TW201329476A - 電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置 - Google Patents

電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置 Download PDF

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Abstract

一種電池分析裝置，適於具有至少一電池芯的電池模組。此裝置包括電源供應單元、訊號擷取單元、訊號調節單元、頻域分析單元、時域分析單元與處理單元。電源供應單元提供變頻電壓訊號至電池芯。訊號擷取單元擷取電池芯回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。訊號調節單元調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與電流訊號。頻域分析單元與時域分析單元分別對調節後的變頻電壓訊號與電流訊號進行頻域分析與時域分析，以獲得頻域參數與時域參數。處理單元依據頻域參數、時域參數，以取得對應電池芯的電化學特徵。

Description

電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置
一種阻抗分析技術，特別有關於一種電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置。
隨著車輛科技的發展，縮短了人與人之間的距離，也促使人類生活品質的提升。使用石化燃料的車輛所運轉的是使用液態燃料的引擎，並且量測車輛燃料的剩餘量並不難。但是，隨著環保意識抬頭與避免對能源(石油)的過度依賴，具有低環境污染、低噪音、污染源易控制且使用能源多元化的電動車輛(Electric Vehicle,EV)變為廣受注目的焦點。
一般來說，電動車輛使用儲存於電池的電能而驅動。但對於電力驅動車輛來說，經常的會有大電流的充放電過程，因此電池的電量狀態並不易精確地量測出來，因此電池的管理及分析則顯得非常重要。然而，電池的殘餘容量(State of Charge,SOC)及電池的健康狀態(State of Healthy,SOH)皆可反映在電池內部阻抗的變化上，因此一般皆知可由電池的直流內阻及溫度來估測電池的殘餘容量與健康狀態。其中，電池的殘餘容量即表示電池的電量狀態，電池的健康狀態亦為電池之狀態參數，其為一種量化地表示因老化效應而造成的電池內部阻抗之變化參數。因此，藉由檢查電池健康狀態可讓使用者知更換電池的適當時間。
前述檢測電池的作法目前主流大都使用阻抗追蹤技術，其主 要使用直流阻抗(DC Impedance)和開廻路電壓(Open Circuit Voltage)去計算電池化學容量，並配合查表方式(Look-Up Table)，進而估算出電池的殘餘容量與健康狀態。但是，前述的開迴路電壓並非電池於離線狀態(Off-Line State)下所測量而得，故利用查表的方式而對應出電池之殘餘容量與健康狀態的準確性上是值得商確的。另外，前述的開迴路電壓需於輕載或休息狀態下量測，且需在特定充放電過程中才能進行容量之更新，而無法在任一時間即時得知之電池訊息。因此，如何有效即時得知電池的內部參數特性並推得電池之殘餘容量與健康狀態則是首要之課題。
本揭露之一實施範例在於提供一種電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置。
本揭露之一實施範例提出一種電池分析裝置，其適於電池模組，而此電池模組具有至少一電池芯。前述電池分析裝置包括電源供應單元、訊號擷取單元、訊號調節單元、頻域分析單元、時域分析單元與處理單元。電源供應單元用以提供變頻電壓訊號至前述電池芯，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。訊號擷取單元用以擷取前述電池芯回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。訊號調節單元耦接電源供應單元與訊號擷取單元，用以接收並調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。
頻域分析單元耦接訊號擷取單元，用以接收調節後的變頻電 壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得頻域參數。時域分析單元耦接訊號擷取單元，用以接收調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的變頻電流訊號進行時域分析，以獲得時域參數。處理單元耦接頻域分析單元與時域分析單元，用以接收並依據頻域參數、時域參數，以取得對應前述電池芯的電化學特徵。
