测单元、一矩阵计算单元及一混合演算单元。电池组被进行放电。电压量测单元用以量测电池组的一电压值矩阵。温度量测单元用以量测电池组的一温度。矩阵计算单元用以计算电压值矩阵的一范数（norm）。若范数的变化大于一预定数值且温度上升一预定温差以上达一持续时间以上，则混合演算单元降低电池模块的一目前电量（remain capacity,RC）一第一预定比例。若范数的变化大于预定数值且温度未上升预定温差以上，则混合演算单元降低电池模块的目前电量一第二预定比例。
为了对本发明的上述及其他方面有更佳的了解，下文特举较佳实施例，并结合附图详细说明如下。
附图说明
图1绘示不同负载的电池的电压与容量曲线图。
图2绘示不同温度的电池的电压与容量曲线图。
图3绘示电池的温度与容量的曲线图。
图4绘示不同负载的电池随时间的电压变化曲线与温度变化曲线。
图5绘示电池的电压与温度曲线图。
图6绘示本实施例的电池模块的示意图。
图7绘示电池模块的准确性校正方法的目前电量（remain capacity,RC）校正流程图。
图8绘示电池模块的准确性校正方法的满充容量值（full charge capacity,FCC）校正流程图。
图9绘示电池模块的准确性校正方法的充电截止电流（tapper current）校正流程图。
附图符号说明
100：电池组
200：电池管理单元
310：负载量测单元
311：电流量测单元
312：时间记录单元
313：库伦计算单元
320：电压量测单元
330：温度量测单元
340：内阻量测单元
410：动态调整单元
420：矩阵计算单元
430：充放电循环次数记录单元
500：混合演算单元
600：输出单元
1000：电池模块
S101～S110、S201～S205、S301～S305：流程步骤
具体实施方式
请参照图1，其绘示了不同负载的电池的电压与容量曲线图。五条曲线分别表示负载于2C、1.5C、1C、0.5C、0.2C的电池。在不同负载下，电池的电压与容量曲线并不一致。负载越高，容量越低。当负载移除时，电池会突然由低容量跳至高容量，导致电池容量计算的不准确。并且，电池的电压与容量曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测，由图可知最好与最差约有百分之15的损失容量。
请参照图2，其绘示了不同温度的电池的电压与容量曲线图。五条曲线分别表示位于-20℃、-10℃、0℃、23℃、45℃、60℃的电池。在不同温度下，电池的电压与容量曲线并不是一致的。温度越高，容量越高。当温度改变时，电池容量就会有不同的结果，导致电池容量计算的不准确。并且，电池的电压与容量曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测。
请参照图3，其绘示电池的温度与容量的曲线图。从图3可以更明显观察到温度在-20度至0度之间对于容量有相当明显的变化。这样的变化将导致电池容量计算的不准确。并且，电池的温度与电压曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测。
请参照图4，其绘示了不同负载的电池随时间的电压变化曲线与温度变化曲线。在不同负载下，电池随时间的电压变化曲线并不是一致的。负载越高，电压降低的速度越快。这样的情况导致电池容量计算的不准确。电池的随时间的电压变化曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测。在另一方面，在不同负载下，电池随时间的温度变化曲线并不是一致的。负载越高，温度上升的速度越快。这样的情况导致电池容量计算的不准确。电池的随时间的电压变化曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测。
请参照图5，其绘示电池的电压与温度曲线图。从电压与温度的关系来看，电压与温度曲线并不是线性曲线，而无法轻易推算与预测。
