TWI384246B - 藉電池電壓變化模式估測開路電壓以估測電池電阻特徵之裝置及方法 - Google Patents

Description

藉電池電壓變化模式估測開路電壓以估測電池電阻特徵之裝置及方法

本發明係關於一種估測一電池之電阻特徵的裝置及方法，尤指一種藉電池之開路電壓估測一電池之電阻特徵的裝置及方法。

現今空氣污染日益嚴重且石化燃料逐漸耗盡，例如混合動力車輛等使用電池的電動車輛逐漸受重視。電池的容量於使用時慢慢降低，其係由於電池的電化學反應為不可逆。用於例如行動電話等的攜帶式裝置中的電池並不會因為電池的容量減低而造成嚴重的問題。但若用於電動車輛的電池其容量低至一允許限度之下，則電動車輛會因電池容量短缺而突然停止。另外，若電池在其容量低於允許限度的狀態下重複地過度充電或過度放電，則可能會發生例如爆炸等之在電池穩定性上的嚴重問題。

因此，在電池相關產業中，根據電池的使用而數量化地估測老化效應的研究正被積極執行。為數量化地估測一電池的老化效應需要電化學參數，其係根據電池的使用時間而改變其性質，電池電阻被視為此種參數之一。電池電阻係依據電池的使用時間而傾向增加，因此藉由量測電池的電阻、並將其與當電池被製造出來時的初始電阻值比較，可數量化地估測電池的老化效應。

但是當電池被充電或放電時，電池電阻無法被直接量測。因此在相關領域中，係先量測電池電壓、以及一充電/放電電流被量測，然後依據歐姆定律間接量得電池電阻。但由於紅外線落差效應，測得之電池電壓與實際電壓有偏差，且電池電流也有量測誤差，因此依據歐姆定律所簡單算出的電池電阻與實際電阻有一誤差。

其中，紅外線落差效應係指，當電池與一負載相連並開始被放電、或電池從一外接的電力源開始被充電時，電池之電壓快速變化的現象。換言之，當電池開始放電，其電壓會快速下降，且當電池開始充電，其電壓會快速增加。

因此，相關領域正積極研究更精確地量測電池電阻的方法。

本發明係用於解決習知技術的問題，因此本發明的目的係提供高精確度估測電池電阻特徵的裝置及方法。

為達成上述目的，本發明提供一種藉電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之裝置，包含：一資料儲存管理單元，係當估測電阻特徵時，用以獲得及儲存分別來自一電壓感測單元、一電流感測單元以及一溫度感測單元之電池電壓、電流以及溫度資料，其中電壓感測單元、電流感測單元以及溫度感測單元係分別耦合至電池；一開路電壓計算器，係用以由目前與先前量測所得之電池電壓變化模式計算一電池開路電壓；一加權平均電阻計算器，係用以由一電池電流、以及存在於電池開路電壓及一電池電壓間之差值計算一電池電阻參數，以及由目前與先前計算所得之電池電阻參數計算一加權平均電阻；一加權平均電阻收斂計算器，係用以由使用加權平均電阻作為初始條件而重複計算所得出之一加權平均數列以計算加權平均電阻收斂值；以及一電阻特徵估測器，係用以由加權平均電阻收斂值估測一電池電阻。

在本發明的一個面向中，電阻特徵估測器可將加權平均電阻收斂值估測為一電池電阻。

在本發明的另一個面向中，電阻特徵估測器可從一查找表中映射對應所計算出之加權平均電阻收斂值之電池電阻，且查找表係對每一加權平均電阻收斂值均定義有一電池電阻。

在本發明的又一個面向中，電阻特徵估測器可將所計算出之加權平均電阻收斂值輸入至一函數以估測一電池電阻，其中函數係以加權平均電阻收斂值作為輸入係數，以電池電阻作為輸出係數。

在本發明的更一個面向中，電阻特徵估測器可由將所計算出之加權平均電阻收斂值、與電池於製造完成時之一初始電池電阻值所對應之加權平均電阻收斂值進行相對比較而估測一電池電阻。

電阻特徵估測器較佳係根據一最高允許電池電阻估測預估之電池電阻與初始電池電阻之一相對比值，其中相對比值係為代表電池電阻衰退之一參數。

在本發明中，開路電壓計算器可包含：一開路電壓變化計算單元，係用以應用一數學模型，由目前與先前量測所得之儲存電池電壓變化模式而計算出一開路電壓變化，其中數學模型係定義電池電壓變化模式與開路電壓變化之間的相關性，以及由將電池溫度所對應之一校正係數帶入至所計算出之開路電壓變化而估測出現階段之一開路電壓變化；以及一開路電壓估測單元，係用以由將所估測出之開路電壓變化帶入前一階段所估測出之電池開路電壓以估測出現階段之電池開路電壓。

開路電壓估測單元較佳係於現在階段所估測出之該開路電壓增加一差值以校正一開路電壓值，其中該差值係為目前與先前電池電壓之加權平均值(較早量測得之電池電壓會被賦予一較大的權數)、與一前一階段之開路電壓之間的差值。