本揭露之之一實施範例提出一種電池分析方法，適於電池模組，此電池模組具有至少一電池芯。前述電池分析方法包括下列步驟。提供變頻電壓訊號至前述電池芯，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。擷取前述電池芯回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得頻域參數。對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行時域分析，以獲得時域參數。依據頻域參數、時域參數，以取得對應前述電池芯的電化學特徵。
本揭露之一種阻抗分析裝置，其適於一待測物，此待測物具有一電極或至少一電池芯。此阻抗分析裝置包括電源供應單元、訊號擷取單元、訊號調節單元、訊號分析單元與處理單元。電源供應單元用以提供變頻電壓訊號至待測物，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。訊 號擷取單元用以擷取待測物回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。訊號調節單元耦接電源供應單元與訊號擷取單元，用以接收並調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。訊號分析單元耦接訊號擷取單元，用以接收調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析及/或時域分析，以對應獲得頻域參數及/或時域參數。處理單元耦接訊號分析單元，用以接收並依據頻域參數及/或時域參數，以取得對應待測物的阻抗變化特徵。
有關本揭露的特徵與實作，茲配合圖式作實施例詳細說明如下。
以下所列舉的各實施例中，將以相同的標號代表相同或相似的元件。
請參考「第1圖」所示，其係為依據本揭露之電池分析裝置一實施例的方塊圖。本實施例的電池分析裝置100適用於電池模組180，而此電池模組180包括電池芯181。電池分析裝置100包括電源供應單元110、訊號擷取單元120、訊號調節單元130、頻域分析單元140、時域分析單元150與處理單元160。
電源供應單元110用以提供變頻電壓訊號至電池芯181，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。其中，第一頻率與第二頻率彼此互不相同，例如第 二頻率大於第一頻率。
舉例來說，第一頻率例如為1Hz，第二頻率例如為100Hz，則變頻電壓訊號的多個頻率的範圍介於1Hz與100Hz之間。在一實施例中，變頻電壓訊號的多個頻率例如依序為1Hz(第一頻率)、2Hz、3Hz、…、99Hz、100Hz(第二頻率)，亦即變頻電壓訊號具有100個頻率，且這100個頻率之間的頻率間隔為1Hz。也就是說，當電池分析裝置100開始操作時，電源供應單元110先提供1Hz(第一頻率)之頻率的變頻電壓訊號給電池芯181，且例如以每次間隔1Hz的方式改變變頻電壓訊號的頻率，並依序提供2Hz、3Hz、…，直到提供100Hz(第二頻率)之頻率的變頻電壓訊號給電池芯181，以完成對電池芯181的擾動。
在另一實施例中，變頻電壓訊號的多個頻率例如依序為1Hz(第一頻率)、50Hz、100Hz(第二頻率)，亦即變頻電壓訊號具有3個頻率，且這3個頻率之間的頻率間隔為50Hz。但本揭露不限於此，變頻電壓訊號之頻率的數量以及頻率間隔，可由使用者視其需求自行調整。
訊號擷取單元120用以擷取電池芯181回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。也就是說，電池芯181接收到前述變頻電壓訊號後，會對應產生電流訊號，而訊號擷取單元120會將電池芯181所產生的電流訊號擷取出來，例如擷取電流訊號的振幅(Amplitude)與相位(Phase)，以進行後續的操作。
訊號調節單元130耦接電源供應單元110與訊號擷取單元 120，用以接收並調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。舉例來說，訊號調節單元130例如可將變頻電壓訊號與電流訊號放大，以進行後續的分析操作。
頻域分析單元140耦接訊號擷取單元130，用以接收調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得頻域參數。時域分析單元150耦接訊號擷取單元130，用以接收調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行時域分析，以獲得時域參數。
處理單元160耦接頻域分析單元140與時域分析單元150，用以接收並依據頻域參數與時域參數，以取得對應電池芯181的電化學特徵。而電池芯181的等效模型可如「第2圖」所示，且電池芯181的電化學特徵可藉由如下式(1)、(2)而推得：
