TW201600870A - 鋰鐵電池殘電量估測方法及其估測系統 - Google Patents
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Abstract
本發明提供一種鋰鐵電池殘電量估測方法，其步驟包含：一分區步驟，根據鋰鐵電池之一單電芯之一放電曲線將鋰鐵電池殘電量分為一低殘電量區、一主殘電量區及一高殘電量區。一低殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於低殘電量區，利用一電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。一主殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於主殘電量區，利用一庫倫積分法估測鋰鐵電池殘電量。以及一高殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於高殘電量區，利用電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。藉此，提高鋰鐵電池殘電量估測之準確率。
Description
本發明是有關於鋰鐵電池殘電量估測方法，特別是有關於一種可同時應用於放電時及充電時之鋰鐵電池殘電量估測方法。
鋰離子電池是電動車的主要動力來源，電池種類眾多，常見的鋰離子電池如鋰鈷電池、鋰錳電池、鋰鐵磷電池及鎳鈷錳三元素電池等。
其中以鋰鐵磷(LiFePO4)電池應用最為廣泛，原因是鋰鐵磷電池具有高能量密度、功率密度、自放電率極低與零環境汙染等優點，再加上其過充過放時不會發生自燃與爆炸的危險，被公認為是非常安全的儲能裝置，因此較適合作為電動車的動力來源。然而鋰鐵磷電池組在管理上較為困難，通常需要搭配電池管理系統進行管理，電池管理系統功能包含量測單電芯電壓及電流、過充過放的保護機制、殘電量估測，藉此提供完善的充電機制。
殘電量估測不準確是電動車發生拋錨的主要原因，且也會影響消費者對於購買電動車的意願。而目前鋰鐵磷電
池之殘電量估測大致可分為庫倫積分法、開路電壓法、電動勢法及查表法等。
然而，在鋰鐵磷電池殘電量位於10%~95%時，其電壓與殘電量辨識度很低，使得前述之庫倫積分法無法估算出正確之殘電量。而其他殘電量估測方法會因環境改變或是電池老化，導致其估測準確度偏移等問題。因此，目前不論以何種殘電量估測法，都無法準確估測鋰鐵磷電池真正的殘電量。
本發明的目的在於提供一種鋰鐵電池殘電量估測方法，可同時於鋰鐵電池充電及放電時使用，並提高殘電量估測的正確率。
因此，本發明之一實施方式是在提供一種鋰鐵電池殘電量估測方法，其步驟包含：一分區步驟，根據鋰鐵電池之一單電芯電壓之一放電曲線設一第一工作反曲點及一第二工作反曲點將鋰鐵電池殘電量分為一低殘電量區、一主殘電量區及一高殘電量區。一低殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於低殘電量區，利用一電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。一主殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於主殘電量區，利用一庫倫積分法估測鋰鐵電池殘電量。以及一高殘電量估測步驟，當鋰鐵電池殘電量位於高殘電量區，利用電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。
依據本發明一實施例，上述庫倫積分法係每0.5秒之週期量測鋰鐵電池一電流變化量。
依據本發明另一實施例，前述庫倫積分法估測鋰鐵
電池殘電量之公式為：
其中SOC t1為前次估測或初始之鋰鐵電池殘電量，i為鋰鐵電池之一電流，AHC為鋰鐵電池之一額定安時數。
依據本發明又一實施例，前述鋰鐵電池殘電量估測方法更包含一校正步驟，於進行五次主殘電量估測步驟後，校正鋰鐵電池之額定安時數。
依據本發明再一實施例，前述鋰鐵電池殘電量估測方法更包含一換算步驟，將單電芯電壓換算成一單電芯之一電動勢，換算步驟之公式為：
其中V為鋰鐵電池之單電芯電壓，R為鋰鐵電池之一內阻，i為鋰鐵電池之電流。由於鋰鐵電池之內阻為隨著溫度、電流、額定安時數及殘電量的不同而改變的函數值，因此本實施方式採用鋰鐵電池校正後的實際內阻資料。
依據本發明另一實施例，其中定義鋰鐵電池之額定安時數為100%，低殘電量區為10%以下，主殘電量區為10%~95%，高殘電量區為95%以上。
本發明之另一實施方式是在提供一種估測系統應用前述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中以一資料擷取單元、一計算單元及一資料庫與鋰鐵電池電性連接，以擷取單電芯電壓而獲得放電曲線。
由此可知，前述實施方式及實施例之鋰鐵電池殘電量估測方法，根據鋰鐵電池之單電芯的放電特性將鋰鐵電池
