TW201712356A - 電池健康狀態檢測方法 - Google Patents

Abstract

一種電池健康狀態檢測方法，包含：將一待測電池靜置一第一時間；以一第一負載，一第一頻率讓該待測電池進行抖動放電，持續一第二時間；以該第二負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第三時間；於該第三時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第一電壓V1；以一第三負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第四時間；於該第四時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第二電壓V2；產生一電池電量狀態值SoC；及產生一電池健康狀態(SOH)。

Description

電池健康狀態檢測方法

本發明係關於一種電池健康狀態檢測方法，特別應用於二次電池上，能快速診斷出電池健康狀態與評估電池老化程度的檢測方法。

電動車售價居高不下，主要是因為動力電池成本太高。動力電池使用3-5年後，電池的老化使得其性能與安全無法再滿足電動車系統使用的需求，因而會被判定為汰役電池。然而，這些汰役電池仍然具有相當多的能量，可於重製翻新後，再應用於其他的儲電系統。發展電池全壽期應用需求與產品，有助於降低成本、延長壽命、提高效益，不但加速電動車產業發展，進一步創造汰役電池二次應用的新興產業。

如何評估電池健康狀態已在學術界研究多年，主要的方式有兩種：第一種是標準的全放電方式，也就是IEEE Standard 1188-2005所定義的檢測方式，其利用電池全充放電的方式來量測電池最大可用容量，雖然較為準確，但檢測時間往往需要3-4小時方能完成，這無法滿足在電池交換、電池交易等須快速檢測與評估電池健康狀態的需求。因此，第二種快速檢測的技術才被開發出來，其利用電流脈衝方式對電池進行檢測，分別依據電池量測的電壓差值，計算電池內阻或估測最大可用容量來評估電池 的健康狀態；例如M.Coleman使用二段式脈波負載放電(Two-Pulse Current Load)的方式來評估電池因老化所剩餘的最大可用容量。此一技術由國立愛爾蘭大學所申請的美國專利US7692410號所揭露。使用二段式脈波負載放電的目的是因為待測電池之前的歷史狀態未知，故取第二個脈波負載放電所量測的電池電壓差值與之前建立的資料庫進行比對與估測。

二段式脈波負載放電診斷電池健康狀態之方法，其運用了定電流的方式進行二段式脈波放電，其中，第一段脈波負載放電目的為確保初始電池測試前的狀態一致與測出第一段放電後回復的最高電壓V_MAX，其第二段脈波負載放電目的在建立診斷電池健康所需之參數與測出第二段放電後的最低電壓V_MIN，運用最高電壓V_MAX與最低電壓V_MIN的差值△V₂來計算出電池參數C_R，其電池健康狀態定義如下所示： AHC(Ampere hour capacity)為電池容量單位(安培小時)，亦即電池以一安培電流充/放電一小時的電容量；C rate(C_R)為，C_R=I/AHC_Nom，電池充/放電電流除以電池出廠的標稱容量，稱為充/放電電流倍率。電池電 量狀態，可以使用庫倫積分法對充/放電 電流進行積分來估測電池電量狀態。

電池健康狀態(State of health,SOH)，其定義為SOH=AHC_Aged/AHC_Nom，其中AHC_Aged為現階段電池老化後的最大可用容量，AHC_Nom為電池出廠的標稱容量。

因此，習知的二段式脈波負載放電診斷電池健康狀態之方法提供一種可快速檢測電池健康狀態的方法，顯示如何快速檢測出電池的健康狀態已成目前業界極為專注的研發方向。

為達上述目的，本發明提供一種電池健康狀態檢測方法，可提供快速且準確的檢測出電池健康狀態。

本發明提供一種電池健康狀態檢測方法，包含：將一待測電池靜置一第一時間；以一第一負載，一第一頻率讓該待測電池進行抖動放電，持續一第二時間；以該第二負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第三時間；於該第三時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第一電壓V₁；以一第三負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第四時間；於該第四時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第二電壓V₂；產生一電池電量狀態值SoC；及產生一電池健康狀態(SOH)。

為讓本發明之上述和其他目的、特徵、和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式，作詳細說明如下(實施方式)。

