TW201621336A - 快速檢測電池其殘餘電量（ｓｏｃ）之裝置 - Google Patents

Abstract

本創作主要提供一組具快速檢測電池殘餘電量(SOC,State of Charge)之裝置及操作方法，其中包含弦波產生電路、電壓/電流轉換電路、電壓波形偵測電路、電流波形偵測電路、電池殘餘電量計算器裝置、電池殘餘電量資料庫與電池殘餘電量比對器；其中弦波產生電路係用來將產生一個弦波電壓訊號供給電壓/電流轉換電路使用；電壓/電流轉換電路，用以將電壓弦波訊號轉換成弦波電流使用；電壓波形偵測電路，用以偵測電池電壓的數位波形使用；電流波形偵測電路，用以偵測電池電流的數位波形使用；電池殘餘電量裝置包含有電池殘餘電量計算器裝置、電池殘餘電量資料庫與電池殘餘電量比對器等裝置，其電池殘餘電量計算器裝置主要在計算其電池的電壓/電流之弦波訊號，既可自動檢測出電池在各種不同電池殘餘電量下的電池交流阻抗(AC Impedance)，並且在各種不同電池交流阻抗自動檢測出電池在不同電池殘餘電量，電池殘餘電量資料庫裝置主要市建立一套鋰電池在任何下殘餘電量的資料庫，電池殘餘電量比對器裝置主要在比對量測值與資料庫之間的數值。

Description

快速檢測電池其殘餘電量(SOC)之裝置

本發明為創作一組具有電池快速檢測電池殘餘電量之裝置及操作方法，為提出一種具有電池快速檢測電池殘餘電量的裝置之技術領域。

近幾年隨著電子技術的日益進步及快速發展，各種攜帶型隨身電器日益普及，如：行動電話、筆記型電腦、MP3......等。而二次電池對於這些攜帶型設備更是主要的必備電源，因此電池充電的技術相對地日趨重要。目前，有電池電解液比重法、開路電壓(Open-Circuit Voltage)法、電池內阻法(Internal Resistance)、安培小時積分法與負載電壓法等方法等測電池殘餘電量之方法。

(一)電解液比重法：

電池在理論上，其電解液之比重與殘電量會呈線性關係，因此在量測其電池電解液的比重也是量測殘電量最直接的方法。但實際上量測時電池在充放電過程，其電解液比重主要集中在電池正負極板附近，其它部份必須依靠擴散作用才能使比重均勻。因此在實際量測比重時，因電解液的擴散作用緩慢而發生比重遲滯情形，而且距離極板愈遠，遲滯情形愈嚴重，影響殘電量估算值之準確度，須加以補償。並且，若選用密閉式電 池做為電動機車動力來源，量測電解液比重有其技術上之困難。

(二)開路電壓(Open-Circuit Voltage)法：

開路電壓量測方式是指電池在無負載即不放電的狀態下靜置，可以讓電池的電解液之濃度均勻混合，例如，電池在放電時接近電池正負極板之離子濃度較低，而充電時接近電池正負極板之離子濃度較高，電池靜置一段時間使電解液濃度均勻混合之後，直接量測電池兩端電壓，可指示電池電量之大小。但因開路電壓無法指示因電池老化因素所造成之電容量衰減，而且電池在充放電之後，端電壓穩定所需的靜置時間極長(放電後須1-2小時)，且機車常須在負載變化頻繁的狀況下使用。故在即時(Real Time)殘電量監測器之設計上，不宜單獨採用此法。

(三)電池內阻法(Internal Resistance)：

電池殘電量與電池內阻之間成近似反比之關係。此方法係將一電阻性負載或電感性負載或兩者混合之負載，串接開關元件，再將之並接於電池兩端，藉由量測負載之暫態電流，換算成相對電池殘電量。電池內阻愈低，流入負載之暫態電流愈大，表示電池殘電量愈大，反之亦然。由於電池內部傳導元件因劣化、腐蝕導致傳導性降低，或失水均會增加電池內阻，此種方法不但可量測殘電量，還可以監測電池之劣化狀況。然而，採用此種方法時，應用上仍具高度困難性，目前尚無單獨應用於電動車輛之實例發表。

