TW201526459A - 利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法 - Google Patents

Abstract

一種利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其包括以下步驟：第一步驟：依一田口直交表對複數個鋰電池各執行一鋰電池充放電程序以獲得一組包含充電時間和放電容量之資料，該鋰電池充放電程序包含一多階段定電流充電程序及一定電流放電程序；以及第二步驟：依該組包含充電時間和放電容量之資料執行一模糊演算程序以在該組包含充電時間和放電容量之資料中找出使一輸出歸屬函數最大化之一筆目標資料。

Description

利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法

本發明係有關於一種鋰電池充電策略，特別是關於一種多階段鋰電池充電電流決定方法。

由於近年來筆記型電腦、行動電話、數位相機及各種攜帶式電子產品越來越普及，使擔任電力來源的鋰電池備受注目，為了讓鋰電池發揮最大的效能，因此需要具有高充電效率及能改善電池壽命的充電策略。由於可攜式電子產品的使用時間相當長，使得維持攜帶式電子產品運作的可充電電池的續航力與快充相關技術便備受注目；因此，對於可充電電池來說，充電器是一個相當重要的角色。選擇充電方法對電池的壽命影響很大，一般來說使用電池製造商所提供的充電方法是最直接的方法。然而，為了安全起見，電池製造商往往會建議或提供充電時間過長的充電方法，而這並不符合經濟效益。為了能在短時間內將電池的能量提高，充電方法多使用很大的充電電流進行快速充電，這種快速充電的方式往往會造成激烈的電化學反應，增加電池內部的壓力與溫度，進而造成電池毀損或壽命縮短。

在各種電池中，鋰電池具有高能量密度、高操作電壓、高輸出功率、放電平穩、工作溫度區間大、充放電循環可達500次以上、自放電 低和儲存壽命長等優點，其中由於操作電壓為3.6伏特，恰好是鎳鎘或鎳氫電池的3倍，一顆鋰電池相當於三顆鎳氫電池串聯，而大部分電腦的中央處理器(CPU)所需電壓在2.5到3.3伏特間，一顆鋰電池就可勝任了，在體積及重量的考慮下，目前大部分的可攜式電子產品都使用鋰電池。

因各種可充電電池彼此之間的化學組成成分不同，所以各種電池的優缺點也不全然相同。電池的使用壽命長短在生產過程中因組成之化學材料及結構的不同就已經受限制了，但使用不同的充電方法，也是影響電池壽命的另一個主要原因。一般常用的電池充電方法有下列幾種：定電壓(CV)、定電流(CC)、定電流-定電壓(CC-CV)、脈衝、Reflex^TM充電法、與五階段定電流充電法等；而鋰電池最常用的充電方法為定電流-定電壓(CC-CV)法，其充電時之電壓、電流與電量曲線如圖1所示，此種方法乃定電流和定電壓充電法之結合，又稱為二階段充電法。在電池充電初期，以定電流方式對電池充電，等到電池電壓到達設定之轉態電壓後，再以定電壓方式對電池充電。第一階段為定電流的好處為可以用較快的速度充到所設定的電壓；第二階段則以定電壓方式產生小充電電流，使電池不會有虛充的現象且電池較能充到飽和；當電流小於所設定之臨界值，則停止充電程序。至於充電時間的長短則要視其設定的電壓和電流來決定，但是通常還是必須花費較長的時間來對電池充電。雖然習知已有如上述之多種充電方法，但其效能仍有改進的空間。

本發明之一目的在於提供一種多階段鋰電池充電電流決定方法，其所產生的充電策略可兼顧鋰電池之充電時間和放電容量，從而提 升鋰電池之充電成本效益。

本發明之另一目的在於提供一種多階段鋰電池充電電流決定方法，其所產生的五階段充電策略，除了可在較短的時間內將鋰電池充電至一標示容量，亦可延長鋰電池的壽命。

為達到上述目的，一利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法乃被提出，其包含以下步驟： 第一步驟：依一田口直交表對複數個鋰電池各執行一鋰電池充放電程序以獲得一組包含充電時間和放電容量之資料，該鋰電池充放電程序包含一多階段定電流充電程序及一定電流放電程序，其中，該組包含充電時間和放電容量之資料係與一組多階段定電流資料相對應，且該組多階段定電流資料之各筆資料係與所述複數個鋰電池之各個鋰電池之多階段定電流值相對應；以及第二步驟：依該組包含充電時間和放電容量之資料執行一模糊演算程序以在該組包含充電時間和放電容量之資料中找出使一輸出歸屬函數最大化之一筆目標資料，從而依該組多階段定電流資料中與該筆目標資料相對應之一筆資料決定一最佳多階段定電流值設定。