其中，V max sin(2πf n t)為變頻電壓訊號；I n sin(2πf n t-)為電池芯181回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號；Z n 為電池芯181的阻抗大小；為相位角；Rn為Z n ∠換算後的實部，其可以對應電池芯181之等效模型的直流阻抗Ro、電極-電解質反應電阻Rct、Warburg阻抗Zw；Xn為Z n ∠換算後的虛部，其可以對應電池芯181之等效模型的電容Cd、電感Ld、Warburg阻抗Zw；V為電池 芯181的理想電壓；n為大於等於1的正整數，其表示每一個頻率。
舉例來說，當n=1，表示前述參數於頻率等於1Hz(例如第一頻率)時求得，當n=2，表示前述參數於頻率等於2Hz時求得，以此類推直到例如n=100，表示前述的參數於頻率等於100Hz(例如第二頻率)時求得為止。如此一來，藉由前述的頻域分析與時域分析，可獲得更多且較準確對應於電池芯181的內部參數特徵，使得對電池模組180之殘餘容量與健康狀態的判斷上可更加準確。
接著，在得知電池芯的181的電化學特徵後，處理單元160更可依據電池芯181的電化學特徵與溫度訊號(例如對電池芯181進行分析時的當前環境溫度)，以估算電池芯181的殘餘容量與健康狀態。如此一來，可在不需配合電池資料庫的情況下，達到即時線上的量測，以準確地估算出電池模組180的殘餘容量與健康狀態，並將得知的殘餘容量與健康狀態即時的回報給後端的系統，以讓用者即時了解電池的使用情況，以於適當的時機更換電池。
在本實施例中，電池分析裝置100可以即時線上的方式對電池模組180的電池芯181進行分析，以將電池芯181的殘餘容量與健康狀態即時回報，進而加快電池分析速度。
前述「第2圖」所繪示之電池模組180的內部模型僅為本實施例的一種實施範例，但本揭露不限於此，亦可有其他排列組合的實施範例，但電池模組180之內部模型的等效元件都具有直流阻抗Ro、電極-電解質反應電阻Rct、Warburg阻抗Zw、電容Cd、 電感Ld。
另外，電源供應單元110包括頻率調變單元111與電壓供應單元112。頻率調變單元111用以提供前述多個頻率，其中這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。電壓供應單元112耦接頻率調變單元111，用以依據前述多個頻率，以產生變頻電壓訊號。
此外，本實施例之電池分析裝置100可以積體電路(Integrated Circuit,IC)設計的方式設置成一晶片(Chip)，且可配置於任何具有電池的電子裝置(例如智慧手機、平板電腦及筆記型電腦等)或電動車輛上，以有效、即時且精確地估算出電池的殘餘容量與健康狀態。如此，可供使用者即時了解電池的使用情況，以於適當的時機更換電池。
請參考「第3圖」所示，其係為依據本揭露之另一電池分析裝置一實施例的方塊圖。本實施例之電池分析裝置300適於電池模組380，此電池模組390包括多個電池芯391_1~392_N，其中N為大於1的正整數。電池分析裝置300包括電源供應單元310、訊號擷取單元320、訊號調節單元330、頻域分析單元340、時域分析單元350、處理單元360、偵測單元370與切換單元380。
在本實施例中，電源供應單元310、訊號擷取單元320、訊號調節單元330、頻域分析單元340、時域分析單元350與處理單元360的操作與其耦接關係可參考「第1圖」的電源供應單元110、訊號擷取單元120、訊號調節單元130、頻域分析單元140、時域分析單元150與處理單元160的相關說明，故在此不再贅述。另 外，電源供應單元310的內部電路與其操作亦可參考「第1圖」之電源供應單元110的內部電路(即頻率調變單元111與電壓供應單元112)與其操作，故在此不再贅述。
偵測單元370耦接電源供應單元310，用以偵測變頻電壓訊號的頻率是否等於第二頻率，而據以產生偵測訊號。切換單元380耦接偵測單元370與電源供應單元310，用以依據偵測訊號，而依序切換該變頻電壓訊號至電池芯391_1~391_N。
舉例來說，當電池分析裝置300與電池模組390連接並進行分析操作時，電源供應單元310會開始提供變頻電壓訊號，且變頻電壓訊號的頻率會依序由第一頻率變化(增加)至第二頻率。變頻電壓訊號的頻率例如依序由1Hz(第一頻率)、2Hz、…、99Hz、100Hz(第二頻率)。此時，切換單元380先切換與電池芯391_1連接，以將變頻電壓訊號供應給電池芯391_1，使電池芯391_1可回應於變頻電壓訊號而對應產生所需的電流訊號，以進行後續的分析操作。
接著，偵測單元370會偵測變頻電壓訊號的頻率，也就是偵測變頻電壓訊號的頻率是否等於第二頻率(例如100Hz)。若偵測出變頻電壓訊號的頻率不等於第二頻率，表示變頻電壓訊號尚未完成對電池芯391_1的擾動(亦即變頻電壓訊號的頻率尚未完成由第一頻率變化至第二頻率)，故偵測單元370不會產生偵測訊號，使得切換單元380仍保持與電池芯391_1連接。
