TW201939057A - 電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統 - Google Patents

電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統 Download PDF

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Abstract

一種電池的安全鑑別方法，包括下列步驟。偵測一電池異常時的一電壓降以及一電壓降變化率。偵測電池異常時的一電壓降持續時間及一電壓回復比。偵測電池異常時的一表面溫度或一溫升變化。根據電壓降、電壓降變化率、電壓回復比以及表面溫度或溫升變化，設定電池異常的複數個危害等級以及至少一保護機制。

Description

電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統
本發明是有關於一種電池內短路的偵測方法，且特別是有關於一種電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統。
內短路是引發鋰離子電池熱失控的主要原因。內短路發生後，電流聚集在內短路點，產生大量的熱，導致局部高溫，最後甚至引起熱失控。目前的電池內短路的偵測主要是以不銹鋼針進行針刺實驗以模擬電池內短路，以觀察電池是否發生熱失常。通常，針刺對電池造成破壞而產生很大的短路能量，然而一般電池內短路引發的熱失控很多情況是由很多異常的微短路不斷累積而引發的，因此僅藉由針刺成功或失敗的二元結果來判斷電池安全或危險，沒有更準確的安全鑑別方法，將無法量化引發熱失常的內短路能量。
因此，有必要針對目前的針刺實驗進行改善，以接近真實電池內短路的狀況。此外，有必要針對電池發生內短路的狀況進行分級，以達到電池安全鑑別分級的功效。
本發明係有關於一種電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統，可做為電池管理系統的內短路偵測機制，以判斷電池的異常狀態。
根據本發明之一方面，提出一種電池的安全鑑別方法，包括下列步驟。偵測一電池異常時的一電壓降以及一電壓降變化率。偵測電池異常時的一電壓降持續時間及一限定時間區間內的一電壓回復比。偵測電池異常時的一表面溫度或一溫升變化。根據電壓降訊號、電壓降變化率、電壓回復比以及表面溫度或溫升變化，設定電池異常的多個危害等級以及至少一保護機制。其中，當符合一第一條件時，電池異常設定為輕度危害等級，當未符合第一條件且符合一第二條件時，電池異常設定為中度危害等級，當未符合第一條件且未符合第二條件時，電池異常設定為高度危害等級，並啟動至少一保護機制。
根據本發明之一方面，提出一種電池內短路危害等級設定方法，包括下列步驟。對多個電池進行一針刺程序，此些電池具有多個不同的電池容量狀態。設定針刺程序中的一針刺參數，針刺參數包括一針刺速度以及一停針條件。記錄各電池於針刺程序中的一電壓降訊號、一電壓回復訊號、一溫度訊號以及一溫升速度訊號。根據針刺結果，建立與電池的電壓降訊號與電壓回復訊號相關的多個危害等級。
根據本發明之一方面，提出一種用以鑑別電池的危害等級的警示系統，包括一電池管理系統以及一警報系統。電池管理系統用以執行上述的電池的安全鑑別方法，以判斷電池之異常狀態。警報系統根據此些危害等級分別顯示燈號或發出警報。
為了對本發明之上述及其他方面有更佳的瞭解，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下：
以下係提出實施例進行詳細說明，實施例僅用以作為範例說明，並非用以限縮本發明欲保護之範圍。以下是以相同/類似的符號表示相同/類似的元件做說明。
依照本發明之一實施例，提出一種電池的安全鑑別方法及判斷方式，可根據電池的電壓、電流、溫度等參數發生的異常訊號設定電池異常時的危害等級。異常訊號例如是短時間發生電壓驟降，當電池的壓降並非正常充放電電流所引起時為異常壓降，異常壓降越大，表示瞬間的短路電流也越大。此外，異常訊號例如是異常壓降時間或異常回復速度，當異常壓降持續時間越長，回彈速率越慢，其電池安全性越差，因為壓降代表短路能量釋放，而壓降後回復速度越快，表示電池材料的防禦力強，有修復機會。另外，異常訊號例如是異常壓降引發溫升變化，通常壓降越大、壓降持續時間越長、回復速度越慢等都意味著電池異常釋放的能量越大，引發電池芯溫升而爆炸的機率相對也越高。再者，異常訊號例如是異常發生頻率，當上述電壓降、壓降持續時間及電壓回復比等三種異常訊號的發生頻率越高，相當於電池內部材料加速劣化的可能性也增加，也可用於判斷異常強度的基準。
