TW201413272A - 電池健康狀態檢知方法與裝置 - Google Patents

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Abstract

本發明係一種電池健康狀態檢知裝置，包含有一檢測模組、一運算控制模組以及一輸出模組，運算控制模組分別與檢測模組以及輸出模組電連接，該檢測模組係對一電池進行電壓檢測，且在選定的測試點取得電池的電壓值，運算控制模組根據測試點的電壓值轉換為一比值，再與該電池已知的一電池健康狀態曲線進行比對，即可取得該電池的健康狀態值並由輸出模組輸出；運算控制模組於短時間內進行電壓檢測以得到電池的健康狀態值，而易於判斷電池的健康狀態，解決現有不易快速且簡單地判斷電池健康狀態以及產生電池電量估測誤差或有維修成本增加的問題。

Description

電池健康狀態檢知方法與裝置
本發明係一種電池健康狀態檢知裝置，尤指一種檢測電池的電壓並比對該電池已知之健康狀態曲線，即可快速得知電池當下健康狀態的檢知裝置。
隨著電池技術的發展以及人們對於節能減碳與環保的要求，使用電動載具的機會日漸增加，而為了使電動載具符合較高之續航旅程距離及性能的需求，其使用之電池組即需串聯或串並聯多數個電池以達到所需的電壓與容量，而提高電池的效率以及對電池進行退化估測便是維持前述要求的重要條件。
電動載具的主要能量來源為安裝在其內部的電池組，而電池真正可儲存的能量即為使用者考量與否需要充電的重要依據，由於現有電動載具的市場需求日漸增加，其主要是作為中短程通勤之用，大部份電動載具的使用者是居住在大樓或公寓的環境，除非在停車區域有設充電插座或充電站，否則要替電動載具充電將是一大問題，因此較佳的解決方式是於各地設置電池交換站，當電動載具於行駛時發現電力即將耗盡，使用者可就近至電池交換站付費交換已充飽電的電池，其交換費用僅需依換下電池的剩餘電量多寡進行計價，因此，電池交換站需要對換下的電池進行電池電量檢測及電池退化狀態檢測。
一般而言，在電動載具的應用，當電池當下之有效電 容量低於原廠設定之有效容量的80%時，即可將該電池視為嚴重退化，而不再符合電動載具的需求；因此，藉由電池退化狀態檢測，可避免換下的電池因其當下之有效電容量的不同，造成電池使用時間及性能不一，而有電池電量錯估的問題。
目前市面上針對電池之電量檢測或是退化檢測的裝置主要是針對車用的鉛酸電池，常見的有電池壽命測試儀或電池檢測儀，其中，該電池壽命測試儀是利用內置之高功率的負載功率電路，由電池對負載功率電路進行大電流放電，以量測其電壓降而可得其放電的能力，並由放電能力判斷電池的退化狀態，由於電池壽命測試儀內置有高功率的負載功率電路，造成體積龐大而有攜帶不便的缺點，且因測試過程的放電電流相當大，電池測試時間不可過長，否則會有加速電池退化的問題；該電池檢測儀主要是分析電池的四項指標(電壓、冷啟動電流值、電阻、電池能量)，根據以上四項指標判斷電池的退化狀態，但主要是以量測電池的電阻(內阻)為主，透過交流內阻測量法測試電池的內阻值，而可對應得到電池的容量，不過電池檢測儀測量電池容量時，車輛必須熄火超過一個小時以上，且僅能針對單顆電池量測，無法於串聯多個電池時分別測量各電池容量。
因此現有用於偵測電池之健康狀態(SOH：State Of Health)的技術，如美國專利公開第20070252600號「電池健康狀態之診斷方法(Diagnosis method for state-of-health of batteries)」，其以一定電流進行長時間放電，再 測量電池的電壓值，觀察其電壓變化率，進而判斷該電池的健康狀態是否有異常，由於電池需進行長時間放電，且僅能判斷是否發生退化，而無法快速且即時得知電池當下的健康狀態的問題。
而如美國專利公開第20090128097號「追蹤電池健康狀態之系統與方法(Method and system for tracking battery state of health)」，由一充電裝置、一充電計時裝置與一處理單元組成，透過對待測電池充電與計時，計算該電池於充電過程中之電容量，再與電池預設之電容量比較，而可判斷該電池的健康狀態，由於其使用累計法，判斷時間長且無法快速檢測，加上需有特殊設計的濾波器，因此無法即時檢知該電池的健康狀態。