為使 貴審查委員能進一步瞭解本發明之結構、特徵及其目的，茲附以圖式及較佳具體實施例之詳細說明如后。

圖1繪示一鋰電池於一充電過程中之電壓、電流與電量曲線圖。

圖2繪示一田口方法的實施流程。

圖3為本發明所採之五階段定電流充電法示意圖。

圖4為本發明所採之五階段充放電流程圖。

圖5為本發明所提出之田口方法搜尋流程圖。

圖6為本發明所採之L₁₈(2¹×3⁷)直交表。

圖7繪示圖6之L₁₈(2¹×3⁷)直交表之第一次參數設定值。

圖8為本發明所提出之一模糊控制器架構圖。

圖9(a)為本發明之一放電容量比之第一歸屬函數圖。

圖9(b)為本發明之一充電時間之第二歸屬函數圖。

圖9(c)為本發明之一輸出歸屬函數圖。

圖10繪示根據本發明所採系統之需求所定義的語意變數表格。

圖11繪示根據電池充放電實際經驗及基本知識認知所推導得到的模糊規則庫。

圖12為本發明基於田口法之最佳化充電波形搜尋操作流程圖。

圖13為本發明所採之實驗系統架構圖。

圖14為本發明第一次實驗之各階段充電電流設定表格。

圖15為根據圖14之設定進行第一次實驗所得到的結果。

圖16利用一望大特性的公式所求出S/N比的結果。

圖17-18繪示根據圖16之所述S/N比的結果轉化成品質特性因子的表格和反應圖。

圖19繪示根據圖17-18的所述品質特性因子的表格和反應圖，所得到的最佳化結果。

圖20為下一次各種因子及變動水準的設定表格。

圖21為供實驗確認之五階段充放電設定值。

圖22為根據圖21之五階段充放電設定值進行實驗所求得的充電時間與放電容量比結果。

圖23為根據圖22之所述充電時間與放電容量比結果所求得的模糊判斷輸出結果。

圖24繪示本發明利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法之一實施例。

問題的描述：本案利用田口直交表實驗法尋找出多階段充電電流的最佳值，為了同時達成較短的電池充電時間(charge time,CT)與較多的放電容量比(normalized discharge capacity,NDC)之最大化充電成本效益目標，本發明將放電容量與充電時間做為模糊控制器的輸入，其輸出數值作為評斷該充電電流成效良莠的結果。放電容量的百分比為五階段充電法與定電流-定電壓充電法之比值，範圍訂在為80%~100%，充電時間範圍訂在30分鐘至90分鐘，以符合快速充電準則。則最佳化問題為最大化充電成本效益函數，可描述為：

其中s表所有可行的充電電流樣式(pattern)的集合，為第i顆電池以最大1.5C充電電流的五階段充電時間；為第i顆電池以 相同的0.1C放電電流之五階段放電容量對CC-CV之參考放電容量之相對比值；為第i顆電池的五階段充電電流值，為對應於充電時間權重(weighting)α之非線性函數；為對應於放電容量比權重β之非線性函數。由目標函數可知，充電成本效益函數是由CT和NDC所組成，然而由電池充放電基本知識與經驗得知，充電時間與放電容量是成反比的關係，而為最大化充電成本效益，必須適當分配CT和NDC的權重值才能達成，因此本發明引用模糊控制法來適當分配兩非線性權重值函數和，完成二參數優化，以達最大化充電成本效益之目標。另外，限制條件必須被加以考量到目標函數中作為懲罰因子(penalty factor)，為符合快充準則，CT和NDC之限制範圍為[30,90]分鐘，[80%,100%]，另外五階段充電電流須限制後一階段小於前一階段。