此外，電池異常時的危害等級可依照輕重程度分為正常、警示、召回、危險以及啟動保護機制等。正常為無異常訊號發生。警示為輕度危害等級的異常訊號，例如壓降不大、發生壓降時回彈快速、壓降持續時間短或是溫升速度低於設定範圍內(例如：設定值=1.5°C/sec)。召回為中度危害等級的異常訊號，例如壓降大、回彈速率慢、壓降持續時間長、溫升速度達到設定範圍內(例如：設定值＞ 1.5°C/sec)或是電池的表面溫度在設定範圍內（例如70°C＜ 設定值 ＜85°C）。危險為高度危害等級的異常訊號，當電壓降、或溫度超過召回設定範圍，且溫升速度達到設定值（例如：設定值＞ 5°C/sec)，溫度超過過溫保護值的設定倍率(例如：1.1倍) 或是電池的表面溫度大於設定值（例如85°C）時，任一條件成立時，即表示電芯可能有熱失控（thermal runaway）的爆炸風險，需儘速通知使用者逃離並發出疏離警報。
當電池管理系統(Battery Management System, BMS)判斷為高度危害等級的異常訊號，可啟動一保護機制，保護機制例如是關閉電池之充電功能、開啟廣播語音或疏離警報，若電池內部有熱管理機制，則啟動電池的一強制冷卻功能，以將冷卻模式調到最大、或是開啟電池的一洩能迴路，透過外部迴路盡量將電池能量快速釋放，以減少爆炸的機率。因為電池能量越低，引發熱失常的機率也越低。因此，透過洩能迴路（例如特殊的接地導通迴路）釋放電能可將電池的危害降至最低。
因此，本實施例所述的電池的安全鑑別方法，可根據不同的異常訊號設定多個危害等級，不同危害等級給予不同的處置措施。此外，上述的危害等級可經由評量電池內短路的針刺試驗來設定，並儲存在電池管理系統中以供異常判斷或將異常訊號回傳到數據中心以進行分析比對。因此，根據本發明之一實施例，又提出一種電池內短路危害等級設定方法，以提昇電池分級判斷的準確性。
請參照第1圖，其繪示電池的安全鑑別方法及警示判斷的流程，包括下列步驟S11-S14。首先，在步驟S11中，於普通記錄階段下偵測電池的電壓降、電池回復比、電池溫度及溫升變化等訊號是否發生異常。若無異常訊號，則判斷為正常。電壓降為任二個相鄰時間點之間的電壓差，累降電壓為相鄰五個時間點，其中後兩個時間點所量測之電壓平均減前三個時間點所量測的電壓平均之差值，並以最後時間點作為不正常電壓降的時間點。「不正常電壓降」係指於電壓差小於-10 mV或於普通記錄階段下之累降電壓小於等於-5 mV，其中負值代表電壓降。當發生不正常電壓降時，啟動高速記錄階段，並且以不正常電壓降的時間點起算10秒以內之時間稱為「高速記錄區間」。詳細來說，在普通記錄階段中，每過一設定時間後，設定時間例如是1秒，會重新進行記錄及偵測，而在高速記錄階段中，則在發生不正常電壓降時啟動，並於高速記錄區間內進行記錄及偵測，此處的高速係指重新進行記錄及偵測的設定時間短於普通記錄階段，例如是每短於1秒的時間重新記錄及偵測，在一實施例中，重新記錄及偵測的設定時間為3-5毫秒。要注意的是，以上「不正常電壓降」與累降電壓僅為例示，得依照不同種類(type)、形式(form)或組成(constitution)之電極材料、電解質或構裝方式所製造之電池，適應性的進行對應數值之更改。
請先參照第11圖，於高速記錄區間內，發生不正常電壓降的時間點稱為A點。A點後所量測之最低電壓之時間點，稱為B點；於高速記錄區間內，且於B點後所量測之電壓之最大值，該時間點為C點；於高速記錄區間內，且於B點後限定時間區間（例如1秒）內所量測之電壓之最大值，該時間點為C’點。A點所量測之電壓值減B點所量測之電壓值，稱為總電壓降(ΔV1)。C點所量測之電壓值減B點所量測之電壓值，稱為回復電壓 (ΔV2)，若於限定時間區間內則以C’點取代C點。回復電壓除以總電壓降之百分比，稱為電壓回復比(ΔV2/ΔV1Í100%) 。
請參照步驟S12，判斷異常訊號是否符合第一條件，第一條件可為電壓降未大於一第一電壓降設定值或電壓降變化率未小於一電壓降變化率設定值。例如當電池的總電壓降未大於499mV或電壓降變化率未小於-10mV/ms時，符合第一條件，判斷電池為輕度危害等級。反之，在步驟S12中，當電池的總電壓降大於499mV或電壓降變化率小於-10mV/ms時，未符合第一條件，判斷電池至少為中度危害等級。
此外，在步驟S13中，對於未符合第一條件者，判斷異常訊號是否符合第二條件，第二條件可為電壓降未大於一第二電壓降設定值、一限定時間區間內的電壓回復比大於一第一電壓回復比設定值以及電池的表面溫度小於一第一溫度設定值，例如當電池的總電壓降未大於1000mV、0.5秒內電壓回復比大於60％以及電池的表面溫度小於85°C中至少一滿足時，符合第二條件，判斷電池無法修復，進行召回通知。反之，在步驟S13中，當電池的總電壓降大於1000mV、一限定時間區間內的電壓回復比小於一設定值（例如0.5秒內電壓回復比小於60％）以及電池的表面溫度大於一設定值（例如大於85°C）中至少一滿足時，未符合第二條件，判斷電池為高度危害等級，並啟動一保護機制，以降低電池發生熱失常的機率。