殘電量區分為低殘電量區、主殘電量區及高殘電量區，並因應不同的殘電量區分別使用庫倫積分法及電動勢法來估測鋰鐵電池殘電量，藉此提高鋰鐵電池殘電量估測之可靠度。
100‧‧‧分區步驟
200‧‧‧低殘電量估測步驟
300‧‧‧主殘電量估測步驟
400‧‧‧高殘電量估測步驟
500、510、511、512、520、521、522‧‧‧步驟
600‧‧‧估測系統
610‧‧‧資料擷取單元
620‧‧‧計算單元
630‧‧‧資料庫
700‧‧‧鋰鐵電池
C‧‧‧放電曲線
W1‧‧‧第一工作反曲點
W2‧‧‧第二工作反曲點
第1圖係繪示鋰鐵電池中單電芯之放電曲線圖。
第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋰鐵電池殘電量估測方法之流程圖。
第3圖係繪示依照本發明之一實施例的一種鋰鐵電池殘電量估測方法之流程圖。
第4圖係繪示依照應用本發明之一實施方式的一種鋰鐵電池估測方法之估測系統圖。
請同時參照第1圖及第2圖，其中第1圖係繪示鋰鐵電池中單電芯之放電曲線圖，第2圖係繪示依照本發明之一實施方式的一種鋰鐵電池殘電量估測方法之流程圖，其步驟包含一分區步驟100、一低殘電量估測步驟200、一主殘電量估測步驟300以及一高殘電量估測步驟400。
分區步驟100係根據鋰鐵電池之一單電芯之一放電曲線C一第一工作反曲點W1及一第二工作反曲點W2將鋰鐵電池殘電量分為一低殘電量區、一主殘電量區及一高殘電量區。鋰鐵電池之單電芯電壓之放電曲線C請同時參照第1圖所示，由於鋰鐵電池本身的特性，在殘電量10%以下(即第二工作反曲點W2)或是95%以上(即第一工作反曲點W1)
時，其單電芯之電壓才會有明顯的變化量；在殘電量在10%以上，95%以下時，其電芯之電壓變化量小。因此，定義鋰鐵電池之電池容量為100%時，低殘電量區為10%以下，主殘電量區為10%~95%，高殘電量區為95%以上。
低殘電量估測步驟200係當鋰鐵電池殘電量位於低殘電量區，利用一電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。
而使用電動勢法前，須先使用一換算步驟(未圖示)將單電芯電壓換算成一單電芯之一電動勢，其公式為：
其中V為鋰鐵電池之單電芯電壓，R為鋰鐵電池之一阻抗，i為鋰鐵電池之電流。
主殘電量估測步驟300係當鋰鐵電池殘電量位於主殘電量區，利用一庫倫積分法估測鋰鐵電池殘電量。庫倫積分法估測鋰鐵電池殘電量之公式為：
其中SOC t1為前次估測或初始之鋰鐵電池殘電量，i為鋰鐵電池之一電流，AHC為鋰鐵電池之一額定安時數。由公式可知庫倫積分法是在固定的時間內對電流的變化量進行積分，電流變化量的時間間距是庫倫積分法準確度的重要參數，時間間距越短，積分出來的數值準確度越高，因此本實施方式中每0.5秒之週期量測鋰鐵電池一電流變化量。
高殘電量估測步驟400係當鋰鐵電池殘電量位於高殘電量區，利用電動勢法估測鋰鐵電池殘電量。由於鋰鐵電池本身存在著自放電的問題，尤其在大電流時鋰鐵電池溫度
上升，自放電率更是明顯，因此單獨利用庫倫積分法來估測鋰鐵電池殘電量在長時間運作下可靠度將越來越低，因此需除了主殘電量估測步驟300所使用之庫倫積分法，還需另外搭配低殘電量估測步驟200及高殘電量估測步驟400中之電動勢法來達到互補的效果，進而避免過充與過放的發生或不合理殘電量的預估發生。
此外，前述鋰鐵電池殘電量估測方法更包含一校正步驟(未圖示)，於進行五次主殘電量估測步驟300後，必須針對庫倫積分法進行校正鋰鐵電池之額定安時數。前述進行主殘電量估測步驟300後，隨著鋰鐵電池充放電次數的增加，其額定安時數因老化而下降，因此本實施方式中須記錄鋰鐵電池的額定安時數由充飽電後至殘電量小於10%之安時數，進而可執行額定安時數的校正。
請參照第3圖，其係繪示依照本發明之一實施例的一種鋰鐵電池殘電量估測方法之流程圖，其中殘電量(State of Charge，SOC)皆以SOC表示。本實施例實際針對鋰鐵電池之單電芯進行電壓量測，且必須說明以下所列出第一工作反曲點及一第二工作反曲點，其電動勢數值3.35V及3.0V僅供參考，根據鋰鐵電池的不同而有所變化。步驟500，判斷鋰鐵電池是否為放電狀態，如果鋰鐵電池為放電狀態則進行步驟510，判斷單電芯電動勢是否小於3.0V。如果鋰鐵電池不為放電狀態則進行步驟520，判斷單電芯電動勢是否大於3.35V。
於鋰鐵電池放電狀態下，如果單電芯電動勢小於3.0V則進行步驟511，使用單電芯電動勢法計算SOC。如果單電芯電動勢大於3.0V則進行步驟512，使用庫倫積分法
計算SOC。
於鋰鐵電池非放電狀態(即充電狀態)下，如果單電芯電動勢大於3.35V則進行步驟521，使用電動勢法計算SOC。如果單電芯電動勢小於3.35V則進行步驟522，使用庫倫積分法計算SOC。
由於鋰鐵電池處於放電狀態時，最低單電芯之電動勢小於3.0V，此時電壓變化量較為明顯且於第1圖中之放電曲線C可發現第二工作反曲點W2其電動勢小於3.0V且斜率明顯上升，適合利用電動勢法估算SOC。最低單電芯之電動勢大於3.0V時，則利用庫倫積分法估算SOC。當處於充電狀態，最低單電芯之電動勢大於3.35V，由於電壓變化量較大且於第1圖中之放電曲線C觀察出第一工作反曲點W1其電動勢大於3.35V且斜率升高，因此利用電動勢法估算SOC；最低單電芯之電動勢小於3.35V時，則利用庫倫積分法估算SOC。