田口法(Taguchi method)：田口玄一(Taguchi Genichi)博士引進西方的統計學，並將它應用於品質改善上，發展出獨特的「品質工程學」。由於這套理論源自西方、在日本被改良並應用在工業界上，改善了工業品質，為了回饋美國的統計學者，使美國工業界(特別是零件廠商)改善產品品質，之後被美國工業界稱為「田口方法」，這套方法使得田口玄一博士被公認為最大貢獻者。由田口玄一博士所提出的一套實驗方法，它在工業上較具有實際應用性，是以生產力和成本效益，而非困難的統計為依歸。廠商現在必須致力於在生產前就使複雜的產品能達到高品質。減少變異亦即要有較大的再現性和可靠性，而最終目的就是要為製造商和消費者節省更多的成本。

田口博士將工程系統分成主要的三個部分：系統設計 (System Design)、參數設計(Parameter Design)、公差設計(Tolerance Design)。系統設計又稱為概念設設計，一般工程師會將模組做成一系列整合，以達到產品與製程的機能需求，這個步驟就是系統設計，系統設計的成功是有賴於工程師的經驗與知識。當系統設計完成後接著就是參數的設計，這是田口方法的主要設定範圍。參數設定上必須由每一個系統下手，而每個系統對品質的變異量也有所以不一，而變異量的大小也影響著品質表現，簡單說變異量越大，品質損失亦越大，故能減少變異量，品質損失就小。會影響品質的特性因子包含控制因子、信號因子、以及干擾因子，其中，所述控制因子代表著工程師可以控制的因子，所述信號因子是由系統的使用者或另一個系統來控制，而所述干擾因子則是由內、外部的干擾或環境影響，這是工程師無法控制的部分。

當一個系統經過參數設計後，如果還想要縮短變異量提高品質，就需要公差設計。在田口方法中的公差設計，是經過調整系統參數的公差值，使得系統的變異量縮小，以降低品質損失。然而在縮小公差值時，產品成本就會提高，所以品質損失與產品成本需兼顧，方能得到最佳效益。

直交表與S/N比：直交表是由勞博士(C.R.Rao)在1947年所提出，田口博士將其引用，並提出一系列「田口式直交表」表格，希望可以較少的實驗次數就能對實驗控制因子的主效果做最正確的評估與有用的統計資訊。直交表為部分因子實驗中的一部份，它特殊的排列組合，具有將變數分離之效果，因此可藉由實驗來觀察單獨變數與響應之間的關係，進而可以找出最佳的參數組合，使響應符合期望值。雖然「偏見」通常還是不能完全排除，但 對解決系統品質問題的目的而言，田口式直交表是兼顧實驗成本及精準度下很好的折衷方法。一般參數設計上都有不同的控制因子(Control Factors)，每一個因子所帶來的結果都不同，使用全因子實驗法，可以找出最佳品質，但其實驗過程所需花費的時間與成本也是相當的龐大。田口式直交表實驗，乃是田口玄一博士改良自傳統的部份因子實驗法而得來的。其最大的特點是希望以最少的實驗組合下取得最好的資訊，雖然不如全因子真正找出確切的最佳化位置，但能以最少的實驗次數找出最佳的趨勢，可行性遠大於全因子實驗法。本發明採用的直交表是L18(2¹*3⁷)，它共有18組實驗、最多可以容納2個水準的控制因子1個，及3個水準的控制因子7個。由於本發明採用的是5階段定電流充電法，故採用3個水準的控制因子5個，其他部分則不採用。

在田口方法中所使用的S/N比做為品質指標，S/N比是從「平均品質損失」直接演變而來的。S/N比又分成三種型態：(1)望大特性(larger the better)、(2)望目特性(nominal the best)、(3)望小特性(smaller the better)。由於本案電池輸出結果經過模糊判斷後，所得到的值是希望越大越好，符合望大特性模式，故採用望大特性之S/N比之公式如(2)所示

其中S為信號品質、N為雜訊干擾、y為實際值也就是實驗結果、n為實驗次數。

田口方法實施步驟：田口方法是藉由實驗的方式來決定參數的設定，設計的目標 是尋找最佳的產品機能，並維持此一機能的穩定性，且受干擾因子影響最小。田口方法的實施可如下步驟，實施步驟流程如圖2所示：步驟1係有關問題定義：當要解決問題時，首要工作就是要在短時間對問題有明確的理解。問題的描述應包括工程系統的機能、系統內部運作原理及目前狀況(如不良率)。