另外，在步驟S14中，對於符合第一條件者，判斷異常訊號是否符合第三條件，第三條件為於另一限定時間區間內的電壓回復比大於一第二電壓回復比設定值及/或電池的表面溫度小於一第二溫度設定值，例如：當電池1秒內電壓回復比大於90％及/或電池的表面溫度小於70°C時，如符合第三條件，則表示電池恢復正常，並顯示正常燈號。反之，在步驟S14中，當電池於另一限定時間區間內的電壓回復比小於一設定值（例如90％）及/或電池的表面溫度位於設定範圍內（例如溫升變化介於70-85°C之間）時，未符合第三條件，則顯示警示燈號。
上述針對第1圖之說明僅為一實施例，吾人亦可透過電壓降、電壓降持續時間、電壓回復比以及溫升變化中任何一種組合來設定電池異常的危害等級，請參照第2圖之說明，本發明對此不加以限制。
請參照第2圖，電池的安全鑑別方法可包括下列步驟S21-S24。步驟S21，偵測電池異常時的一電壓降以及一電壓降變化率。步驟S22，偵測電池異常時的一電壓降持續時間及在一限定時間區間內之一電壓回復比。步驟S23，偵測電池異常時的一表面溫度或一溫升變化。步驟S24，根據電壓降、電壓降變化率、電壓回復比以及表面溫度或溫升變化，設定電池異常的多個危害等級以及至少一保護機制。
在一實施例中，設定電池異常的多個危害等級中，可同步參考第1圖與第2圖，當符合第一條件時，電池異常設定為輕度危害等級。當未符合第一條件且符合第二條件時，電池異常設定為中度危害等級。當未符合第一條件且未符合第二條件時，電池異常設定為高度危害等級，並啟動保護機制。此外，第一條件為電壓降未大於第一電壓降設定值或電壓降變化率未小於電壓降變化率設定值，第二條件為電壓降未大於第二電壓降設定值、電壓回復比大於第一電壓回復比設定值以及表面溫度小於第一溫度設定值中至少其中之一者。此外，當符合第一條件時，更可判斷是否符合第三條件，如符合第三條件，則表示電池恢復正常，第三條件可為電壓回復比大於第二電壓回復比設定值或表面溫度小於第二溫度設定值。
而在其他的實施例中，第一條件與第二條件可有不同的設定及判斷基準。詳細來說，第一條件為當電壓降訊號小於一第一設定值、電壓降持續時間小於一第二設定值、電壓回復比大於一第三設定值以及溫升變化訊號小於一第四設定值，當至少一者滿足時，電池異常設定為輕度危害等級。第二條件為當電壓降訊號大於第一設定值、電壓降持續時間大於第二設定值、電壓回復比小於第三設定值以及溫升變化大於第四設定值，其中之一或二者滿足時，電池異常設定為中度危害等級。而當其中至少三者滿足時，電池異常設定為高度危害等級。
在一實施例中，當電池異常設定為輕度危害等級且判斷電池於一特定時間內發生異常的數次大於一設定次數時，可將電池異常重新設定為中度危害等級。或者，電池異常設定為中度危害等級且判斷電池的表面溫度大於85度時，可將電池異常重新設定為高度危害等級。在另一實施例中，當電池異常設定為中度危害等級且判斷電池的表面溫度高於85度時，可啟動保護機制，保護機制包括關閉電池之充電功能。在一實施例中，保護機制可包括發出一電池熱失常疏離警報、啟動電池的一強制冷卻功能或開啟電池的一洩能迴路。
請參照第1及3圖，在第3圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓降變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（77064 ms）偵測到-6 mV 之累降電壓差，符合累降電壓差小於等於-5 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（77064 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為4153 mV，並於時間點（77405 ms）時得到B點之電壓值為4107 mV，其總電壓降為46 mV，且電壓降變化率dV為-1.18mV/ms，沒有小於-10 mV/ms，異常訊號符合第一條件，故進入輕度危害等級。要注意的是，此處所述的電壓降變化率dV係指單位時間內任二個相鄰時間點之間的電壓差。C’點所量測之電壓值為4152 mV，測得於限定時間區間1秒內之電壓回復比達98%大於設定值90％，異常訊號符合第三條件，表示電池可恢復，故顯示一正常燈號，並於高速記錄區間經過後，進入普通記錄階段。
請參照第1及4圖，在第4圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（2682ms）偵測到-5 mV 之累降電壓差，符合累降電壓差小於等於-5 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（2682 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為3882mV，並於時間點（2869 ms）時得到B點之電壓值為3803mV，其總電壓降為79 mV，且電壓降變化率dV為-2.3 mV/ms沒有小於-10 mV/ms，異常訊號符合第一條件，故進入輕度危害等級。C’點所量測之電壓值為3871 mV，測得於限定時間區間1秒內之電壓回復比達86%小於設定值90％，異常訊號不符合第三條件，表示電池受損不可恢復，但無立即性的危險，故顯示一警示燈號，並於高速記錄區間經過後，進入普通記錄階段。本實施例經判斷電池已受到不可恢復之傷害，故無法由警示燈號經其他途徑變為正常燈號。