步驟101‧‧‧將待測電池靜置第一時間。此步驟可讓待測電池30穩定化

步驟102‧‧‧以第一負載，第一頻率讓待測電池進行抖動放電，持續第二時間

步驟103‧‧‧以第二負載，讓待測電池進行持續放電，持續第三時間

步驟104‧‧‧於第三時間結束前，測量待測電池的輸出之第一電壓V₁與輸出之第一電流I₁，可連續測量多次，並取其平均值

步驟105‧‧‧以第三負載，讓待測電池進行持續放電，持續第四時間

步驟106‧‧‧於第四時間結束前，測量待測電池的輸出之第二電壓V₂與輸出之第二電流I₂，可連續測量多次，並取其平均值

步驟107‧‧‧依據第一電壓V₁檢索電池電量狀態值(SoC)對照表，產生電池電量狀態值SoC；依照第一電壓V₁與第二電壓V₂計算電壓差值△V，並依據電壓差值△V，檢索電池參數(C_R)對照表，產生電池參數C_RM；依照第二電流I₂與第一電流I₁計算電流差值△I

步驟108‧‧‧依據所得之電池參數C_RM與電流差值△I，計算電池容量(AHC)，再依據電池容量(AHC)與出廠標準電池容量(AHC_N)計算得電池 健康狀態(SOH)

步驟111‧‧‧將經定電流放電測試後的具有標準電池電量狀態值(SoC)的標準電池靜置第一時間

步驟112‧‧‧以第一負載，第一頻率讓標準電池進行抖動放電，持續第二時間

步驟113‧‧‧以第二負載，讓標準電池進行持續放電，持續第三時間

步驟114‧‧‧於第三時間結束前，測量標準電池的輸出之第一電壓V₁與輸出之第一電流I₁，可連續測量多次，並取其平均值

步驟115‧‧‧以第三負載，讓標準電池進行持續放電，持續第四時間

步驟116‧‧‧於第四時間結束前，測量標準電池的輸出之第二電壓V₂與輸出之第二電流I₂，可連續測量多次，並取其平均值

步驟117‧‧‧重覆將不同電池電量狀態值SoC的多個標準電池執行步驟111至116，依據多個第一電壓V₁與電池電量狀態值SoC產生電池電量狀態值(SoC)對照表

步驟118‧‧‧依照不同電含量值SoC與第一電壓V₁與第二電壓V₂計算多個電壓差值△V；依照第二電流I₂與第一電流I₁計算對應的多個電流差值△I；依據每個標準電池的電池容量(AHC)與出廠標準電池標稱容量(AHC_N)與電流差值△I，計算對應的電池參數C_RM，並對照電壓差值△V產生廠商電池參數(C rate)對照表(C _RM =△I/AHC)

第1圖係本發明之電池健康狀態管理方法之四階段脈波放電示意圖。

第2A圖係本發明之電池健康狀態管理方法中，建立第一電壓與電池電量狀態值(SoC)對照表的圖表說明。

第2B圖係本發明之電池健康狀態管理方法中，第一電壓與電池電量狀態值(SoC)對照表的一實施例。

第3A圖係本發明之電池健康狀態管理方法中，建立電壓差值與電池參數(C_R)對照表的圖表說明。

第3B圖係本發明之電池健康狀態管理方法中，電壓差值與電池參數(C_R)對照表的一實施例。

第4圖係本發明之電池健康狀態管理方法之流程圖實施例。

第5圖係本發明之電池健康狀態管理方法之建立電池電量狀態值(SoC)對照表、廠商電池參數(C_R)對照表之流程圖實施例。

根據本發明的一個實施例，本發明提供了一個電池健康狀態檢測系統，運用第一階段的靜置期，第二階段運用抖動小電流放電，第三階段的小電流放電與第四階段的大電流放電方式，求得電池健康狀態SOH。電池電量狀態值SoC、電池參數C_R，都是藉由預先建立的電池電量狀態值(SoC)對照表、電池參數(C_R)對照表所得出，由於每批電池的電池特性大致上相近。因此，對於判斷電池的健康狀態，能達到準確度高、快速、簡易的具體功效。

請參考第1圖，本發明之電池健康狀態管理方法之四階段脈波放電示意圖。本發明藉由產生第一階段、一第二階段、一第三階段、第四階段的工作時序，並對待測電池進行第一階段的靜置、第二階段的抖動放電(小電流)、第三階段(小電流)與第四階段(大電流)的持續放電。並量測待測電池於第三階段期間之第一電壓V₁，及於第四階段之第二電壓V₂，並據以產生電池電量狀態值SoC與電池健康狀態(SOH)。由於第三階段期間係以小電流放電，且第四階段期間係以大電流放電。