由上述可知，現有針對電池之電量檢測的裝置多是使用電流法與內阻法進行測量，其中，該電流法是使用特定電流放電方式，量測並觀察電壓的變化率，以作為電池健康狀態的判斷依據，其缺點是電池需進行完整充、放電步驟，造成放電時間過長，而且只能判斷電池是否健康，無法判斷其健康程度；該內阻法需提供電池一外部的輸入電壓，由該輸入電壓量測電池的內阻值，再經計算以判斷電池的退化狀態，其缺點是偵測裝置規格與成本較高，且需要多個次系統組成；該累計法是在電池放電過程中持續量測與記錄電池的電荷，待完成放電步驟後再與該電池的原始記錄值相比較，以判別電池的健康狀態，其缺點是需完整的放電步驟，造成判別時間過長而無法快速檢測，且需有特殊設計的濾波器輔助。
綜上所述，現有針對電池的電量檢測或是退化檢測的裝置或方法皆有其限制與缺點，例如電流法需要長時間放電造成檢測時間過長，而且只能判斷電池健康與否，無法判斷電池的健康程度；內阻法的系統規格要求較高，需由多個次系統組成，造成設置成本過高；累計法的判斷時間長，因此無法快速檢測，而且須有特殊之濾波器設計；因此，現有電動載具上的電池容量顯示裝置，若無加入電池退化估測的參數，將會致使駕駛者讀取到有誤差或過高之電容量值，產生誤判行駛距離的困擾；此外，若是以電池交換方式更換電力耗盡的電池，則會面臨欲付費交換電池時，可能因更換的電池壽命長短不同、使用時間與性能不一以及電池殘餘容量不準確而有電量估測誤差的問題，加上電池交換站無法有效針對換下的電池依據其健康狀態或退化程度進行維修，以分別更換嚴重退化的電池芯，造成更換整組電池芯會有浪費與維修成本增加的問題。
如前揭所述，現有技術針對電池的健康狀態仍無法有效的即時得到檢知結果，換下的電池易因使用時間與性能不一以及電池殘餘容量不準確而有電量估測誤差的問題，而電池交換站則無法有效的對換下的電池依據其健康狀態或退化程度進行維修，造成維修成本增加的問題，因此本發明主要目的在提供可快速檢測電池健康狀態的一電池健康狀態檢知方法與裝置，主要是於電池充電或放電時選定測試點，由測試點所得之電壓比值與電池原始的健康狀態 曲線進行比對，即可得到電池的健康狀態值，做為電池退化與電容量修正的判斷依據，解決現有技術無法快速判斷電池的健康狀態，而產生維修成本增加以及電池電容量錯估等問題。
為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述電池健康狀態檢知方法包含有：提供一已知的電池健康狀態曲線；執行一電壓檢測程序，用以檢知並記錄電池於電壓檢測程序中所設定之複數個測試點的電壓值；計算該等測試點之間的電壓差以及相對電池原始電壓壓差的比值，並以該比值對照前述的電池健康狀態曲線，以取得電池的健康狀態值。為達成前述目的所採取的主要技術手段係令前述電池健康狀態檢知裝置包含有：一檢測模組，其用以連接電池，並於充電或放電步驟中設有複數個測試點，以分別取得電池於各測試點的電壓值，並轉換為數位訊號；一運算控制模組，其與檢測模組電連接，取得各測試點的電壓值以及相對電池原始電壓壓差以計算比值，並以該比值與對應該電池的一電池健康狀態曲線進行比對，以取得該電池的健康狀態值；一輸出模組，其與運算控制模組電連接，以輸出運算控制模組所取得之電池健康狀態值。
利用前述元件組成的電池健康狀態檢知裝置，由運算控制模組取得對應該電池的電池健康狀態曲線，且令檢測 模組控制與其連接的電池進行充電或放電，以分別在選定的測試點取得電池的電壓值，運算控制模組經計算電壓值與電壓壓差可得到比值，該比值經對照電池健康狀態曲線，即可得到該電池的健康狀態值，並由輸出模組輸出該電池的健康狀態，藉此，運算控制模組僅需經計算測試點對應的比值並對照已知的電池健康狀態曲線，可快速檢測電池的健康狀態以及判斷電池的有效容量與壽命長短，解決現有技術無法快速判斷電池的健康狀態的缺點，以及電池電容量錯估與維修成本浪費的問題。