請參照第1及5圖，在第5圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（169593ms）偵測到-74 mV 之不正常電壓降，符合不正常電壓降小於等於-10 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（169593 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為4218mV，並於時間點（169624 ms）時得到B點之電壓值為3746mV，其總電壓降為472 mV，且電壓降變化率dV為-19.9mV/ms，電壓降變化率小於-10 mV/ms，異常訊號不符合第一條件，故判斷進入至少中度危害等級。C’點所量測之電壓值為4133 mV，測得於限定時間區間0.5秒內之電壓回復比達85%大於設定值60％，且電池的表面溫度僅62.4o C小於設定值85°C，異常訊號符合第二條件，顯示召回通知之指示。本實施例經判斷由於電池已有相當高的風險與危害性，為保護使用者之安全，電池管理系統至完成檢查前皆保持高速記錄階段，且召回模式下，電池管理系統將禁止電池充電，並通知使用者儘快將電池送回原廠更換。
請參照第1及6圖，在第6圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（2533ms）偵測到-82mV 之累降電壓差，符合累降電壓差小於等於-5mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（2533ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為3998mV，並於時間點（2686 ms）時得到B點之電壓值為2040mV，其總電壓降為1958mV，且電壓降變化率為-42.5mV/ms，異常訊號不符合第一條件中總電壓降未大於499mV及/或電壓降變化率未小於-10 mV/ms之判斷要件，故判斷進入至少中度危害等級。C點所量測之電壓值為3227 mV，且總電壓降大於1000mV，異常訊號不符合第二條件，表示電池處於高度危害等級，故顯示保護燈號並啟動保護機制，例如強制放電、強制散熱、滅火設備作動等。本實施例經實驗判斷從啟動保護機制到最後電池爆炸還有8秒的反應時間，因此可增加人員疏離時間。
請參照第1及7圖，在第7圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（2001ms）偵測到-18 mV 之不正常電壓降，符合不正常電壓降小於等於-10 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（2001 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為4266mV，並於時間點（2261 ms）時得到B點之電壓值為3398mV，其總電壓降為868 mV，且電壓降變化率dV為-23.1 mV/ms，其總電壓降大於499mV及/或電壓降變化率小於-10 mV/ms，異常訊號不符合第一條件，故判斷進入至少中度危害等級。C’點所量測之電壓值為3702 mV，測得於限定時間區間0.5秒內之電壓回復比為35%小於設定值60％，且電池的表面溫度80.3°C小於設定值85°C，其0.5 秒內電壓回復比小於60%，表示異常訊號未符合第二條件，電池處於高度危害等級，故啟動一保護機制。
請參照第1及8圖，在第8圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（16344ms）偵測到-11 mV 之不正常電壓降，符合不正常電壓降小於等於-10 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（16344 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為4266mV，並於時間點（16427 ms）時得到B點之電壓值為3766mV，其總電壓降為500mV，且電壓降變化率為-22mV/ms，其總電壓降大於499mV及/或電壓降變化率小於-10 mV/ms，異常訊號不符合第一條件，故進入中度危害等級。C’點所量測之電壓值為4066 mV，測得於限定時間區間0.5秒內之電壓回復比為60%，且後續電池的表面溫度於時間點（91344 ms）大於設定值85°C（圖未示出），符合電池表面溫度大於85°C之進一步判斷要件，故顯示保護燈號並啟動保護機制。本實施例經實驗判斷從啟動保護機制到最後電池爆炸還有335秒的反應時間，因此可增加人員疏離時間。