步驟2係有關決定品質特性：簡單來說就是針對每一個失敗模式時，決定出觀察或測量的品質特性及理想機能。品質特性與機能的選擇會直接影響到實驗成敗。

步驟3係有關列出影響品質特性因子：列出會影響品質特性的因子，為了方便理解，將所有影響因子以要因圖表示，因為它的外形很像魚骨頭又稱「魚骨圖」。

步驟4係有關決定各種因子及變動水準：在上述中提到因子分成三類：控制因子、信號因子與干擾因子。而各因子水準變動在本案中，設定3種水準和5階段的控制因子。

步驟5係有關設計實驗直交表：根據上一步的各種因子及變動水準的數目來選擇適當的直交表，本案使用L18(2¹*3⁷)表。

步驟6係有關執行實驗：這步驟通常都是耗時與花錢的部分，而實驗是否嚴謹會直接影響到資料的分析結果與可靠度。

步驟7係有關資料分析：包括變異分析和因子反應分析，主要是在利用實驗的數據，建立「加法模式」的實驗模式。理論上，它必須可以描述控制因子及品質特性之間的關係。

步驟8係有關最佳化設定：利用數學模式來預測工程系統行 為，調整控制因子，使品質特性更靠近理想機能，這種設計稱為最佳設計。

步驟9係有關確認實驗：當然確認實驗的次數越多越好，但實際需考量實驗成本，大多會採用原始設計及最佳的設計兩組因子組合來驗証(但兩組沒有和直交表實驗重複)。假使確認不成立，整體步驟必須重新檢查，包含品質特性、理想機能、控制因子等選擇，都必須重新檢查。

五階段定電流充電法：因為兩段式CC-CV充電法的第二段為定電壓，因此有與定電壓法相同的缺點，充電時間較難以估計，為改善此一缺點，延伸出多階段充電法。五階段定電流充電法顧名思義即是將充電分為五個階段，其中每階段皆為定電流充電且電流為逐步下降，此種充電法和CC-CV充電法比較起來，五階段充電法能達到快速充電之目的且在充電末期時進入涓流充電(Trickle Charge)狀態，而使電池充電不至於達到過度充電，進而延長電池的使用壽命。圖3為五階段定電流充電法示意圖，值得注意的是後一階段充電電流值需小於前一階段，否則該階段充電時間很快就會到達所設定之門檻電壓值，而使得該階段之充電時間極短暫，且會造成電池之化學應力與溫升大，而影響電池壽命。

圖4為五階段充放電流程之說明，剛開始即採用I₁電流值進行第一階段定電流充電，當電壓充電到達4.2V時，變換為I₂電流值進行第二階段定電流充電，根據圖中所示依序進行至I₅第五階段定電流充電，當電壓充電到達4.2V時，變換為休息狀態，以減緩電池內部的化學反應，當休息完畢後開始以0.1C進行放電，當電壓放電至3.0V時停止整個流程。

田口方法搜尋流程： 圖5為本發明所提出田口方法搜尋之流程圖，每個步驟說明如下：步驟1.電池篩選：電池的內阻大小會影響電壓波形及實驗結果，因此在實驗之前必須挑選出內阻值相接近的電池，來增加實驗的可靠度。本實驗使用3.6V、2200mAh的圓柱型鋰電池，從37顆電池中，利用電池內阻測試器來量測電池的內阻及電壓，內阻值由小排到大，取內阻較小且較相近的9顆電池做為實驗用，增加實驗的一致性。

步驟2.直交表設計：本發明採用多階段充電法則針對鋰離子電池充電，控制變數為五個定電流(I₁~I₅)，每個變數中各有三種不同的位準，基於希望在最少實驗次數下獲得多階段定電流充電法則，本案選用L₁₈(2¹×3⁷)直交表，如圖6所示。L₁₈(2¹×3⁷)直交表在田口方法中有極高的評價，因為控制因子之間的影響是均勻的分散在各個欄位上。此外，從L₁₈(2¹×3⁷)的結果分析在每個控制因子是獨立且不互相影響的。在圖6之L₁₈(2¹×3⁷)直交表中，數字1、2和3分別表示每個因子的高、中及低水準。