此外，请参照表一，其为电池放电的记录表。承载充电（shipping charge）为3.84伏特（V），满充电（full charge）为4.2伏特。举例来说，在温度25℃的情况下，在承载充电（3.84伏特）存放1个月之后，电池的电压由3.84伏特降至3.833伏特（即3.84伏特减去0.007伏特）。
表一：电池放电的记录表
此外，由于内部化学特性的不一致，电池的内阻也不一样。当电池的内阻很小，且电池外接的负载轻，那么分配在这个电池的电压就小；反之如果外接很重的负载，那么分配在这个电池的电压就比较大，而会有一部分功率被消耗在这个内阻上（可能转化为发热，或者是一些复杂的逆向电化学反应）。一般而言，电池出厂时的内阻是比较小的，但经过长期使用后，由于电池内部电解液的枯竭，以及电池内部化学物质活性的降低，这个内阻会逐渐增加，直到内阻大到电池内部的电量无法正常释放出来，此时电池也就「寿终正寝」了。
终上所述，电池容量受到电压、温度、负载、内阻及其他因素等错综复杂的交互影响，而导致电池容量计算的不准确。本实施例致力于各种实验以了解这些影响因素之后，提出一种电池模块及其准确性校正方法，以提升电池容量计算的准确性。
请参照图6，其绘示了本实施例的电池模块100的示意图。电池模块1000包括一电池组100、一电池管理单元200、一负载量测单元310、一电压量测单元320、一温度量测单元330、一内阻量测单元340、一动态调整单元410、一矩阵计算单元420、一充放电循环次数记录单元430、一混合演算单元500及一输出单元600。
电池组100例如是一充电电池。电池组100可以进行多次充电与放电程序，例如是一镍镉（Ni-Cd）电池、一镍氢（Ni-MH）电池、一锂（Lithium-Ion）电池、一磷酸锂铁（LiFePO4）电池或一蓄电池。
电池管理单元200用以管理与控制电池的充电与放电程序，例如是一控制芯片、一固件电路、一控制电路板或储存数组程序码的一计算机可读取记录媒体。
负载量测单元310、电压量测单元320、温度量测单元330及内阻量测单元340分别用以量测电池组100的负载、电压、温度与内阻。负载量测单元310、电压量测单元320、温度量测单元330及内阻量测单元340分别例如是一芯片组、一固件电路、一控制电路或一被动元件。
矩阵计算单元420及混合演算单元500用以接收特定数据后进行计算与演算，以输出一计算结果。矩阵计算单元420及混合演算单元500例如是一控制芯片、一固件电路、一控制电路板或储存数组程序码的一计算机可读取记录媒体。
充放电循环次数记录单元430用以记录并提供充放电循环次数。充放电循环次数记录单元430例如是一寄存器（register）、一存储器或一硬盘。
输出单元600用以输出演算结果。输出单元600例如是一讯号连接线路、一显示器、一打印机或一扩音器。
电压量测单元320、温度量测单元330、矩阵计算单元420与混合演算单元500用以根据电压及温度来对电池组100作精准度校正。内阻量测单元340、充放电循环次数记录单元430与混合演算单元500则是根据内阻来对电池组100作精准度校正。负载量测单元310及动态调整单元410则是根据负载来对电池组100作精准度调整。以上三种精准度校正程序分别以流程图说明如下。
请参照图7，其绘示了电池模块1000的准确性校正方法的目前电量（remain capacity,RC）校正流程图。从上述实验分析可以了解到，电压与温度将影响电池的准确性。以下流程图是通过电压与温度来校正目前电量（RC）。
首先，在步骤S101中，对电池组100进行充电。
接着，在步骤S102中，电压量测单元320量测电池组100的一电压值矩阵。举例来说，电池组100例如是三串联一并联（3S1P）的电池结构，每隔一间隔时间分别量测三串电池的电压，而得到三笔电压值。连续累计三个间隔时间之后，则可得到九笔电压值。这九笔电压值可以组成电压值矩阵。间隔时间例如是一分钟。第一串电池的三笔电压值排列于第一行，第二串电池的三笔电压值排列于第二行，第三串电池的电压值排列于第三行。某一时间的三串电池的三笔电压值排列于第一列，下一间隔时间的三串电池的三笔电压值排列于第二列，再下一间隔时间的三串电池的三笔电压值排列于第三列。下式（1）为电压值矩阵的一个例子。