請參照第1及9圖，在第9圖中，虛線代表溫度的變化（參照左軸Y座標），兩條實線分別代表電壓及電壓量變化率（參照右軸Y座標）。電池管理系統於普通記錄階段下，於時間點（2386ms）偵測到-65 mV 之不正常電壓降，符合不正常電壓降小於等於-10 mV之高速記錄階段啟動要件，並且立即啟動高速記錄階段。以時間點（2386 ms）作為A點，而A點所量測之電壓值為4082mV，並於時間點（4295 ms）時得到B點之電壓值為3578mV，其總電壓降為504mV，且電壓降變化率為-4 mV/ms，其總電壓降大於499mV，異常訊號不符合第一條件，故判斷進入至少中度危害等級。由於從A點至B點之時間已超過限定時間區間，故B點等於C點，電壓回復比為0%，且B點時電池的表面溫度113°C大於設定值85°C，其0.5 秒內電壓回復比小於60%或電池表面溫度大於85°C表示異常訊號不符合第二條件，表示電池處於高度危害等級，故顯示保護燈號並啟動保護機制。此外，於第9圖中也可得知，電池在 5000ms後溫度超過 200°C，已然造成嚴重危害。
請參照第10圖，電池內短路危害等級設定方法包括下列步驟S31-S35。步驟S31，對不同電池容量狀態的電池進行一針刺程序。步驟S32，設定針刺程序中的一針刺參數，針刺參數包括一針刺速度以及一停針條件。步驟S33，記錄電池於針刺程序中的一電壓降訊號、一電壓回復訊號、一溫度訊號以及一溫升變化訊號。步驟S34，根據針刺結果，建立與電池的電壓降訊號與電壓回復訊號相關的多個危害等級。在另一實施例中，可進一步包含步驟S35，根據針刺結果，建立與電池的溫度訊號與溫升速度訊號相關的多個危害等級。
上述的針刺程序主要是利用一針具以及一電腦對一電池進行一針刺程序、利用電腦記錄一對時間的訊號、建立訊號與電池針刺結果的一資料庫、利用資料庫判斷電池之安全性。在本實施例中，電池可為4.8Ah之捲繞式鋁箔包電池或10Ah之疊片式鋁箔包電池，然而，電池應當可為任一種類型的電池，並不以所列舉者為限。電池可透過預先充放電之方式達到所選定的50%、75％或100％電池容量狀態(State of Charge, SOC)。要說明的是，選定的多種不同電量狀態可分別介於30-100％電池容量狀態，並不以上述所列舉者為限。進行試驗時，可依照不同種類(type)、形式(form)或組成(constitution)之電極材料、電解質或構裝方式所製造之電池，選定一種以上之電池容量狀態進行針刺程序。
電腦用以設定針刺參數與停針條件並記錄針刺結果。針刺參數可包括針刺速度訊號。針刺速度例如是0.01mm/s、0.1mm/s、2mm/s、5mm/s、7mm/s、10mm/s、15mm/s、30mm/s。停針條件例如為電壓降大於設定值（例如300mV）及/或針刺深度到達設定值。針具之參數包含材質、種類以及針徑大小。針的材質可為絕緣材，例如為氧化鋁或玻璃纖維等，針徑大小例如為3mm或其他尺寸。要說明的是，針刺的速度可設定為0.01mm/s~50mm/s之間，停針條件的電壓降設定值可為100~1000mV之間，針刺深度設定值可為電池厚度的10％到全部穿刺，並不以上述所列舉者為限。此外，停針條件可同時以電壓降設定值及針刺深度設定值作為設定條件，當滿足其中任一條件者，則立即停針。在其他的實施例中，停針條件可僅設定電壓降設定值或針刺深度設定值，並不以此為限。
此外，電池於針刺程序中產生的電壓降訊號、電壓回復訊號、溫度訊號、溫升速度訊號，以及針刺參數、停針條件等控制訊號均可經由訊號傳輸單元傳送給電腦。
請參照第11及12圖，其中第11圖為電池經由針刺後的電壓變化示意圖，第12圖繪示根據電池容量狀態及針刺速度建立電池的危害等級的示意圖。在第11圖中，A為不正常電壓降訊號產生的時間點、ΔV1為A點電壓訊號減去B點所量測的最低電壓訊號的電壓差、ΔV2為C點電壓訊號減去B點所量測的最低電壓訊號的電壓差。ΔV’(即ΔV1-ΔV2)為A點電壓訊號減去C點電壓訊號的電壓差，一般來說電壓差ΔV’值越大，代表電池內短路釋放的能量也越多，從第12圖來看，電池容量狀態越高，短路能量越大，電池發生內短路的時候越危險。
請參照第12圖，在一實施例中，針對充電至50%電池容量狀態(SOC)的4.8Ah電池進行針刺程序，選用3mm的針，並設定針速速度為7mm/s與停針條件（電壓降達到300mV），量測A點、B點及C點的電壓訊號，並得到一針刺結果。接著，改變針速由7mm/s增加至30mm/s時，若出現多個不同針刺結果，可根據不同的針刺結果區分為穩定類別（安全）、介穩定類別（警戒）以及不穩定類別（危險）。上述的針刺結果可根據EUCAR 所制定的危害等級（Hazard levels） 作為分類判斷標準，其中穩定類別為Hazard levels 之0-1等級分類；介穩定類別為Hazard levels 之2-4等級分類；不穩定類別為Hazard levels 之5-7等級分類。