此時，變頻電壓訊號的頻率則持續變化，若偵測出變頻電壓 訊號的頻率等於第二頻率，表示變頻電壓訊號已完成對電池芯391_1的擾動，故偵測單元370會產生偵測訊號給切換單元380。接著，切換單元380據此切換與電池芯391_2連接，以將變頻電壓訊號供應給電池芯391_2，使電池芯391_2可回應於變頻電壓訊號而對應產生所需的電流訊號，以進行後續的分析操作。
之後，若偵測出變頻電壓訊號的頻率不等於第二頻率，偵測單元370不會產生偵測訊號給切換單元380，使切換單元380保持與電池芯391_2連接。並且，變頻電壓訊號的頻率則持續變化至第二頻率，若偵測出變頻電壓訊號的頻率為第二頻率，偵測單元370會產生偵測訊號給切換單元380。接著，切換單元380據此切換與電池芯391_3連接，使電池芯391_2可回應於變頻電壓訊號而對應產生所需的電流訊號，以進行後續的分析操作。以此類推，直到切換單元380切換與電池芯391_N連接為止，使所有電池芯391_1~391_N回應於變頻電壓訊號而對應產生所需的電流訊號，以進行後續的分析操。
接著，訊號擷取單元320會依序擷取電池芯391_1~391_N回應於變頻電壓訊號而產生的多個電流訊號。訊號調節單元330接收並調節變頻電壓訊號與前述多個電流訊號，以產生多個調節後的變頻電壓訊號與多個調節後的電流訊號。頻域分析單元340對前述調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得多個頻域參數。時域分析單元350對前述調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行時域分析，以獲得多個時域參 數。最後，處理單元360接收並依據前述頻域參數、時域參數，以取得對應電池芯391_1~391_N的電化學特徵。如此，便可獲得更多且較精確對應電池芯391_1~391_N的內部參數特徵。
之後，處理單元360還可依據電池芯391_1~391_N的電化學特徵與溫度訊號(例如對電池模組390進行分析操作時的當前環境溫度)，以估算電池芯391_1~391_N(即電池模組390)的殘餘容量與健康狀態。如此一來，可在不需電池資料庫配合且不需配合電池於輕載或休息的情況下，達成即時線上的量測，以準確地估算出電池模組390的殘餘容量與健康狀態，並將得知的殘餘容量與健康狀態即時回報給後端的系統，進而讓使用者準確掌握電池的使用狀態，以選擇適當的時間點作電池的更換。
在本實施例中，電池分析裝置300可以即時線上的方式對電池模組390的電池芯391_1~391_N進行分析，以將電池芯391_1~391_N的殘餘容量與健康狀態即時回報，進而加快電池分析速度。
藉由前述「第1圖」之實施例的說明，可以歸納出一種電池分析方法。請參考「第4圖」所示，其係為依據本揭露之電池分析方法一實施例的流程圖。本實施例之電池分析方法適於電池模組，且此電池模組具有至少一電池芯。在步驟S402中，提供變頻電壓訊號至電池芯，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。在步驟S404中，擷取電池芯回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。
在步驟S406中，調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。在步驟S408中，對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得頻域參數。在步驟S410中，對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行時域分析，以獲得時域參數。在步驟S412中，依據頻域參數、時域參數，以取得對應電池芯的電化學特徵。在步驟S414中，依據對應電池芯的電化學特徵與溫度訊號，以估算電池芯的殘餘容量與健康狀態。
在本實施例中，電池分析方法可以即時線上的方式對電池模組的電池芯進行分析，以將電池芯的殘餘容量與健康狀態即時回報，進而加快電池分析速度。
藉由「第2圖」之實施例的說明，可以歸納出一種電池分析方法。請參考「第5圖」所示，其係為依據本揭露之電池分析方法一實施例的流程圖。本實施例之電流分析方法適於電池模組，此電池模組具有多個電池芯。
在步驟S502中，提供變頻電壓訊號至電池芯，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，且這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間。在步驟S504中，偵測變頻電壓訊號的頻率是否等於第二頻率。若偵測出變頻電壓訊號的頻率不為第二頻率，則進入步驟S504，以再次偵測變頻電壓訊號的頻率是否等於第二頻率，直到偵測變頻電壓訊號的頻率等於第二頻率為止，則分別進入步驟S506與S508。