關於本發明的第一較佳實施例，主要係預先對一電池進行多次且完整的充/放電測試(Life Cycle Test，其充放電的特性曲線如圖1所示)，以對該電池進行電池容量估測，於本較佳實施例中，該電池是一種鋰鐵電池，其全充/放電測試的電壓是介於3.6V至2.6V之間，如此進行固定充/放電速率(C-rate)之連續且重複循環的充放電測試，可得到如圖2所示之電容量與電池充放電次數之關係圖。
如圖2所示該電池之原始電容量約為9Ah，在經過連續循環之反覆充放電50次後，電池的電容量會降低至約為7.8Ah，僅約為原始電容量之87%。因此可知該電池經多次完整的充/放電測試後，其電容量已有13%的退化，藉由上述測試可輕易取得該電池之電容量衰退與使用次數的一關係曲線(適配曲線)。
而在上述對電池的充/放電測試過程中，導入電壓檢測 程序，以建立正規化之電壓差比值與連續循環充放電次數之關係，其結果會如圖3所示之電池容量估測曲線，此外，此正規化之電壓差比值以不同充/放電率(0.4C、0.6C、0.8C與1.0C)進行測試與比較後，不同放電率所得的曲線雖高低略有不同，不過電池退化的整體趨勢是相同的。
藉由整合上述之充/放電測試的資料，經運算後可得如圖4所示之電池健康狀態(State-of-Health,SOH)曲線，此電池健康狀態曲線即可做為該類電池之健康狀態的檢測與判斷依據，又不同種類之電池或由不同材料組成之電池，其所得到之電池健康狀態曲線則略有不同。
如圖5所示，係為本較佳實施例中有關檢知電池健康狀態之電壓檢測程序的其中一種測試方式，該測試方式是透過控制電池放電電流與時間的方式，以得到電池的放電曲線，當電池放電到達所設的放電時間(T1)時，即停止放電並取得電池停止放電時之測試點的電壓值(V1)，待電池經過一段時間(T2)取得其回升至穩態電壓之測試點的電壓值(V2)，該電池回升至穩態之測試點的電壓值(V2)減去電池停止放電時之測試點的電壓值(V1)，再與電池之原始電壓壓差(△V origin )進行比較而可得到一比值(VR：Voltage-Difference Ratio)，其中該原始電壓壓差(△V origin )為電池尚未退化時，對電池進行上述測試所得的數值，而該比值(VR)為 將該比值(VR)對照上述測試方式所建立之電池健康狀態曲線即可得該電池現有的健康狀態值，例如，電池之原始電壓壓差(△V origin )為0.199V，電池停止放電的時間為T1秒，停止放電的電壓值(V1)為3.125V，而電池回升至穩態的時間為T2秒，回升至穩態的電壓值(V2)為3.3V如此，可計算出該比值為 該比值(0.88)經對照圖4的電池健康狀態曲線可得該電池的健康狀態值約為93.2%，意謂著電池原始可用電容量若為10Ah，則經該測試方式後可知該電池當下之可用電容量實為9.32Ah，如此藉由對電池進行短時間放電並計算比值，即可快速得知該電池的健康狀態。
如圖6所示，該電池健康狀態檢知裝置包含有一檢測模組10、一與檢測模組10連接的記錄模組20、一輸入模組30、一分別與記錄模組20以及輸入模組30連接的運算控制模組40以及一與運算控制模組40連接的輸出模組50，其中，
該檢測模組10包含有一量測單元11、一充/放電控制單元12、一濾波控制單元13以及一資料量測單元14，充/放電控制單元12分別與量測單元11以及濾波控制單元13電連接，又資料量測單元14是與濾波控制單元13電連接，該量測單元11連接至一待測的電池，充/放電控制單元12用以控制該電池之放電的電流與時間，且設定有複數個測試點，以分別取得電池於複數個測試點的電壓值 ，該等測試點的電壓值是如圖5所示之電池停止放電時的電壓值(V1)以及電池回升至穩態的電壓值(V2)，並由濾波控制單元13進行濾波處理，再經資料量測單元14將濾波後之電壓值或電流值的類比訊號轉換為數位訊號。
該記錄模組20用以記錄資料量測單元14傳送的數位訊號或資料，並可紀錄輸入模組30或運算控制模組40的資料。