其中，第一階段的目的主要是因為電池先前的歷史狀態未知，我們先將電池靜置一段時間(第一時間)，讓大部分的電池電化學反應完 成，減少電池測試的誤差。

第二階段為電池測試初始化階段，我們以第一放電電流I₁與第一頻率讓電池進行脈衝放電，持續一第二時間，其目的在於讓所有待測電池在測試電池前，均具有相同的電池狀態。抖動放電的第一頻率可介於1~1,000赫茲(Hz)。

初始化後的電池，於第三階段進行第一放電電流I₁測試，持續放電一第三時間，並全程量測電池電壓與電流響應數據共計N筆，計算第一平均電壓與第一平均電流，即可量測出相對穩定的電池的工作電壓，據以掌握電池電量狀態值SoC。

，加總複數次電壓值並取平均值(式1)。

，加總複數次電流值並取平均值(式2)。

其中M、N均為正整數，M為第三階段量測之第M個電壓值，可以是1,2，或其他數，但必須小於N，因此，上述方程式表示將最後第M筆到第N筆的電壓與電流量測數據進行平均，降低量測誤差與雜訊的干擾。

接著，於第四階段進行第二放電電流I₂測試，持續一第四時間，並全程量測電池電壓與電流響應數據共計N筆，計算第二平均電壓與第二平均電流： ，加總複數次電壓值並取平均值(式3)。

，加總複數次電流值並取平均值(式4)。

其中M、N均為正整數，M為第三階段量測之第M個電壓值，可以是1,2，或其他數，但必須小於N，因此，上述方程式表示將最後第 M筆到第N筆的電壓與電流量測數據進行平均，降低量測誤差與雜訊的干擾。

完成上述檢測程序後，分別計算兩次電流放電的電壓差值與電流差值，如下所示：，為第一平均電壓與第二平均電壓之差值(式5)。

，為第二平均電流與第一平均電流之差值(式6)。

在第四階段的大電流放電，測出電池的電壓變化值，藉以得出電池參數C_R，即可求得電池健康狀態SOH。第四階段的大電流放電，可以測得電池的真實放電能力。例如，在第三階段測量的第一電壓(V₁)相同的兩個電池，在第四階段，一個於大電流放電後壓降較高，另一個壓降較低，則可確認壓降較高的電池健康狀態較差，會得到較低的SOH值。

其中，第二階段的抖動放電與第三階段的小電流持續放電，可以控制電流值相同或不相同。第一階段的時間長度為第一時間，可介於60~180秒，較佳者為60秒。第二階段的時間長度為第二時間，可介於5~60秒，較佳者為10秒。第三階段的時間長度為第三時間，可介於5~60秒，較佳者為10秒。第四階段的時間長度為第四時間，可介於5~60秒，較佳者為10秒。

其中，電池健康狀態檢測裝置10由待測電池90於第三階段所量測的第一平均電壓，以及第四階段所量測的第二平均電壓計算得電壓差值△V，再以第一電壓V₁檢索內建的電池電量狀態值(SoC)對照表而 取得電池電量狀態值SoC；並以電壓差值△V檢索廠商電池參數(C rate)對照表，而取得電池參數C_R，再由電池參數C_R與第一平均電壓產生與第二平均電壓所換算的電流差值△I，計算得電池健康狀態(SOH)。

其中，本發明修正了C-rate的公式，定義C_RM=△I/AHC_Aged，因此，有了上面求取的△V的值，可以由第四圖求出C_RM，進一步計算得到電池老化的可用容量AHC_Aged=△I/C_RM(式7)，藉由查表的方式取得C_RM後，與藉由式6所計算之電流差值△I，即可獲得AHC值。接著，再由SOH=AHC/AHC_N(式8)可計算得SOH值，AHC_N為新電池最大充電容量，也就是出廠標準電池標稱容量。

總結以上的說明可知，本發明的電池健康狀態檢測方法係藉由四個階段的時序與對電子負載30的控制，來量測出第三階段與第四階段的第一平均電壓與第二平均電壓，再以查表法與式5、式6、式7、式8得出電池健康狀態SOH及電池電量狀態SOC。

具體的查表方法，請參閱第2A、2B圖，其說明了電池電量狀態值(SoC)對照表的產生與運用。電池電量狀態值(SoC)對照表的製作，係透過事先製作的方式，針對每個廠商的每個型號，甚至每個批號，單獨製作出一個對照表。由於每個廠商製作的每個型號電池之間的特性接近，因此，透過事先依照每個電池的狀態所建立的對照表，其精確度會相當高。當然，也與建構對照表的過程的測試精度有關，也就是測量第一平均電壓與第二平均電壓的電池健康狀態檢測裝置10的測試電壓解析度有關。此外，於建立對照表的過程，使用了多少的樣品進行測試也有相對的關係，使用越多的樣品進行測試，所建立的對照表準確度也會增加。不過，建立 對照表的成本也會相對應提高。