步驟3.鋰電池之充放電測試：本案利用WBCS3000電池測試機作充放電之測試，將充電法則從檔案中讀取並按設計步驟輸入WBCS3000測試機做測試。經由充電法則對鋰離子電池完成充電之後，使用相同的設備進行放電測試。通常較大的放電電流會影響到放電效率，故本案使用0.1C的小電流進行放電測試，將可得到較精確的總放電容量。隨之將所得到的總放電容量及充電時間記錄並 進行目標函數計算。

步驟4.目標函數計算：本案將分別針對鋰離子電池進行多階段快速充電搜尋之研究，快速充電的目標除了希望不對電池造成過充外，另一目標則是希望充電速度越快越好。因此，目標函數將放電容量及充電時間一併列入計算，本案之目標函數計算如公式(1)所示。在公式(1)目標函數之計算後，可求得十八組正規化之數值，接著運用公式(3)之平均法求得各階段因子水準。

其中 及分別表示為第υ _j 個控制因子在第i次實驗及第w次實驗的水準符號，Y _i 則表示第i次實驗的結果。

在最佳化快速充電搜尋時，利用模糊控制法來分配最佳的CT和NDC權重比和，並運用公式(3)之平均法來評估下一次實驗之各階段因子水準，而直交表第一次參數設定值如圖7所示。

步驟5.判斷是否滿足收斂條件：求得各階段因子水準後，判斷是否滿足收斂條件。本案使用每個階段因子的水準差當作收斂與否的條件，假使水準差達到最小的精準值(與充放電機之解析度有關)，將結束求解過程。否則，將持續增加疊代次 數，並重新計算新的充電波形。

步驟6.計算新的充電電流：運用公式(3)之平均法求得第k次實驗之各階段因子水準後，在第k+1次的充電電流計算中，若直交表的第一次參數設定為如圖7所示，則第k+1次的各階段充電電流更新機制如下：若最佳解為中間之參數值I⁰ _jk或是頂到最上方的參數值I⁺ _jk，則縮小搜尋範圍；若最佳解為最下方之參數值I^- _jk，則往上移動但不縮小搜尋範圍。

(i)假設最佳設定值為I⁰ _jk：I⁰ _j(k+1)=I⁰ _jk

I⁺ _j(k+1)=I⁰ _jk+0.05C

I^- _j(k+1)=I⁰ _jk-0.05C

(ii)假設最佳設定值為I^- _jk：I⁰ _j(k+1)=I^- _jk

I⁺ _j(k+1)=I^- _jk+0.1C

I^- _j(k+1)=I^- _jk-0.1C

(iii)假設最佳設定值為I⁺ _jk：I⁰ _j(k+1)=I⁺ _jk-0.05C

I⁺ _j(k+1)=I⁺ _jk

I^- _j(k+1)=I⁺ _jk-0.1C

在此j表示各階段的數字(j=1~5)，k表示疊代次數，符號+、-及0分別表示高、低及中準位。

基於模糊控制之適應值(fitness value)估測：由於田口方法只能做到單一參數優化的問題，根據電池充放電測試經驗知道，充電電流的大小影響充電時間和放電容量：若五階段電流皆設定為較大的值，則其充電時間會較短但放電容量會較少；若五階段電流皆設定為較小的值，充電時間將會很長但放電容量會較多。為了滿足較短的充電時間與較多的放電容量以最大化充電成本效益之目標，本發明將放電容量與充電時間做為模糊控制器的輸入之參數，將其輸出數值作為評斷充電電流設定值好壞的評估指標，以便於找出真正的最佳五階段定電流充電波形。

本案採用模糊控制器的原因在於無法證明充間時間與放電容量兩者之間的比例在7：3、6：4、5：5、2：8等這些比例中，所得到的充電成本效益會最佳化，所以利用模糊控制器來進行多目標最佳化之比例調配，以便於在所充放電程序完成且得到其充電時間與放電容量後，能自動調配充電時間與放電容量的權重，以最大化充電成本效益函數。圖8為本發明所提出之模糊控制器架構圖，模糊控制器的輸入變數分別是放電容量與充電時間，放電容量為使用五階段充電法的放電容量與使用CC-CV充電法之一參考放電容量之一相對比值，充電時間為使用五階段充電法充電的時間，輸出變數則用來判斷充電策略的性能與效果。請參照圖9(a)-9(c)，其中圖9(a)為放電容量比之第一歸屬函數圖，圖9(b)為充電時間之第二歸屬函數圖，圖9(c)為一輸出歸屬函數圖。這些歸屬函數的函數值皆在0~1之間，其中橫軸座標為論域；縱軸座標為歸屬度。決定好所述第一歸屬函數、第二歸屬函數、和輸出歸屬函數後，下一步驟就是定義模糊語意變數及模糊推論，根據系 統需求所定義的語意變數如圖10所示，根據電池充放電實際經驗及基本知識認知所推導得到的模糊規則庫如圖11所示。