該輸入模組30用以接收外部輸入該電池的種類或型號，以及對應該電池種類或型號的電池健康狀態曲線；於本較佳實施例中，該輸入模組30包含有一掃描單元31或一資料輸入單元32，其可透過掃描、感應或輸入資料的方式從外部取得待測電池的種類或型號，以及由外部輸入對應該電池種類或型號的電池健康狀態曲線，並可進一步將外部輸入之電池健康狀態曲線透過運算控制模組40儲存於記錄模組20中，以利使用者可由內部直接取得對應該電池的電池健康狀態曲線。
該運算控制模組40是依據記錄模組20儲存的數位訊號進行運算，其取得充/放電控制單元12之各測試點電壓值的數位訊號，進行計算以得到前述之比值，並以該比值與由記錄模組20儲存或是由輸入模組30取得的電池健康狀態曲線進行比對，以得到該待測電池的健康狀態值，可直接且快速判斷該待測電池的健康狀態。
該輸出模組50用以輸出或顯示運算控制模組40計算之電池的健康狀態值，其包含有一資料傳輸單元51與一顯示單元52，該運算控制模組40計算的健康狀態值可經 由資料傳輸單元51將其以有線或無線的方式傳輸至外部的顯示或紀錄裝置(圖中未示)，又運算控制模組40計算的健康狀態值也可以直接傳給顯示單元52或是透過資料傳輸單元51傳給顯示單元52，再由顯示單元52顯示該待測電池的健康狀態值。
請配合參閱圖7所示，該輸入模組30利用外部輸入之數值資料或以掃瞄方式取得該類電池的出廠測試資料，該出廠資料包含有電池經過多次完整充/放電測試取得電池之電壓、電流、容量所得的電池容量估測曲線，該電池容量估測曲線可轉換為電池健康狀態曲線(101)，將該電池連接至檢測模組10，使其對電池進行放電控制(102)，檢測模組10控制電池放電的電流與時間並持續量測電池的電壓變化(103)，當檢測模組10到達所設的放電時間，即停止放電並取得電池停止放電時的電壓值，待電池的電壓回升至穩態時，則取得該穩態的電壓值(104)，檢測模組10將電池放電所量測的電壓值經由類比/數位轉換成為數位訊號，送至記錄模組20記錄其電壓值(105)，運算控制模組40計算該電池回升至穩態的電壓值減去電池停止放電時的電壓值，再與電池之原始電壓壓差進行比較而可得到比值(106)，該比值經對照預先輸入之電池健康狀態曲線(107)，可得該電池的健康狀態值(108)，再於輸出模組50顯示該電池的健康狀態或是透過通訊方式傳給外部裝置進行顯示、溝通或整合(109)。
請參閱圖8所示，關於本發明的第二較佳實施例，係與第一較佳實施例大致相同，不同的是，該電壓檢測程序 為充電測試，其分別設定一電池停止充電的測試點以及一電壓回降至穩態時的測試點，其電壓分別為電池停止充電的電壓值(V1)以及回降至穩態的電壓值(V2)，該停止充電的電壓值(V1)減去穩態電壓值(V2)即得到一電壓壓差，又電池原始電壓壓差再與該電壓差計算可得比值，該比值經對照由充電測試取得之電池健康狀態曲線，即可得該電池的健康狀態值。
關於本發明的第三較佳實施例，請參閱圖9、10所示，係與第一、第二較佳實施例大致相同，不同的是，該電壓檢測程序是分別於電池放電或充電時，取得其放電或充電曲線上初始測試點的斜率(M1、M2、M3或M4)，該斜率經運算控制模組40計算且對照由不同斜率數值組成之充電或放電測試的電池健康狀態曲線，即可快速得到電池的健康狀態。
由上述可知，本發明欲判斷電池的健康狀態時，不需在充飽電的條件才能測試其電池健康狀態，而且不需長時間的進行完整放電步驟，透過檢知與計算電池於短時間充電或放電時之電壓的比值或是取得特定測試點之斜率以對照電池健康狀態曲線，即可快速檢測電池的健康狀態做為退化的判斷依據，解決現有技術無法快速判斷電池的健康狀態以及電池電容量錯估與維修成本浪費的問題。
10‧‧‧檢測模組
11‧‧‧量測單元
12‧‧‧充/放電控制單元
13‧‧‧濾波控制單元
14‧‧‧資料量測單元
20‧‧‧記錄模組
30‧‧‧輸入模組
31‧‧‧掃描單元
32‧‧‧資料輸入單元
40‧‧‧運算控制模組
50‧‧‧輸出模組
51‧‧‧資料傳輸單元
52‧‧‧顯示單元
圖1：係本發明第一較佳實施例之充放電測試曲線圖。
圖2：係本發明第一較佳實施例之電池容量估計曲線圖。
圖3：係本發明第一較佳實施例之正規化電壓差曲線與連續循環充放電之關係圖。
圖4：係本發明第一較佳實施例之電池健康狀態曲線圖。