在第3A圖中，本發明將經定電流放電測試後的具有標準電池電量狀態值(SoC)，選定特定電池電量狀態值(SoC)的標準電池數個，在此，係選擇了三個來進行測試(例如，以IEEE Standard 1188-2005所定義的檢測方式)。再依照本發明的四階段測試方法得到每個電池的第一平均電壓，藉由迴歸曲線分析，可得到如第3B圖的電池電量狀態值(SoC)對照表，在此實施例中，廠商A(Company A)的型號I(Type I)的電池，以每3%SOC為基準，從100~22(%)，依據建立了與第一平均電壓的電壓值對照表。由於SOC是預先選定，第一平均電壓的電壓值則是實際測試出來的結果。因此，當知道待測電池30為廠商A型號I的電池時，即可採用此表，依據所測量出來的第一平均電壓反推其SOC值。此即為本發明查表法的意涵。

同樣的方法，本發明也用在電池參數(C_RM)對照表的建立上，請參考第3A、3B圖。同樣地，將經定電流放電測試後的標準電池，以IEEE Standard 1188-2005所定義的檢測方式，計算得其電池健康狀態SOH，並得到每個標準電池的電池最大充電容量AHC的值。接下來，再依照C_RM=△I/AHC(式8)，將本發明的四階段測量法得到每個電池的所測得的電流差值△I代入，即可獲得每個電池的電池參數C_R。最後，再依照每個電壓差值△V與電池參數C_R，即可繪製出如第3A圖的實施例，在此，係選擇了每個電池健康狀態選擇三個電池來進行測試。藉由迴歸曲線分析，可得到如第3B圖的電池參數(C_RM)對照表，在此實施例中，廠商A(Company A)的型號I(Type I)的電池，電池參數C_RM從0.05~1.5，建立了與電壓差值△V的對照表。由於電池健康狀態SOH可由其他標準方法測得，因此，電池參數C_RM與電壓差值 △V是實際測試出來的結果，因此，就等同於模擬了待測電池30的測試結果。因此，當知道待測電池30為廠商A型號I的電池時，即可採用此表，依據所測量出來的電壓差值△V反推其電池參數C_R，此即為本發明查表法的意涵。

接下來，請參考第4圖，本發明之電池健康狀態管理方法之流程實施例，其包含了以下的步驟：

步驟101：將待測電池靜置第一時間。此步驟可讓待測電池30穩定化。

步驟102：以第一負載，第一頻率讓待測電池進行抖動放電，持續第二時間。此步驟可讓待測電池30初始化。

步驟103：以第二負載，讓待測電池進行持續放電，持續第三時間。

步驟104：於第三時間結束前，測量待測電池的輸出之第一電壓V₁與輸出之第一電流I₁，可連續測量多次，並取其平均值(式3、式4)。在前述的實施例中，第一電壓V₁係以第一平均電壓的型態呈現，就其他的實施例而言，亦可以僅量測一次。

步驟105：以第三負載，讓待測電池進行持續放電，持續第四時間。

步驟106：於第四時間結束前，測量待測電池的輸出之第二電壓V₂與輸出之第二電流I₂，可連續測量多次，並取其平均值(式3、式4)。在前述的實施例中，第二電壓V₂係以第二平均電壓的型態呈現，就其他的實施例而言，亦可以僅量測一次。

步驟107：依據第一電壓V₁與電池電量狀態值(SoC)對照表，產生電池電量狀態值SoC；依照第一電壓V₁與第二電壓V₂計算電壓差值△V(式5)，並依據電壓差值△V，檢索電池參數(C_R)對照表，產生電池參數C_R；依照第二電流I₂與第一電流I₁計算電流差值△I(式6)。

步驟108：依據所得之電池參數C_R與電流差值△I，計算電池容量(AHC)(式7)，再依據電池容量(AHC)與出廠標準電池容量(AHC_N)計算得電池健康狀態(SOH)(式2)。