決定好模糊規則後，接著要決定使用何種模糊推論引擎，本發明選用最常見的最小推論引擎(Minimum Inference Engine)，例如：(i)若放電容量為小(S)，且充電時間為中(M)，則輸出成本函數(cost function)為小(S)；(ii)若放電容量為中的大(ML)，且充電時間為中的小(MS)，則輸出成本函數為大(L)。

模糊控制器設計的最後一個步驟是將前面所得到的結果集合解模糊化，本案選用重心法(Center of Gravity)，這種方法是計算結果的重心，其運算式如式(4)所示，其中n為規則數，W _i 為第i條規則之推論結果，B _i 為第i條規則所對應到之輸出。

基於田口法之最佳化充電波形搜尋操作流程：其搜尋流程如圖12所示，其操作步驟說明如下：在步驟1中，係採用3種準位和5階段的控制電流，及使用田口方法的L18表，每一組做3次實驗。

在步驟2中，將所設定的五階段充電電流設定值之實驗結果中放電容量與充電時間做為模糊控制器的輸入，將其產生的所述輸出歸屬函數作為評斷充電設定值的結果。

在步驟3中，將模糊控制器的輸出結果，利用田口方法的品 質因子反應，做出3種不同準位的品質因子反應圖，並根據前面所述田口方法搜尋之步驟6更新下一階段之充電電流設定值。

在步驟4中，進行公差設計，將各準位的範圍縮小，並判斷是否達到收斂停止條件，本案停止條件為水準標準差0.05C為停止條件。

在步驟5中，如果未滿足收斂條件，就跳回第一步驟，使用田口方法的L18表重作充放電實驗；若滿足收斂條件，則結束搜尋。

實驗系統架構：本案之可程式充放電機及監控介面是採用WonATech公司的WBCS3000，監控介面可經由PCI通訊介面向可程式充放電機讀取資料並下達命令，基本架構如圖13所示，監控介面之功能包含控制各種充電法則充放電、即時記錄電壓、電流、溫度之波形並輸出Excel檔以便紀錄分析結果。

實驗結果：根據前所述的田口方法進行鋰電池最佳化五階段充電波形搜尋，配合模糊控制器評估各電池充電設定值的結果是否符合較短的充電時間與較多的放電容量之目的，再以WBCS3000可程式充放電機之監控介面下達充電指令並記錄數據，依評估後之結果改變各電池充電設定值大小再繼續實驗，持續實驗直到結果收斂。

根據圖7之三水準五階段之控制參數設定範圍，選L18表，以9顆電池分成1~9與10~18兩部份，並做3次實驗。第一次實驗各階段之充電電流設定如圖14所示。根據圖14之設定，進行第一次實驗，其得到的結果如圖15所示。將實驗結果的容量比與時間數值化當作模糊控制器之輸入函數來評估，經過評估後可得輸出結果，經由輸出結果可得知整體18次的結果， 利用前面所提到望大特性的公式(2)求出S/N比如圖16所示。

求出S/N比後，為了預測下一階段的搜尋操作，並調整控制因子，利用以下公式(5)找出使品質特性更靠近理想機能，其中I_j為I₁、I₂、I₃、I₄、I₅；Li為Level 1、Level 2、Level 3。並將求出來的值轉化成品質特性的因子反應圖如圖17、18所示。

由品質特性的因子反應的結果可看出，所得到的最佳化是I₁(1)、I₂(1)、I₃(3)、I₄(3)、I₅(2)，如圖19所示。

由於尚未滿足收斂條件，故繼續利用田口的公差設計做下一次實驗，下一階段的各個電流將收斂至±0.05C，由於受限於鋰電池最高充電安全範圍為1.5C，故I₁的水準I⁺(1)設定準位不變，其他則是設定在水準I⁰(2)，圖20為下一次的各種因子及變動水準設定。