圖5：係本發明第一較佳實施例之電池放電曲線圖。
圖6：係本發明第一較佳實施例之電池健康狀態檢知裝置的電路方塊圖。
圖7：係本發明第一較佳實施例之電池健康狀態檢知裝置的流程圖。
圖8：係本發明第二較佳實施例之電池充電曲線圖。
圖9：係本發明第三較佳實施例之電池放電初始斜率的曲線圖。
圖10：係本發明第三較佳實施例之電池充電初始斜率的曲線圖。
10‧‧‧檢測模組
11‧‧‧量測單元
12‧‧‧充/放電控制單元
13‧‧‧濾波控制單元
14‧‧‧資料量測單元
20‧‧‧記錄模組
30‧‧‧輸入模組
31‧‧‧掃描單元
32‧‧‧資料輸入單元
40‧‧‧運算控制模組
50‧‧‧輸出模組
51‧‧‧資料傳輸單元
52‧‧‧顯示單元

Claims (12)

  1. 一種電池健康狀態檢知方法，包括：提供一已知的電池健康狀態曲線；執行一電壓檢測程序，用以檢知並記錄電池於電壓檢測程序中所設定之複數個測試點的電壓值；計算該等測試點之間的電壓差以及相對電池原始電壓壓壓差的比值，並以該比值對照前述的電池健康狀態曲線，以取得電池的健康狀態值。
  2. 如請求項1所述之電池健康狀態檢知方法，該電壓檢測程序為放電測試，該等測試點分別為一電池停止放電的測試點以及一回升至穩態電壓的測試點，其電壓分別為電池停止放電的電壓值以及回升至穩態的電壓值，該穩態電壓值減去停止放電的電壓值即得到一電壓差，該電壓差除以電池原始電壓壓差以得前述之比值。
  3. 如請求項1所述之電池健康狀態檢知方法，該電壓檢測程序為充電測試，該等測試點分別為一電池停止充電的測試點以及一回降至穩態電壓的測試點，其電壓分別為電池停止充電的電壓值以及回降至穩態的電壓值，該停止充電的電壓值減去穩態電壓值即得到一電壓差，該電壓差除以電池原始電壓壓差以得前述之比值。
  4. 如請求項1所述之電池健康狀態檢知方法，該電壓檢測程序為放電測試，取得其放電曲線上初始測試點的斜率，經計算且對照不同斜率數值組成之放電的電池健康狀態曲線，以得到電池的健康狀態。
  5. 如請求項1所述之電池健康狀態檢知方法，該電壓 檢測程序為充電測試，取得其充電曲線上初始測試點的斜率，經計算且對照不同斜率數值組成之充電的電池健康狀態曲線，以得到電池的健康狀態。
  6. 一種電池健康狀態檢知裝置，包括：一檢測模組，其用以連接電池，並於充電或放電步驟設有複數個測試點，以分別取得電池於各測試點的電壓值，並轉換為數位訊號；一運算控制模組，其與檢測模組電連接，取得各測試點的電壓值以及相對電池原始電壓壓差以計算比值，並以該比值與對應該電池的一電池健康狀態曲線進行比對，以取得該電池的健康狀態值；一輸出模組，其與運算控制模組電連接，以輸出運算控制模組所取得之電池健康狀態值。
  7. 如請求項6所述之電池健康狀態檢知裝置，該運算控制模組連接有一記錄模組與一輸入模組，該記錄模組用以記錄檢測模組傳送至運算控制模組的數位訊號，以及紀錄輸入模組或運算控制模組的資料；該輸入模組用以輸入該電池的種類或型號以及對應該電池的健康狀態曲線。
  8. 如請求項7所述之電池健康狀態檢知裝置，該輸入模組包含有一掃描單元或一資料輸入單元。
  9. 如請求項6至8中任一項所述之電池健康狀態檢知裝置，該檢測模組包含有一量測單元與一放電控制單元，放電控制單元是與量測單元電連接，該量測單元是與電池連接。
  10. 如請求項6至8中任一項所述之電池健康狀態檢知 裝置，該檢測模組包含有一量測單元與一充電控制單元，充電控制單元是與量測單元電連接，該量測單元是與電池連接。
  11. 如請求項9所述之電池健康狀態檢知裝置，該檢測模組包含有一濾波控制單元與一資料量測單元，該濾波控制單元是分別與放電控制單元以及資料量測單元電連接，並由資料量測單元與運算控制模組電連接。
  12. 如請求項10所述之電池健康狀態檢知裝置，該檢測模組包含有一濾波控制單元與一資料量測單元，該濾波控制單元是分別與充電控制單元以及資料量測單元電連接，並由資料量測單元與運算控制模組電連接。
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