若偵測出變頻電壓訊號的頻率為第二頻率，則分別進入步驟S506與S508，產生偵測訊號以及擷取電池心回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。承接步驟S506之產生偵測訊號後，進入步驟S510，判斷當前的電池芯是否為所有電池芯的最後一個。若判斷結果為是，則結束分析過程，表示所有電池模組中之所有電池新的分析操作已完成。若判斷結果為否，則進入步驟S512中，依據偵測訊號，將變頻電壓訊號切換至與下一個電池芯連接，並回到步驟S502，即提供變頻電壓訊號至電池芯(當前進行分析檢測的電池芯)，以進行另一個電池芯的分析操作。
承接前述步驟S508，即擷取電池芯回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號，則進入步驟S514，調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。在步驟S516中，對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析，以獲得頻域參數。在步驟S518中，對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行時域分析，以獲得時域參數。在步驟S520中，依據頻域參數、時域參數，以取得對應電池芯的電化學特徵。在步驟S522中，依據對應電池芯的電化學特徵與溫度訊號，以估算電池芯的殘餘容量與健康狀態。
如此一來，藉由前述電池分析分法，可即時線上量測來獲得電池模組中每一電池芯的內部參數特徵，以更準確地估算出電池模組的殘餘容量與健康狀態，進而增加電池分析的準確性。
在本實施例中，電池分析方法可以即時線上的方式對電池模 組的電池芯進行分析，以將電池芯的殘餘容量與健康狀態即時回報，進而加快電池分析速度。
請參考「第6圖」所示，其係為依據本揭露之阻抗分析裝置一實施例的方塊圖。本實施例的阻抗分析裝置600適用於待測物610，而此待測物610例如包括電極(Electrode)611(如「第6圖」所示)或電池模組180的電池芯181(如「第1圖」所示)，或相似特性之其他待測物。其中，前述電極611可為生醫應用之電極，並將電極611接觸人體，以藉由阻抗分析裝置600量測電極611的阻抗變化，以得知人體的組織異常等狀態。
阻抗分析裝置600包括電源供應單元110、訊號擷取單元120、訊號調節單元130、訊號分析單元620與處理單元630。電源供應單元110用以提供變頻電壓訊號至待測物610(亦即電極611或電池模組180的電池芯181)，其中變頻電壓訊號具有多個頻率，這些頻率的範圍介於第一頻率與第二頻率之間，而第一頻率與第二頻率彼此互不相同，例如第二頻率大於第一頻率。並且，電源供應單元110的相關操作可參考「第1圖」之實施例的說明，故在此不再贅述。
訊號擷取單元120用以擷取待測物610(亦即電極611或電池模組180的電池芯181)回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。也就是說，待測物610(亦即電極611或電池模組180的電池芯181)接收到前述變頻電壓訊號後，會對應產生電流訊號，而訊號擷取單元120會將待測物610(亦即電極611或電池模組180的電 池芯181)所產生的電流訊號擷取出來，例如擷取電流訊號的振幅與相位，以進行後續的操作。
訊號調節單元130耦接電源供應單元110與訊號擷取單元120，用以接收並調節變頻電壓訊號與電流訊號，以產生調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號。
訊號分析單元620耦接訊號擷取單元130，用以接收調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號，並對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析及/或時域分析(亦即進行以下三類分析其中之一：頻域分析、時域分析、或頻域分析與時域分析)，以對應獲得頻域參數及/或時域參數。進一步來說，訊號分析單元620可包括頻域分析單元140及/或時域分析單元150，以對調節後的變頻電壓訊號與調節後的電流訊號進行頻域分析及/或時域分析，以獲得頻域參數及/或時域參數。
處理單元630耦接訊號分析單元620，用以接收並依據頻域參數及/或時域參數，以取得對應待測物610的阻抗變化特徵。而待測物610(亦即電極611或電池芯181)的等效模型亦可如「第2圖」所示，且電極611的電化學特徵可藉由如前述式(1)、(2)而推得。