第一个～第三个间隔时间的电压量测可以得到一个3×3电压值矩阵，第二～第四个间隔时间的电压量测可以得到另一个3×3电压值矩阵，第三个～第五个间隔时间的电压量测可以得到另一个3×3电压值矩阵，依此类推。
同样地，若电池组100为三串联二并联（3S2P）的电池结构或三串联三并联（3S3P）的电池结构，也是以每一串联的电池为一个单位来量测电压值，而得到3×3电压值矩阵。
若电池组100为四串联一并联（4S1P）的电池结构，也是以每一串联的电池为一个单位来量测电压值，而得到4×4电压值矩阵。
依此类推，若电池组100为N串联M并联（NSMP）的电池结构（N与M为自然数），也是以每一串联的电池为一个单位来量测电压值，而得到N×N电压值矩阵。
接着，在步骤S103中，矩阵计算单元420计算电压值矩阵的一范数（norm）。
然后，在步骤S104中，温度量测单元330量测电池组100的一温度。
接着，在步骤S105中，混合演算单元500判断范数的变化是否大于一预定数值。预定数值例如是0.5。若范数的变化大于预定数值，则进入步骤S106；若范数的变化不大于预定数值，则进入步骤S109。
在步骤S106中，混合演算单元500判断温度是否上升一预定温差以上达一持续时间以上。预定温差例如是3℃，持续时间例如是3分钟。若温度上升预定温差以上达持续时间以上，则进入步骤S108；若温度是没有上升预定温差以上达持续时间以上，则进入步骤S109。
在步骤S109中，混合演算单元500判断温度是否有上升。若温度有上升，则进入步骤S107；若温度未上升，则进入步骤S110。
经过步骤S105、步骤S106及步骤S109的判断之后，进入步骤S108、步骤S110或步骤S107。
在步骤S108中，混合演算单元500降低电池组100的目前电量（RC）一第一预定比例。第一预定比例例如是5％。
在步骤S110中，混合演算单元500降低电池组100的目前电量（RC）一第二预定比例。第二预定比例例如是1％。
在步骤S107中，混合演算单元500维持电池组100的目前电量（RC）。
也就是说，若范数的变化大于0.5且温度上升3℃以上达3分钟以上，则混合演算单元500降低电池模块1000的目前电量（RC）5％；若范数的变化大于0.5且没以温度上升3℃以上，则混合演算单元500降低电池模块1000的目前电量1％；若范数的变化不大于0.5，则混合演算单元500维持电池模块1000的目前电量。
请参照图8，其绘示了电池模块1000的准确性校正方法的满充容量值（full charge capacity,FCC）校正流程图。从上述实验分析可以了解到，内阻将影响电池的准确性。以下流程图是通过内阻来校正满充容量值（FCC）。
首先，在步骤S201中，对电池组100进行放电。
接着，在步骤S202中，内阻量测单元340量测电池组100的一内阻（impedance）。
然后，在步骤S203中，混合演算单元500判断电池组100的一充放电循环次数是否增加一预定次数且内阻是否上升。预定次数例如是10。若电池组100的充放电循环次数增加预定次数且内阻上升，则进入步骤S204；若电池组100的充放电循环次数没有增加预定次数或内阻没有上升，则进入步骤S205。
在步骤S204中，混合演算单元500降低电池组100的满充容量值（FCC）一第三预定比例。第三预定比例例如是0.83％。
在步骤S205中，混合演算单元500维持电池组100的满充容量值（FCC）。
也就是说，若电池组100的充放电循环次数增加10次且内阻上升，则混合演算单元500降低电池组100的满充容量值（FCC）0.83％；若电池组100的充放电循环次数尚未增加10次或内阻没有上升，则混合演算单元500维持电池组100的满充容量值（FCC）。
请参照图9，其绘示了电池模块1000的准确性校正方法的充电截止电流（tapper current）校正流程图。从上述实验分析可以了解到，负载将影响电池的准确性。以下流程图是通过负载来校正充电截止电流。
首先，在步骤S301中，对电池组100进行充电。