(四)安培小時積分法：

本方法的基本精神為：電池於充電時，積算充電時充入電池之總電量(安培×小時)，做為電池之可用電量。電池放電時，量測並積算截至目前 為止所消耗的總電量(AH值)，兩者相減即可算出電池殘餘電量估計值。由於電池的複雜特性，必需針對電池的充電效率、放電電流大小、電池溫度、老化等因素，求出修正係數，方可得正確之殘餘電量值。並且，充電時必需確定電池是否充飽。目前的殘電量指示器設計，大部份採用此種方式。所不同者，主要在於對殘餘電量估計值之修正或補償方式。

(五)負載電壓法：

在定電流放電時，電池負載電壓和殘電量存在一定關係，故量測電池放電時之負載電壓，可以指示殘電量，但此方法只適用於定電流放電，因電動機車之負載變化範圍極大，本法單獨使用時精確度較差。以上各種方法在實際應用上為了提高預測之精確度，需佔用大量的儲存空間建立Look-up Table以儲存電池的充放電特性資料及修正資料。而且其修正方式為開迴路修正，當電池之狀況及使用環境偏離原先預定之情況時，殘電預測之精度降會降低。

目前大多數的殘電量指示器設計，大部份採用此種方式。所不同者，主要在於對殘餘電量估計值之修正或補償方式。負載電壓法：在定電流放電時，電池負載電壓和殘電量存在一定關係，故量測電池放電時之負載電壓，可以指示殘電量，但此方法只適用於定電流放電，因電動機車之負載變化範圍極大，本法單獨使用時精確度較差。以上各種方法在實際應用上為了提高預測之精確度，需佔用大量的儲存空間建立Look-up Table以儲存電池的充放電特性資料及修正資料。而且其修正方式為開迴路修正，當電池之狀況及使用環境偏離原先預定之情況時，殘電預測之精度降會降低。有鑑於此，本計畫擬研究一種能經由回饋信號隨時自我修正電池電量預測 值且不需儲存大量記憶資料的電池殘電量預測方法。

圖1(a)所示為電池正負極的交流阻抗模型，其中正負極包含一個電子傳遞電阻R _ct1 與R _ct2 (Charge Transfer Resistance)及正負極包含一個離子擴散電抗Z _w (Warburg Impedance)串聯再與一個電雙層電容C _d1 與C _d2 (Capacitance)並聯，最後再與歐姆電阻R _o (Ohmic Resistance)及一個電極電感L _d1 與L _d2 (Electrode Inductance)與一個理想電池(Ideal Battery)串聯。將上述電池等效模型等效成一個阻抗Z _battery 和一個理想的電池串聯，圖1(b)所示。將電池等效模型經由電路方式來分析，發現若在電池兩端加入一個變動頻率，改變頻率的同時可以讓電池阻抗也跟著改變；因此改變頻率在電池上而獲得電池交流阻抗，。為此，本發明提出一種兼具有電池快速檢測電池殘餘電量裝置，用以達成下列項目的：本發明之另一目的在於使系統可以更精準檢測出電池的殘餘電量，並且能夠檢測過程不會因為快速檢測過程破壞電池本身架構之問題。

本發明之目的在於使快速檢測電池殘餘電量且可以縮短電池檢測殘餘電量時間之問題；本發明之另一目的在於使系統可以更精準檢測出電池的殘餘電量，並且能夠檢測過程不會因為快速檢測過程破壞電池本身架構之問題。

如圖2所示，為一種檢測電池殘餘電量裝置，至少包括一弦波產生電路100與一電池10相接，其中弦波產生電路100輸出端接於電池10兩端。如上之檢測電池殘餘電量裝置，其中弦波產生電路100輸出一弦波電壓或一弦波電流對電池充電如此計算出電池交流阻抗，並利用電池交流阻 抗來測得檢測電池殘餘電量。如上之檢測電池殘餘電量裝置，其使用之弦波電壓或弦波電流訊號；其該電池之交流阻抗之頻率會隨著電池之不同而有差異，所以電池也會隨頻率改變電池的交流阻抗與電池SOC。如上之檢測電池殘餘電量裝置，其使用之弦波電壓或弦波電流的頻率為固定一1kHz訊號。