在式(1)、(2)中，V max sin(2πf n t)為變頻電壓訊號；I n sin(2πf n t-)為電極611回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號；Z n 為電極611的阻抗大小；為相位角；Rn為Z n ∠換算後的實部，其可以對應電極611之等效模型的直流阻抗Ro、電極-電解質反應電阻Rct、 Warburg阻抗Zw；Xn為Z n ∠換算後的虛部，其可以對應電極611之等效模型的電容Cd、電感Ld、Warburg阻抗Zw；V為電極611的理想電壓；n為大於等於1的正整數，其表示每一個頻率。
如此一來，藉由前述的頻域分析及/或時域分析，可獲得更多且較準確對應於電極611的內部參數特徵，使得對電極611之狀態變化的判斷上可更加準確。
在本實施例中，阻抗分析裝置600可以即時線上的方式對待測物610(即電極611或電池模組180的電池芯181)進行分析，以將待測物610的狀態即時回報，進而加快待測物610分析速度。
另外，本實施例之阻抗分析裝置600可以積體電路設計的方式設置成一晶片。並且，當待測物610為電池模組180的電池芯181時，阻抗分析裝置600可配置於任何具有電池的電子裝置(例如智慧手機、平板電腦及筆記型電腦等)或電動車輛上，以有效、即時且精確地估算出電池的殘餘容量與健康狀態。如此，可供使用者即時了解電池的使用情況，以於適當的時機更換電池。
當待測物610為電極611時，阻抗分析裝置600可以“侵入式”或“非侵入式”的方式配置於人體，以有效、即時且精確地估算出人體的變化狀態(例如組織變異)，以供使用者即時了解自己的人體情況。
進一步來說，處理單元630還包括無線發射單元710、無線接收單元720與分析單元730，如「第7圖」一實施例所示。其中，無線發射單元710耦接訊號分析單元620，用以接收頻域參數及/ 或時域參數，並將頻域參數及/或時域參數轉換成無線訊號，以將無線訊號發射出去。無線接收單元720，用以接收無線發射單元710所發射的無線訊號。
在本實施例中，無線發射單元710與無線接收單元720例如透過WIFI、WIMAX或其他無線通訊協定來進行訊號的傳送與接收。分析單元730耦接無線接收單元720，用以接收無線訊號，並對無線訊號進行轉換，以取得頻域參數及/或時域參數，且依據頻域參數及/或時域參數，以取得對應待測物610的阻抗變化特徵。
在一實施例中，當阻抗分析裝置600以“侵入式”的方式配置於人體內時，電源供應單元110、訊號擷取單元120、訊號調節單元130、訊號分析單元620與處理單元630的無線發射單元710可設置成一晶片，並設置於人體內且與電極611耦接，再透過無線接收單元720透過無線的方式，取得無線發射單元710所發射之具有頻域參數及/或時域參數的無線訊號，而分析單元730則可即時進行相應的分析，並將分析的結果顯示出來。如此，可有效取得電極611的阻抗變化特徵，並加以進行即時的分析，以得知人體的組織變異等狀態。
在另一實施例中，當阻抗分析裝置600以“非侵入式”的方式配置於人體內時，除了可透過上述無線的方式取得訊號外，處理單元630亦可透過有線的方式與訊號分析單元620耦接，以取得頻域參數及/或時域參數，進行相應的分析。如此一來，本實施例之阻抗分析裝置600除了可取得電池芯181的殘餘容量與健康 狀態外，還可進一步應用於生醫方面，亦即透過取得配置於人體之電極611的相關阻抗變化，以即時分析並取得人體的組織變異等狀態。
本揭露之實施例的電池分析裝置與方法及阻抗分析裝置，其藉由提供由第一頻率變化至第二頻率的變頻電壓訊號至待測物(譬如電極或電池模組的至少一電池芯，以及具相似特性之其他待測物)，以取得待測物回應於變頻電壓訊號而產生的電流訊號。接著，將前述電流訊號與變頻電壓訊號進行頻域分析及/或時域分析，以獲得對應待測物的阻抗變化特徵(即電極或電池的內部參數)。另外，取得電池的內部參數可再搭配當前的溫度，進而估算出電池的殘餘容量與健康狀態。如此一來，可在不需配合待測物資料庫、電池於輕載或休息的情況下，達到即時線上的量測並取得較多之待測物的內部參數，以準確地估算出待測物的狀態變化(例如電極的狀態變化或電池芯的殘餘容量與健康狀態)。並且，將得知待測物的狀態(例如電極的狀態變化或電池芯的殘餘容量與健康狀態)即時的回報，以增加使用者了解自己的人體情況，或掌握待測物之使用狀態準確性，以在適當的時間點作待測物(例如電池等)的狀態回報或更換。
雖然本揭露以前述之範例實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何熟習此項技藝者，在不脫離本揭露之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300‧‧‧電池分析裝置
110、310‧‧‧電源供應單元
111‧‧‧頻率調變單元
112‧‧‧電壓供應單元
120、320‧‧‧訊號擷取單元
130、330‧‧‧訊號調節單元