例如，在一實施例中，當針速7mm/s增加至30mm/s時，量測A點、B點及C點的電壓訊號，若電壓降未大於一設定值（例如總電壓降ΔV1未大於499mV）或電壓回復比大於一設定值（例如0.5秒內電壓回復比ΔV2/ΔV1大於60％），則設定為安全等級，若電壓降大於一設定值（例如總電壓降ΔV1大於499mV）或電壓回復比小於一設定值（例如0.5秒內電壓回復比ΔV2/ΔV1小於60％），則設定為警戒等級或危險等級。
接著，在第12圖中，針對充電至100%電池容量狀態(SOC)的4.8Ah電池進行針刺程序，選用3mm的針，並設定針速速度為5mm/s與停針條件（電壓降達到300mV），量測A點、B點及C點的電壓訊號，並得到一針刺結果。接著，改變針速由5mm/s減少至0.01mm/s時，若出現不同的針刺結果，則藉由改變電池測試時儲存的容量以及完成所有針速範圍內的針刺程序後建立資料庫，以完成第12圖所示之關係表。
此外，請參照第13圖，在另一實施例中，針對充電至50%電池容量狀態(SOC)的10Ah電池進行針刺程序，選用3mm的針，並設定針速速度為5mm/s與停針條件（電壓降達到300mV），當針速由5mm/s增加至30mm/s時，若出現多個不同針刺結果，可根據不同的針刺結果區分為穩定類別（安全）、介穩定類別（警戒）以及不穩定類別（危險）。接著，針對充電至100％電池容量狀態(SOC)的10Ah電池進行針刺程序，並改變針速由7mm/s減少至0.01mm/s，若出現不同的針刺結果，則藉由改變電池容量狀態以及完成所有針速範圍內的針刺程序後建立資料庫，以完成第13圖所示之關係表。
由上述說明可知，本實施例可透過改變上述的電池容量狀態及針刺參數，建立與電池的電壓降訊號與電壓回復訊號相關的多個危害等級(例如：安全、警戒及危險)。此外，當上述的針刺結果可得知電池針刺參數與溫升變化的關係時，在另一實施例中亦可透過改變上述的電池容量狀態及針刺參數，建立與此些電池的溫度訊號與溫升速度訊號相關的多個危害等級(例如：安全、警戒及危險)。
因此，可將上述的針刺結果及相關的危害等級儲存在電池管理系統中，以供電池管理系統根據這些危害等級設定前述各條件中的設定值，並據以執行前述之電池的安全鑑別方法，以判斷電池的異常狀態。
請參照第14至15圖，其分別繪示電池容量狀態大於75％時，根據電池的電壓降訊號與電壓回復速度建立電池危害等級的關係表以及根據電池的溫度訊號與溫升速度建立電池危害等級的關係表。其中，電壓降可分為三個等級（小於50mV, 50-100mV, 大於100mV），電壓回復速度可分為三個等級（大於10mV/s, 1-10mV/s, 小於1mV/S），溫度可分為三個等級（小於70°C、70-85°C、大於85°C）、溫升速度可分為三個等級（小於1.5°C/s、1.5-5°C/s、大於5°C/s）。
在初期時，判斷電池的內短路主要根據電池的電壓降以及電壓回復速度，若電池持續處於警戒與危險狀態，中後期則可以電池的溫度訊號與溫升速度為主，電壓訊號為輔。
請參照第16至17圖，其分別繪示電池容量狀態介於50％與75％之間時，根據電池的電壓降訊號與電壓回復速度建立電池危害等級的關係表以及根據電池的溫度訊號與溫升速度建立電池危害等級的關係表。其中，電壓降可分為四個等級（小於50mV, 50-100mV, 100-200mv, 大於200mV），電壓回復速度可分為三個等級（大於10mV/s,1-10mV/s, 小於1mV/S），溫度可分為三個等級（小於70°C、70-85°C、大於85°C）、溫升速度可分為三個等級（小於1.5°C/s、1.5-5°C/s、大於5°C/s）。
在初期時，判斷電池的內短路主要根據電池的電壓降以及電壓回復速度，若電池持續處於警戒與危險狀態，中後期則可以電池的溫度訊號與溫升速度為主，電壓訊號為輔。
請參照第18至19圖，其分別繪示電池容量狀態小於50％時，根據電池的電壓降訊號與電壓回復速度建立電池危害等級的關係表以及根據電池的溫度訊號與溫升速度建立電池危害等級的關係表。其中，電壓降可分為四個等級（小於50mV, 50-100mV, 100-200mv, 大於200mV），電壓回復速度可分為三個等級（大於10mV/s, 1-10mV/s, 小於1mV/S），溫度可分為三個等級（小於70°C、70-85°C、大於85°C）、溫升速度可分為三個等級（小於1.5°C/s、1.5-5°C/s、大於5°C/s）。
在初期時，判斷電池的內短路主要根據電池的電壓降以及電壓回復速度，若電池持續處於警戒與危險狀態，中後期則可以電池的溫度訊號與溫升速度為主，電壓訊號為輔。