如圖3所示，之檢測電池殘餘電量裝置，亦可包括一安培錶20，該電流錶串接於弦波電壓產生電路110與電池10之間；該弦波電壓產生電路110輸出一固定振幅1kHz頻率之弦波電壓對電池10充電，同時該安培錶20量測其電池電流，利用電池交流阻抗來測得檢測電池殘餘電量。如圖4所示，之檢測電池殘餘電量裝置，亦可包括一電壓錶30，該電流壓錶30並接於電池10兩端；該弦波電流產生電路120輸出一固定振幅1kHz頻率之弦波電流對電池10充電，同時該電壓錶30量測其電池交流電壓，利用電池交流阻抗來測得檢測電池殘餘電量。如圖5，如上之檢測電池殘餘電量裝置，亦可包括一電壓錶30與一安培錶20，該電流錶串接於弦波產生電路100與電池10之間，且該電壓錶30並接於電池10兩端，該電流錶20串接於電池10；該弦波產生電路100輸出一固定振幅1kHz頻率之訊號對電池10充電，同時該電壓錶30與安培錶20量測其充電電流與電池交流電壓訊號；利用電池交流阻抗來測得檢測電池殘餘電量。

其有，一種利用電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量偵測方法，其使用交流阻抗分析儀量測出，量測固定1kHz頻率下的電池交流阻抗，與不同SOC下的交流阻抗。

其有，一種利用電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量偵測方 法，其使用一固定1kHz頻率下的電池交流阻抗之弦波電壓對電池充電，同時量測其充電電流；其所計算出之電池交流阻抗來快速檢測電池殘餘電量。

其有，一種利用電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量偵測方法，其使用一固定1kHz頻率下的電池交流阻抗之弦波電流對電池充電，同時量測其充電電壓；其所計算出之電池交流阻抗來快速檢測電池殘餘電量。

其有，一種利用電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量偵測方法，其使用一固定1kHz頻率下頻率之弦波電壓或電流對電池充電，同時量測其充電電流與電池交流電壓；其所計算出之電池交流阻抗來快速檢測電池殘餘電量。

100‧‧‧弦波電流產生電路

10‧‧‧電池

120‧‧‧檢測電池殘餘電量電路

121‧‧‧電池電流訊號

122‧‧‧電池電壓訊號

123‧‧‧直流濾波器

124‧‧‧電池交流阻抗

125‧‧‧電池交流阻抗資料庫

126‧‧‧電池殘餘電量

101‧‧‧可控式弦波產生器

102‧‧‧運算放大器(OP-A)

103‧‧‧場效電晶體(MOSFET)