140、340‧‧‧頻域分析單元
150、350‧‧‧時域分析單元
160、360、630‧‧‧處理單元
370‧‧‧偵測單元
380‧‧‧切換單元
180、390‧‧‧電池模組
181、391_1~391_N‧‧‧電池芯
600‧‧‧阻抗分析裝置
610‧‧‧待測物
611‧‧‧電極
620‧‧‧訊號分析單元
710‧‧‧無線發射單元
720‧‧‧無線接收單元
730‧‧‧分析單元
Ro‧‧‧直流阻抗
Rct‧‧‧電極-電解質反應電阻
Zw‧‧‧Warburg阻抗
Cd‧‧‧電容
Ld‧‧‧電感
V‧‧‧理想電壓
第1圖係為依據本揭露之電池分析裝置一實施例的方塊圖。
第2圖係為依據本揭露之電池芯的等效模型示意圖。
第3圖係為依據本揭露之另一電池分析裝置一實施例的方塊圖。
第4圖係為依據本揭露之電池分析方法一實施例的流程圖。
第5圖係為依據本揭露之另一電池分析方法一實施例的流程圖。
第6圖係為依據本揭露之阻抗分析裝置的實施例方塊圖。
第7圖係為依據本揭露之另一阻抗分析裝置的實施例方塊圖。
100‧‧‧電池分析裝置
110‧‧‧電源供應單元
111‧‧‧頻率調變單元
112‧‧‧電壓供應單元
120‧‧‧訊號擷取單元
130‧‧‧訊號調節單元
140‧‧‧頻域分析單元
150‧‧‧時域分析單元
160‧‧‧處理單元
180‧‧‧電池模組
181‧‧‧電池芯

Claims (18)

  1. 一種電池分析裝置，適於一電池模組，該電池模組具有至少一電池芯，該電池分析裝置包括：一電源供應單元，用以提供一變頻電壓訊號至該至少一電池芯，其中該變頻電壓訊號具有多個頻率，該些頻率的範圍介於一第一頻率與一第二頻率之間；一訊號擷取單元，用以擷取該至少一電池芯回應於該變頻電壓訊號而產生的一電流訊號；一訊號調節單元，耦接該電源供應單元與該訊號擷取單元，用以接收並調節該變頻電壓訊號與該電流訊號，以產生調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號；一頻域分析單元，耦接該訊號擷取單元，用以接收調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號，並對調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號進行一頻域分析，以獲得一頻域參數；一時域分析單元，耦接該訊號擷取單元，用以接收調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號，並對調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號進行一時域分析，以獲得一時域參數；以及一處理單元，耦接該頻域分析單元與該時域分析單元，用以接收並依據該頻域參數、該時域參數，以取得對應該至少一電池芯的電化學特徵。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池分析裝置，其中該處理單元更依據該至少一電池芯的電化學特徵與一溫度訊號，以估算該至少一電池芯的殘餘容量與健康狀態。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之電池分析裝置，其中該電源供應單元包括：一頻率調變單元，用以提供該些頻率；以及一電壓供應單元，耦接該頻率調變單元，用以依據該些頻率，以產生該變頻電壓訊號。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之電池分析裝置，其中該電池模組中之該至少一電池芯的個數為多數個，該電池分析裝置更包括：一偵測單元，耦接該電源供應單元，用以偵測該變頻電壓訊號的頻率是否等於該第二頻率，而據以產生一偵測訊號；以及一切換單元，耦接該偵測單元與該電源供應單元，用以依據該偵測訊號，而依序切換該變頻電壓訊號至該些電池芯；其中，該訊號擷取單元依序擷取該些電池芯回應於該變頻電壓訊號而產生的多個電流訊號，該訊號調節單元接收並調節該變頻電壓訊號與該些電流訊號，以產生多個調節後的該些變頻電壓訊號與多個調節後的該些電流訊號，該頻域分析單元對該些調節後的該變頻電壓訊號與該些調節後的該些電流訊號進行該頻域分析，以獲得多個頻域參數，該時域分析單元對該 些調節後的該些變頻電壓訊號與該些調節後的該些電流訊號進行該時域分析，以獲得多個時域參數，該處理單元接收並依據該些頻域參數、該些時域參數，以取得對應該些電池芯的電化學特徵。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電池分析裝置，其中該處理單元更依據該些電池芯的電化學特徵與一溫度訊號，以估算該些電池芯的殘餘容量與健康狀態。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之電池分析裝置，其中該電池分析裝置以即時線上的方式對該電池模組進行分析。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之電池分析裝置，其中該電池分析裝置可以積體電路設計的方式設置成一晶片，且可配置於任何具有電池的電子裝置上。