接着，在步骤S302中，负载量测单元310量测电池组100的一负载（load）。负载量测单元310包括一电流量测单元311、一时间记录单元312及一库伦计算单元313。电流量测单元311用以量测电池组100的电流，时间记录单元312用以记录时间。库伦计算单元133是依据电流及时间计算库伦数。通过电流量测单元311、时间记录单元312及库伦计算单元313可以量测出电池组100的负载。
然后，在步骤S303中，动态调整单元410判断负载是否大于一预定负载量。预定负载量为3安培（A）。若负载大于预定负载量，则进入步骤S304；若负载不大于预定负载量，则进入步骤S305。
在步骤S304中，动态调整单元410调整电池组100的充电截止电流（tapper current）为一第一预定电流值。第一预定电流值例如是300毫安培（mA）。
在步骤S305中，动态调整单元410调整电池组100的充电截止电流为一第二预定电流值。第二预定电流值例如是100毫安培（mA）。
也就是说，若负载大于3安培（A），则动态调整单元410调整电池组100的充电截止电流（tapper current）为300毫安培（mA）；若负载不大于3安培（A），则动态调整单元410调整电池模块1000的充电截止电流为100毫安培（mA）。
经过以上各种校正程序以后，混合演算单元500可以根据校正后的目前电量（RC）及满充容量值（FCC）来获得校正后的电池剩余容量（relative Stateof Charge,RSOC）。再根据校正后的充电截止电流（tapper current）来进行比较后，来确定电池的状况。这些数据汇整至电池管理单元200后，即可针对电池模块1000作相当精准的控制与管理。
综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明。本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围是以本发明的权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电池模块，包括：
一电池组，被进行充电，该电池组包含多个串联的电池；
一电压量测单元，用以量测该电池组的一电压值矩阵，其中通过以该电池组中每一串联的电池为一个单位，每隔一间隔时间分别量测每一串联的电池的电压值，从而利用多次量测的多个串联的电池的电压值构成该电压值矩阵；
一温度量测单元，用以量测该电池组的一温度；
一矩阵计算单元，用以计算该电压值矩阵的一范数；以及
一混合演算单元，若该范数的变化大于一预定数值且该温度上升一预定温差以上达一持续时间以上，则该混合演算单元降低该电池模块的一目前电量一第一预定比例；若该范数的变化大于该预定数值且该温度未上升该预定温差以上，则该混合演算单元降低该电池模块的该目前电量一第二预定比例。
2.如权利要求1所述的电池模块，其中该电池组包括N串电池，该电压量测单元每隔一间隔时间对各串电池量测一电压值，以组成N×N的该电压值矩阵。
3.如权利要求2所述的电池模块，其中该间隔时间为1分钟。
4.如权利要求1所述的电池模块，其中该预定数值为0.5。
5.如权利要求1所述的电池模块，其中该预定温差为3℃。
6.如权利要求1所述的电池模块，其中该持续时间为3分钟。
7.如权利要求1所述的电池模块，其中该第一预定比例为5％。
8.如权利要求1所述的电池模块，其中该第二预定比例为1％。
9.如权利要求1所述的电池模块，其中该电池组被进行放电，该电池模块还包括：
一内阻量测单元，用以量测该电池模块的一内阻；以及
一充放电循环次数记录单元，用以记录该电池组的一充放电循环次数；
其中若该电池组的一充放电循环次数增加一预定次数且该内阻上升，则该混合演算单元降低该电池组的一满充容量值一第三预定比例。
10.如权利要求1所述的电池模块，还包括：
一负载量测单元，用以量测该电池模块的一负载；以及
一动态调整单元，若该负载大于一预定负载量，则该动态调整单元调整该电池组的一充电截止电流为一第一预定电流值；若该负载不大于该预定负载量，则该动态调整单元调整该电池模块的该充电截止电流为一第二预定电流值。
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