104‧‧‧電阻器

105‧‧‧電壓訊號/電流訊號轉換器

130‧‧‧電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量裝置

131‧‧‧偵測電池交流電壓

132‧‧‧電池交流電壓儀表放大器

133‧‧‧電池交流電壓帶通濾波器

134‧‧‧偵測電池直流電壓

135‧‧‧電池直流電壓儀表放大器

136‧‧‧電池直流電壓低通濾波器

137‧‧‧偵測迴路交流電流

138‧‧‧迴路交流電流儀表放大器

139‧‧‧迴路交流電流帶通濾波器

135‧‧‧DSP記錄器

第1圖(a)(b)：電池的交流阻抗模型圖。

第2圖：本發明所揭示之最佳充電頻率之系統動作流程圖。

第3圖：第一種實施方式系統方塊圖。

第4圖：第二種實施方式系統方塊圖。

第5圖：第三種實施方式系統方塊圖。

第6圖：第四種實施方式系統方塊圖。

第7圖：第一較佳實的系統方塊圖。

第8圖：第一較佳實檢測電池殘餘電量電路方塊圖。

第9圖：第一較佳實施例的系統方塊圖。

第10圖：未濾波之充電電流及電池電壓波形示意圖。

第11圖：濾波後之充電電流及電池電壓波形示意圖。

第12圖：檢測電池殘餘電量流程圖。

第13圖：第二較佳實施例的系統方塊圖。

第14圖：濾波後的輸入電流及電池電壓波形圖。

第15圖：SOC 0%濾波後之輸入電流及電池電壓波形圖。

第16圖：SOC 50%濾波後之輸入電流及電池電壓波形圖。

第17圖：SOC 100%濾波後之電流訊號及電池電壓波形圖。

第18圖：實驗值與實際值比較圖。

第19圖：實驗值與實際值之誤差值圖。

表1 實驗值與實際值之結果比較表。

如圖6所示，此為第一種之檢測電池殘餘電量實施方式的系統方塊圖，至少包括一弦波訊號電路100、一檢測電池殘餘電量電路120與一電池10所組成；其中，弦波訊號電路100中包含有一可程式弦波產生電路101、一電壓訊號/電流訊號轉換電路105，可程式弦波產生電路101輸出端接於電壓訊號/電流訊號轉換電路105，而電壓訊號/電流訊號轉換電路105中包含有一運算放大器102、一場效電晶體103與一電阻104。而一檢測電池殘餘電量電路120中包含有一偵測電池電流訊號電路121、一偵測電池電壓訊號電路122、一直流濾波器123、一計算電池交流阻抗設備124、一比對電池交流阻抗資料庫125與一顯示電池殘餘電量電路126所組成。如上之檢測電池殘餘電量裝置，其弦波訊號電路100產生1kHz固定頻率之弦波電壓訊號，經由電壓訊號/電流訊號轉換電路105將弦波電壓訊號轉換成弦波電流來對電池進行充電，並透過偵測電池電流訊號電路121與偵測電池電壓訊號電路 122測得電池上電壓與電流訊號，在經直流濾波器123最後訊號進計算電池交流阻抗設備124計算出電池的交流阻抗，將計算出之電池交流阻抗比對電池交流阻抗資料庫125最後顯示電池殘餘電量電路126，使電池交流阻抗來快速檢測電池殘餘電量。

如圖9所示，此為第一種實施方式的系統圖，其量測電池殘餘電量方法如下，首先，將弦波產生電路100來產生一個微小的交流訊號，將經電壓訊號/電流訊號轉換電路105來轉換電壓或交流電流訊號輸入至量測電池10上，並透過偵測電池電流訊號電路121與偵測電池電壓訊號電路122偵測電池10上交流電流訊號與電池交流電壓之訊號表示如式所示。

i(t) I _dc I _m sin(_t )

v(t) V _dc V _m sin(_t)如圖11所示，為偵測電池電流訊號電路121與偵測電池電壓訊號電路122偵測電池10上交流電流訊號與電池交流電壓示意圖。接下來，偵測電池電流訊號電路121與偵測電池電壓訊號電路122偵測電池10上交流電流訊號與電池交流電壓訊號。經由圖11可以看出輸入電流與電池電壓具有直流成份與交流成分所組成。接著將偵測電池電流訊號電路121與偵測電池電壓訊號電路122偵測電池10上交流電流訊號與電池交流電壓訊號輸入經濾波器221將直流成份濾批波如下式，如圖12所示，為濾波後之充電電流及電池電壓波形訊號示意圖。

i _ac (t) I _m sin(_t )

v _ac (t) V _m sin(_t)為濾波後之充電電流及電池電壓波形透過計算電池交流阻抗設備124經由上式可得電池阻抗，如下式所示。

如圖12所示，為本發明較佳實施例的系統流程，首先，建立電池各個充電電池容量下，電池交流阻抗數據建立一交流阻抗於充電電池容量之資料庫，透過上述的量測法再根據結果進行比對，最後得出電池目前電池殘餘容量SOC。