  8. 一種電池分析方法，適於一電池模組，該電池模組具有至少一電池芯，該電池分析方法包括：提供一變頻電壓訊號至該至少一電池芯，其中該變頻電壓訊號具有多個頻率，該些頻率的範圍介於一第一頻率與一第二頻率之間；擷取該至少一電池芯回應於該變頻電壓訊號而產生的一電流訊號；調節該變頻電壓訊號與該電流訊號，以產生調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號；對調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號進行 一頻域分析，以獲得一頻域參數；對調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號進行一時域分析，以獲得一時域參數；以及依據該頻域參數、該時域參數，以取得對應該至少一電池芯的電化學特徵。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池分析方法，更包括：依據對應該至少一電池芯的電化學特徵與一溫度訊號，以估算該至少一電池芯的殘餘容量與健康狀態。
  10. 如申請專利範圍第8項所述之電池分析方法，其中提供該變頻電壓訊號至該至少一電池芯的步驟包括：提供該些頻率；以及依據該些頻率，產生對應該些頻率的該變頻電壓訊號。
  11. 如申請專利範圍第8項所述之電池分析方法，其中該電池模組中之該至少一電池芯的個數為多數個，該電池分析方法更包括：偵測該變頻電壓訊號的頻率是否等於該第二頻率；若該變頻電壓訊號的頻率不等於該第二頻率，則回到偵測該變頻電壓訊號的頻率是否為該第二頻率的步驟；若該變頻電壓訊號的頻率等於該第二頻率，產生一偵測訊號以及進入擷取該至少一電池芯回應於該變頻電壓訊號而產生的該電流訊號的步驟；以及依據該偵測訊號，切換該變頻電壓訊號至與該些電池芯的 下一個連接，並回到提供該變頻電壓訊號至該至少一電池芯的步驟。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之電池分析方法，其中產生該偵測訊號的步驟之後更包括：判斷該電池芯是否為該些電池芯的最後一個；以及若判斷出該電池芯不為該些電池芯的最後一個，則進入依據該偵測訊號，切換該變頻電壓訊號至與該些電池芯的下一個連接的步驟。
  13. 如申請專利範圍第8項所述之電池分析方法，其中該電池分析方法以即時線上的方式對該電池模組進行分析。
  14. 一種阻抗分析裝置，適於一待測物，該待測物具有一電極或至少一電池芯，該阻抗分析裝置包括：一電源供應單元，用以提供一變頻電壓訊號至該待測物，其中該變頻電壓訊號具有多個頻率，該些頻率的範圍介於一第一頻率與一第二頻率之間；一訊號擷取單元，用以擷取該待測物回應於該變頻電壓訊號而產生的一電流訊號；一訊號調節單元，耦接該電源供應單元與該訊號擷取單元，用以接收並調節該變頻電壓訊號與該電流訊號，以產生調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號；一訊號分析單元，耦接該訊號擷取單元，用以接收調節後的該變頻電壓訊號與調節後的該電流訊號，並對調節後的該變 頻電壓訊號與調節後的該電流訊號進行一頻域分析及/或一時域分析，以對應獲得一頻域參數及/或一時域參數；以及一處理單元，耦接該訊號分析單元，用以接收並依據該頻域參數及/或該時域參數，以取得對應該待測物的阻抗變化特徵。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之阻抗分析裝置，其中該處理單元更依據該至少一電池芯的電化學特徵與一溫度訊號，以估算該至少一電池芯的殘餘容量與健康狀態。
  16. 如申請專利範圍第14項所述之阻抗分析裝置，其中該阻抗分析裝置以即時線上的方式對該待測物進行分析。
  17. 如申請專利範圍第14項所述之阻抗分析裝置，其中該阻抗分析裝置可以積體電路設計的方式設置成一晶片，且可配置於人體或任何具有電池的電子裝置上。
  18. 如申請專利範圍第14項所述之阻抗分析裝置，其中該處理單元包括：一無線發射單元，耦接該訊號分析單元，用以接收該頻域參數及/或該時域參數，並將該頻域參數及/或該時域參數轉換成一無線訊號，以發射該無線訊號；一無線接收單元，用以接收該無線訊號；以及一分析單元，耦接該無線接收單元，用以接收該無線訊號，並對該無線訊號進行轉換，以取得該頻域參數及/或該時域參數，且依據該頻域參數及/或該時域參數，以取得對應該待測 物的阻抗變化特徵。
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