其中鋰鐵電池額定安時數的校正步驟舉例說明如下。假若鋰鐵電池出廠時初始之額定安時數為12AH，當鋰鐵電池位於高殘電量區(即第一工作反曲點W1)時，將此設為計算庫倫積分法之初始點。此外，當放電達到低殘電量區(即第二工作反曲點W2)時，將其設為計算庫倫積分法之結束點，此時庫倫積分法所取得之安時數即為低殘電量區至高殘電量區(10%~95%)之安時數，且必須再加上剩餘15%之殘電量，12AH * 0.15=1.8AH，如此方為一完整之鋰鐵電池安時數。接著取出此安時數資料並歸零。重複上述校正步驟五次後，可獲得五筆安時數資料，將其平均並可對初始之額定安時數進行校正。
在此進一步舉例說明利用電勢法如何估測鋰鐵電池對應之殘電量。假若鋰鐵電池位於高殘電量區時(95%以上)時，且其單電芯之最大電動勢為3.65V，並定義單電芯電動勢為X，則依據下列公式可推估其殘電量。
(0.95+0.05 *((X-3.35)/(3.65-3.3)))* 100%；假如鋰鐵電池位於低殘電量區時(10%以下)時，且其單電芯之最小電動勢為2.5V，並定義單電芯電動勢為Y，則依據下列公式可推估其殘電量。
(0.1 *((Y-2.5)/(3.0-2.5)))* 100%。
此外請參照第4圖，其係繪示應用於前述鋰鐵電池殘電量估測方法之估測系統600，係以一資料擷取單元610、一計算單元620及一資料庫630與一鋰鐵電池700電性連接，依照前述實施方式來擷取單電芯電壓而獲得放電曲線，並進行鋰鐵電池殘電量估測。其中電壓截取以及計算方式為本技術領域之通常知識，於此不再多加贅述。
由此可知，前述實施方式及實施例之鋰鐵電池殘電量估測方法藉由將鋰鐵電池殘電量分為低殘電量區、一主殘電量區及高殘電量區，使此三階段之鋰鐵電池殘電量估測方法可以在不同殘電量區正確的進行殘電量估測，而且因為在低殘電量區與高殘電量區使用電動勢法，可以有效的對庫倫積分法進行校正，進而避免過充與過放的發生或不合理殘電量的預估發生。
雖然本發明已以實施方式揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本發明之精神和
範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧分區步驟
200‧‧‧低殘電量估測步驟
300‧‧‧主殘電量估測步驟
400‧‧‧高殘電量估測步驟
Claims (9)
- 一種鋰鐵電池殘電量估測方法，其步驟包含：一分區步驟，根據該鋰鐵電池之一單電芯電壓之一放電曲線設一第一工作反曲點及一第二工作反曲點將該鋰鐵電池殘電量分為一低殘電量區、一主殘電量區及一高殘電量區；一低殘電量估測步驟，當該鋰鐵電池殘電量位於該低殘電量區，利用一電動勢法估測該鋰鐵電池殘電量；一主殘電量估測步驟，當該鋰鐵電池殘電量位於該主殘電量區，利用一庫倫積分法估測該鋰鐵電池殘電量；以及一高殘電量估測步驟，當該鋰鐵電池殘電量位於該高殘電量區，利用該電動勢法估測該鋰鐵電池殘電量。
- 如請求項1所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中該庫倫積分法係每0.5秒之週期量測該鋰鐵電池一電流變化量。
- 如請求項2所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中該庫倫積分法估測該殘電量之公式為：
- 如請求項3所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，更包 含一校正步驟，於進行五次該主殘電量估測步驟後，校正該鋰鐵電池之該額定安時數。
- 如請求項4所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，更包含一換算步驟，將該單電芯電壓換算成一單電芯之一電動勢，該換算步驟之公式為：
- 如請求項1所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中定義該鋰鐵電池之該額定安時數為100%，該低殘電量區為10%以下。
- 如請求項6所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中定義該主殘電量區為10%~95%。
- 如請求項7所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中定義該高殘電量區為95%以上。
- 一種估測系統，其係應用於請求項1所述之鋰鐵電池殘電量估測方法，其中該估測系統以一資料擷取單元、一計算單元及一資料庫與該鋰鐵電池電性連接，以擷取該單電芯電壓而獲得該放電曲線。
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