如圖13所示，此為本發明系統方塊圖，其系統包括：其主要的架構包含有弦波訊號電路100、記錄器(Digital Signal Processer,DSP)記錄器140、快速檢測電池殘餘電量電路130、電池交流阻抗資料庫125與電池殘餘電量電路126所組成。弦波訊號電路100中包含有一可程式弦波產生電路101、一電壓訊號/電流訊號轉換電路105。可程式弦波產生電路101輸出端接於電壓訊號/電流訊號轉換電路105，而電壓訊號/電流訊號轉換電路105中包含有一運算放大器102、一場效電晶體103、一電阻104與一電流分流器106(Shunt)所組成。而一電池交流阻抗快速檢測電池殘餘電量裝置130中包含有三個量測的部分，分別為偵測電池交流電壓131、電池交流電壓差動放大器132、電池交流電壓帶通濾波器133、偵測電池直流電壓134、電池直流電壓差動放大器135、電池直流電壓帶通濾波器136、偵測電池迴路交流電壓137、電 池迴路交流電壓差動放大器138與電池迴路交流電壓帶通濾波器139所組成。其量測電池交流阻抗的機制是先量測其電池電壓，接著比對資料庫近似於何種SOC下，其比對機制為判斷此電壓高於何種SOC下的電壓，但低於下個SOC的電壓，則判斷近似於左側之SOC，再利用電池直流電壓及迴路交流電流計算其電池交流阻抗，進而比對資料庫，其比對的機制也如同上述比較電池電壓的情況，最後獲得此電池的SOC。

首先，使用IBR-18650BC 1500mAH鋰離子電池來進行實驗。表1所示為單一顆鋰離子電池實驗結果，經由表1可以看出鋰離子電池在SOC 0%、SOC 50%與SOC 100%實驗結果實驗量測值分別為0.02Ω、0.01556Ω與0.01556Ω，與工研院量測值0.01841Ω、0.015165Ω與0.015654Ω，其誤差為8.636%、2.604%與0.6%。最後本發明無論在任何種類電池SOC下，都可快速策出電池的電池殘餘電量。

10‧‧‧電池

100‧‧‧弦波電流產生電路

120‧‧‧檢測電池殘餘電量

Claims (5)

1. 一種可以快速檢測電池殘餘電量之裝置，至少包括快速檢測電池殘餘電量模組所組成；一弦波訊號電路、一檢測電池殘餘電量電路與一電池所組成；其中，弦波訊號電路中包含有一可程式弦波產生電路、一電壓訊號/電流訊號轉換電路，可程式弦波產生電路輸出端接於電壓訊號/電流訊號轉換電路，而電壓訊號/電流訊號轉換電路中包含有一運算放大器、一場效電晶體與一電阻。而一檢測電池殘餘電量電路中包含有一偵測電池電流訊號電路、一偵測電池電壓訊號電路、一直流濾波器、一計算電池交流阻抗設備、一比對電池交流阻抗資料庫與一顯示電池殘餘電量電路所組成。
2. 如申請專利範圍第1項所述之快速檢測電池殘餘電量之裝置，其對電池進行快速檢測電池殘餘電量，可事先規劃儲存在充電裝置內。
3. 如申請專利範圍第1項所述之充電裝置，其對電池進行快速檢測電池殘餘電量，可依據電池狀態即時運算與比較來決定之。
4. 一種快速檢測電池殘餘電量裝置，其系統架構包含：弦波訊號電路中包含有一可程式弦波產生電路、一電壓訊號/電流訊號轉換電路，可程式弦波產生電路輸出端接於電壓訊號/電流訊號轉換電路，而電壓訊號/電流訊號轉換電路中包含有一運算放大器、一場效電晶體與一電阻；-弦波產生電路裝置：係接於前述電壓/電流轉換器之輸入端與電池之輸出端，作為量測出電池的最佳充電頻率的電壓訊號。-電壓訊號/電流訊號轉換電路：係接於前述弦波產生電路之輸出端與電池之輸出端，作為將電池的電壓訊號轉換成電流訊號。 -電壓波形偵測裝置：係接於電壓訊號/電流訊號轉換電路之輸出端，作為將偵測電池交流電壓訊號數值。-電流波形偵測裝置：係接於電壓訊號/電流訊號轉換電路之輸出端，作為將偵測電池交流電流訊號數值。-記錄器裝置：係接於電壓波形偵測裝置與電流波形偵測裝置之輸出端，作為將電池的電壓/電流的交流訊號既有可自動檢測出電池在各種不同頻率下的電池AC阻抗。
5. 如申請專利範圍第4項所述之快速檢測電池殘餘電量裝置，其中，一最佳充電頻率控制器係具有自動檢測充電狀態交流阻抗訊號。