重複前面步驟，第二次實驗後所找出最佳5階段充電電流值如圖21所示。

由於下一個階段的各個電流將收斂至±0.025C，已達到各水準標準差0.05C的收斂停止條件，故停止搜尋。

實驗確認：在找出使品質特性更靠近理想機能後，接下來就要再進行一次的實驗確認，以確認預測的理想機能是我們所想要的最佳化結果，所以依圖21之設定再進行一次五階段充放電，所得到之結果進行模糊判斷，其判斷結果要比L18表之結果要來的好，這樣才符合田口方法預測的理想機 能。以所求得的最佳化五階段充電電流值，作鋰電池充放電，所得結果如圖22所示；而根據所得到的充電時間與放電容量比，所求得的模糊判斷輸出結果，如圖23所示。由圖22和圖23可得，在27次實驗中，平均放電容量比為91.39%，而平均充電時間為47.4min。另外，模糊判斷輸出結果與之前比較，可以確認所得到的值是符合田口方法預測的理想機能。

依以上的說明做整理，本發明提出一種利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，請參照圖24，其包括以下步驟：第一步驟：依一田口直交表對複數個鋰電池各執行一鋰電池充放電程序以獲得一組包含充電時間和放電容量之資料，該鋰電池充放電程序包含一多階段定電流充電程序及一定電流放電程序，其中，該組包含充電時間和放電容量之資料係與一組多階段定電流資料相對應，且該組多階段定電流資料之各筆資料係與所述複數個鋰電池之各個鋰電池之多階段定電流值相對應；以及第二步驟：依該組包含充電時間和放電容量之資料執行一模糊演算程序以在該組包含充電時間和放電容量之資料中找出使一輸出歸屬函數最大化之一筆目標資料，從而依該組多階段定電流資料中與該筆目標資料相對應之一筆資料決定一最佳多階段定電流值設定。

本案依其新穎的設計具有以下優點：

1、本發明之多階段鋰電池充電電流決定方法所產生的充電策略可兼顧鋰電池之充電時間和放電容量，從而提升鋰電池之充電成本效益。

2、本發明之多階段鋰電池充電電流決定方法所產生的五階段充電策略，除了可在較短的時間內將鋰電池充電至一標示容量，亦可延長鋰電池的壽命。

本案所揭示者，乃較佳實施例，舉凡局部之變更或修飾而源於本案之技術思想而為熟習該項技藝之人所易於推知者，俱不脫本案之專利權範疇。

綜上所陳，本案無論就目的、手段與功效，在在顯示其迥異於習知之技術特徵，且其首先發明合於實用，亦在在符合發明之專利要件，懇請 貴審查委員明察，並祈早日賜予專利，俾嘉惠社會，實感德便。

Claims (5)

1. 一種利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其包括以下步驟：第一步驟：依一田口直交表對複數個鋰電池各執行一鋰電池充放電程序以獲得一組包含充電時間和放電容量之資料，該鋰電池充放電程序包含一多階段定電流充電程序及一定電流放電程序，其中，該組包含充電時間和放電容量之資料係與一組多階段定電流資料相對應，且該組多階段定電流資料之各筆資料係與所述複數個鋰電池之各個鋰電池之多階段定電流值相對應；以及第二步驟：依該組包含充電時間和放電容量之資料執行一模糊演算程序以在該組包含充電時間和放電容量之資料中找出使一輸出歸屬函數最大化之一筆目標資料，從而依該組多階段定電流資料中與該筆目標資料相對應之一筆資料決定一最佳多階段定電流值設定。
2. 如申請專利範圍第1項所述之利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其中該第一步驟之所述多階段定電流充電程序係一五階段定電流充電程序。
3. 如申請專利範圍第1項所述之利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其中該第二步驟之所述模糊演算程序包含計算所述放電容量與利用一定電流-定電壓充電法所得到之一參考放電容量之一相對比值。
4. 如申請專利範圍第1項所述之利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其中該第一步驟之所述多階段定電流充電程 序充電時間範圍訂在30分鐘至90分鐘。
5. 如申請專利範圍第3項所述之利用田口直交表及模糊演算法之多階段鋰電池充電電流決定方法，其中該第二步驟之所述相對比值係訂在80%~100%。