請同時參考第14-19圖，根據上述實施例中的電池內短路危害等級設定方法，可將相關的危害等級表格化，分別顯示在不同電池容量狀態下，初期與中後期的危害等級。此外，可更進一步的將表格中的安全等級，以不同的色塊表示，例如說，安全等級以綠色區塊表示，警戒等級以黃色區塊表示，危險等級以紅色區塊表示，以方便製作於電池手冊中供閱覽。
根據上述的內容，提出一種用以鑑別電池的危害等級的警示系統，其包括一電池管理系統以及一警報系統。電池管理系統用以執行上述的電池的安全鑑別方法，以判斷電池之異常狀態。電池管理系統例如包含一微型電腦、一溫度感測器、一電壓感測器以及一無線通訊板。警報系統例如包含一顯示屏幕與一聲音擴大器，用以根據危害等級分別顯示燈號或發出警報。如第1圖所示，電池管理系統之判斷邏輯包含四個階段與至少四個決定步驟，階段分為普通記錄階段、高速記錄階段、警示或召回階段、以及作動階段，且階段與階段之間至少存在一決定步驟。電池管理系統之判斷邏輯中的普通記錄階段係以溫度感測器與電壓感測器所回傳之每秒資料寫入微型電腦中並進行運算。電池管理系統之判斷邏輯中的普通記錄階段與高速記錄階段之決定步驟，係由資料庫中之電壓對時間之訊號進行數學運算歸納後形成一不正常電壓降訊號。電池管理系統之決定步驟係採取一時間點所量測之電壓相減、一時間點所量測之電壓平均與另一時間點所量測之電壓平均相減、或任一前述之值再除以時間點間隔所組成之多個手段中之任一手段進行。電池管理系統之判斷邏輯中的高速記錄階段與召回或警示階段間係以不正常電壓降訊號發生後，所採取之一時間點所量測之電壓相減、一時間點所量測之電壓平均與另一時間點所量測之電壓平均相減、或任一前述之值再除以時間點間隔所組成之多個手段之任一手段進行，且所採取之決定步驟，其數值之絕對值不得低於不正常電壓降訊號之決定步驟。電池管理系統之判斷邏輯中召回或警示階段與作動階段間之決定步驟，係以一時間點所量測之電壓相減、一時間點所量測之電壓平均與另一時間點所量測之電壓平均相減、時間點所量測之溫度或前述電壓差值之除或積作為判斷。
綜上所述，雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明。本發明所屬技術領域中具有通常知識者，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。
S11-S14‧‧‧步驟
S21-S24‧‧‧步驟
S31-S35‧‧‧步驟
A‧‧‧不正常電壓降訊號產生的時間點
B‧‧‧A點後所量測之最低電壓之時間點
C‧‧‧B點後所量測之電壓之最大值
C’‧‧‧B點後特定時間區間內所量測之電壓之最大值
ΔV1‧‧‧A點電壓訊號減去B點所量測的最低電壓訊號的電壓差
ΔV2‧‧‧C點電壓訊號減去B點所量測的最低電壓訊號的電壓差
ΔV’‧‧‧A點電壓訊號減去C點電壓訊號的電壓差
第1圖繪示依照本發明一實施例的電池的安全鑑別方法及警示判斷的流程示意圖。
第2圖繪示依照本發明一實施例的電池的安全鑑別方法的各個步驟。
第3圖繪示判斷電池的電壓降及電壓回復比為輕度危害等級的示意圖。
第4圖繪示判斷電池的電壓降及電壓回復比為中度危害等級的示意圖。
第5圖繪示判斷電池的電壓降及電壓回復比為中度危害等級並啟動召回通知的示意圖。
第6至9圖分別繪示判斷電池的電壓降及電壓回復比為高度危害等級並啟動保護機制的示意圖。
第10圖繪示依照本發明一實施例的電池內短路危害等級設定方法的流程示意圖。
第11圖繪示依照本發明一實施例的電池經由針刺後的電壓變化示意圖。
第12圖繪示本發明一實施例中根據電池容量狀態及針刺參數建立電池的危害等級的示意圖。
第13圖繪示本發明另一實施例中根據電池容量狀態及針刺參數建立電池的危害等級的示意圖。
第14圖繪示根據高容量電池狀態的電壓降及電壓回復速度建立電池危害等級的關係表。
第15圖繪示根據高容量電池狀態的電池溫度及溫升速度建立電池危害等級的關係表。
第16圖繪示根據中容量電池狀態的電壓降及電壓回復速度建立電池危害等級的關係表。
第17圖繪示根據中容量電池狀態的電池溫度及溫升速度建立電池危害等級的關係表。
第18圖繪示根據低容量電池狀態的電壓降及電壓回復速度建立電池危害等級的關係表。
第19圖繪示根據低容量電池狀態的電池溫度及溫升速度建立電池危害等級的關係表。

Claims (17)