其中，第一負載、第二負載與第三負載係可調；第一負載、第二負載的負載值可相同。

接著，請參考第5圖，本發明的電池電量狀態值(SoC)狀態表與電池參數(C rate)對照表的建立流程實施例，包含以下步驟：

步驟111：將經定電流放電測試後的具有標準電含量值(SoC)的標準電池靜置第一時間。此步驟可讓待測電池30穩定。

步驟112：以第一負載，第一頻率讓標準電池進行抖動放電，持續第二時間。此步驟可讓待測電池30初始化。

步驟113：以第二負載，讓標準電池進行持續放電，持續第三時間。

步驟114：於第三時間結束前，測量標準電池的輸出之第一電壓V₁與輸出之第一電流I₁，可連續測量多次，並取其平均值(式3、式4)。

步驟115：以第三負載，讓標準電池進行持續放電，持續第四時間。

步驟116：於第四時間結束前，測量標準電池的輸出之第二 電壓V₂與輸出之第二電流I₂，可連續測量多次，並取其平均值(式3、式4)。

步驟117：重覆將不同電池電量狀態值SoC的多個標準電池執行步驟111至116，依據多個第一電壓V₁與電池電量狀態值SoC產生電池電量狀態值(SoC)對照表。

步驟118：依照不同電池電量狀態值SoC與第一電壓V₁與第二電壓V₂計算多個電壓差值△V；依照第二電流I₂與第一電流I₁計算對應的多個電流差值△I；依據每個標準電池的電池容量(AHC)與出廠標準電池標稱容量(AHC_N)與電流差值△I，計算對應的電池參數C_RM，並對照電壓差值△V產生電池參數(C rate)對照表(C _RM =△I/AHC)。

由第4圖、第5圖的流程可以發現，藉由相同的測試流程，透過標準流程如IEEE Standard 1188-2005所定義的檢測方式來定義出標準電池的狀態所得到的電池電量狀態值(SoC)對照表與電池參數(C_RM)對照表，具有極佳的參考性。因此，本發明的方法具體可行，且可達到精度高、快速檢測的具體功效。

藉由抖動放電，讓電池由睡眠狀態喚醒，為本發明的第一特色。先進行抖動放電，再進行小電流放電(I₁)，可讓電池獲得較穩定的第一電壓V₁值，為本發明的第二特色。由小電流放電(I₁)所得的第一電壓(V₁)再取得SOC值，到大電流放電(I₂)再取得電池參數值(C_R)為本發明的第三特色。

此外，本發明所提供的快速電池健康狀態檢測技術，其檢測時間小於3分鐘，能有效縮短電池健康狀態檢測時間。

更甚者，本發明所提供的電池健康狀態檢測方法，可檢測 各種不同的電池種類，例如鉛酸電池、鋰離子電池等。

雖然本發明的技術內容已經以較佳實施例揭露如上，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所作些許之更動與潤飾，皆應涵蓋於本發明的範疇內，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。

Claims (10)

1. 一種電池健康狀態檢測方法，包含：將一待測電池靜置一第一時間；以一第一負載，一第一頻率讓該待測電池進行抖動放電，持續一第二時間；以該第二負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第三時間；於該第三時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第一電壓V₁；以一第三負載，讓該待測電池進行持續放電，持續一第四時間；於該第四時間結束前，測量該待測電池的輸出之一第二電壓V₂；產生一電含量值SoC；及產生一電池健康狀態(SOH)。
2. 如請求項1的電池健康狀態檢測方法，其中該第二負載小於該第三負載。
3. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該電池健康狀態檢測裝置由該第一電壓V₁產生與該第二電壓V₂計算得一電壓差值△V，再以該第一電壓V₁檢索的一電池電量狀態值(SoC)對照表而取得該電池電量狀態值SoC，並以該電壓差值△V檢索一廠商電池參數(C rate)對照表，而取得一電池參數C_RM，再由該電池參數C_RM與該第一電壓V₁產生與該第二電壓V₂所換算的一電流差值△I，最後計算得該電池健康狀態(SOH)。
4. 如請求項3的電池健康狀態檢測方法，其中該電壓差值△V係為該第一電壓V₁減去該第二電壓V₂之值。
5. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該第一負載、該第二負 載與該第三負載係可調。
6. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該第一負載、該第二負載的負載值可相同。
7. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該第一時間係介於60~180秒。
8. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該第二時間、第三時間、第四時間係介於5~30秒。
9. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中該第一頻率係介於1~1,000赫茲(Hz)。
10. 如請求項1或2的電池健康狀態檢測方法，其中測量該第一電壓V₁與測量該第二電壓V₂之步驟，係連續測量複數次並取平均值。