  1. 一種電池的安全鑑別方法，包括： 偵測一電池異常時的一電壓降以及一電壓降變化率； 偵測該電池異常時的一電壓降持續時間及一限定時間區間內的一電壓回復比； 偵測該電池異常時的一表面溫度或一溫升變化；以及 根據該電壓降、該電壓降變化率、該電壓回復比以及該表面溫度或該溫升變化，設定該電池異常的複數個危害等級以及至少一保護機制； 其中，當符合一第一條件時，該電池異常設定為一輕度危害等級，當未符合該第一條件且符合一第二條件時，該電池異常設定為一中度危害等級，當未符合該第一條件且未符合該第二條件時，該電池異常設定為一高度危害等級，並啟動該至少一保護機制。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一條件為該電壓降未大於一第一電壓降設定值或電壓降變化率未小於一電壓降變化率設定值，該第二條件為該電壓降未大於一第二電壓降設定值、該電壓回復比大於一第一電壓回復比設定值以及該表面溫度小於一第一溫度設定值中至少其中之一者。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之方法，其中當符合該第一條件時，更判斷是否符合一第三條件，如符合第三條件，則表示該電池恢復正常，其中該第三條件為該電壓回復比大於一第二電壓回復比設定值或該表面溫度小於一第二溫度設定值。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該第一條件為當該電壓降小於一第一設定值、該電壓降持續時間小於一第二設定值、該電壓回復比大於一第三設定值以及該溫升變化小於一第四設定值，當至少一者滿足時，該電池異常設定為該輕度危害等級。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之方法，其中該第二條件為當該電壓降大於該第一設定值、該電壓降持續時間大於該第二設定值、該電壓回復比小於該第三設定值以及該溫升變化大於該第四設定值，其中之一或二者滿足時，該電池異常設定為該中度危害等級，其中至少三者滿足時，該電池異常設定為該高度危害等級。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中當該電池異常設定為該輕度危害等級且判斷該電池於一特定時間內發生異常的數次大於一設定次數時，將該電池異常重新設定為該中度危害等級。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池異常設定為該中度危害等級且判斷該電池的該表面溫度低於85度時，啟動該至少一保護機制，該至少一保護機制包括關閉該電池之充電功能。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該電池異常設定為該中度危害等級且判斷該電池的該表面溫度大於85度時，將該電池異常重新設定為該高度危害等級。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之方法，其中該至少一保護機制包括發出一電池熱失常疏離警報、啟動該電池的一強制冷卻功能以及開啟該電池的一洩能迴路中之至少一者。
  10. 一種電池內短路危害等級設定方法，包括： 對多種不同電量狀態的一電池進行一針刺程序； 設定該針刺程序中的一針刺參數，該針刺參數包括一針刺速度以及一停針條件； 記錄各該電池於該針刺程序中的一電壓降訊號、一電壓回復訊號、一溫度訊號以及一溫升速度訊號；以及 根據針刺結果，建立與該電池的該電壓降訊號與該電壓回復訊號相關的複數個危害等級。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中更包括根據針刺結果，建立與該電池的該溫度訊號與該溫升速度訊號相關的複數個危害等級。
  12. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該多種不同電量狀態分別介於30-100％電池容量狀態。
  13. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該針刺速度設定為0.01mm/s~50mm/s之間。
  14. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該停針條件為該電壓降訊號大於一設定值，該設定值為100~1000mV之間。
  15. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其中該停針條件為一針刺深度大於一設定值，該設定值為該電池厚度的10％到全部穿刺。
  16. 如申請專利範圍第10項所述之方法，其步驟更包括：將該些危害等級儲存在一電池管理系統中，該電池管理系統根據該些危害等級執行如申請專利範圍第1-9項其中之一所述的安全鑑別方法，以判斷該電池之異常狀態。
  17. 一種用以鑑別電池的危害等級的警示系統，包括： 一電池管理系統，用以執行如申請專利範圍第1-9項其中之一所述的電池的安全鑑別方法，以判斷該電池之異常狀態；以及 一警報系統，根據該些危害等級分別顯示燈號或發出警報。
TW108107719A 2018-03-08 2019-03-08 電池的安全鑑別方法、電池內短路危害等級設定方法及應用其之警示系統 TWI708956B (zh)

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