估測開路電壓變化較佳係為由計算所得之開路電壓變化與對應於溫度之校正係數相乘而得之。

根據本發明，電池電壓變化模式係至少包含現階段量測所得之電壓V_n 、前一階段量測所得之電壓V_n-1 、以及一前二階段量測所得之電壓V_n-2 。

數學模型較佳係為由現階段與前一階段間之電壓電壓變化之數學運作、以及由電池電壓變化模式之每一電壓所定義出之一模式函數所定義。此外，校正因素可為以電池溫度輸入至一數學模型所計算而得，該數學模型係以電池溫度(T)作為一輸入參數，並以電池開路電壓變化之校正係數作為一輸出參數。

為達成上述目的，本發明亦提供一種藉電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之方法，包含：當估測電池特徵時，獲得並儲存分別來自一電壓感測單元、一電流感測單元以及一溫度感測單元之電池電壓、電流以及溫度資料，其中電壓感測單元、電流感測單元以及溫度感測單元係分別耦合至電池；從目前與先前量測所得之電池電壓變化模式計算出一電池開路電壓；由一電池電流、以及電池開路電壓與一電池電壓間之差值計算出一電池電阻參數，並且由目前與先前計算所得之電池電阻參數計算出一加權平均電阻；使用加權平均電阻作為一初始條件，重複地計算一加權平均數列，以計算出一加權平均電阻收斂值；以及從加權平均電阻收斂值估測出一電池電阻。

以下係將本發明的較佳實施例將配合圖式詳細敘述於下。在敘述之前，需瞭解的是，說明書及附加申請專利範圍項中的名詞所代表的意義不應限制在通常及字典上的意義，而是應該根據本發明之技術面向來解釋這些名字的意義，以適當地提供這些名詞的最佳解釋。因此，以下所提出的敘述僅為說明所需的較佳例子，並非用於限制本發明的範圍。也就是說，在未脫離本發明之精神的情況下，本發明可具有任何相等物或任何調整。

圖1係顯示本發明一實施例之藉一電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之裝置之方塊圖。

請參照圖1，本發明之藉一電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之裝置係分別與電池100及負載107連接，並包含：電壓感測單元101、溫度感測單元102、電流感測單元103、記憶體104以及微控制器105。

電壓感測單元101在微控制器105的控制下，於每一電阻特徵估測時量測電池電壓，並將量測所得之電池電壓輸出至微控制器105。由於紅外線落差效應(IR drop effect)，量測所得之電池電壓與實際的電池電壓不同。

溫度感測單元102在微控制器105的控制下，於每一電阻特徵估測時量測電池溫度，並將量測所得之電池溫度輸出至微控制器105。

電流感測單元103在微控制器105的控制下，於每一電阻特徵估測時量測流經電流感測電阻108之電池電流，並將量測所得之電池電流輸出至微控制器105。

記憶體104係儲存有估測電池之電阻特徵所需的程式，並預先儲存有使用電池之電阻特徵估測程式以估測電池電阻及電阻衰退所需的各種資料，如分別由電壓感測單元101、溫度感測單元102及電流感測單元103量測所得之電池電壓、溫度及電流等數據，以及在估測一電池之電阻以及電阻衰退程序中所需進行之各種計算程序所得之計算數值。

微控制器105於電池100的每一電阻特徵估測時分別從電壓感測單元101、溫度感測單元102及電流感測單元103接收電池電壓、溫度及電流等數據，並儲存於記憶體104中。另外，微控制器105自記憶體104中讀取並執行一電池電阻特徵估測程式、估測一電池的電池電阻及電阻衰退，並將估測出的資料儲存於記憶體104中、以及於需要時經顯示單元106輸出估測所得之電阻及電阻衰退。

電池100的種類並未特別限定，其可為鋰離子電池、鋰聚合物電池、鎳鎘電池、鎳氫電池、鎳鋅電池等，均為可重複充電且它們的充電狀態均被考量。

負載107的種類並未特別限定，其可為可攜式電子裝置，例如攝影機、行動電話、可攜式電腦、PMP及MP3播放器、電動車輛或混合動力車輛的引擎、直流-直流轉換器等。

圖2係本發明一實施例之電池之電阻特徵估測程式之方塊圖。

請參閱圖2，電池電阻特徵估測程式200係被微控制器105所執行，其包含資料儲存管理單元201、開路電壓計算器202、加權平均電阻計算器203、加權平均電阻收斂計算器204以及一電阻特徵估測器205。

如圖1所示，資料儲存管理單元201係於每一電阻特徵估測時接收分別來自於電壓感測單元101、溫度感測單元102及電流感測單元103的電池電壓Vⁿ 、溫度Tⁿ 及電流Iⁿ ，並將其儲存於記憶體104。此處n代表電壓、溫度及電流的量測次數，且其與電阻特徵估測次數相同。

開路電壓計算器202使用一電池電壓變化模式計算出一電池之一開路電壓變化△OCVⁿ ，由應用依據溫度而定之校正係數以校正計算所得之電池開路電壓變化，以及將已校正之電池開路電壓變化帶入一先前計算出之開路電壓OCV^n-1 以計算現階段之電池開路電壓OCVⁿ 。計算開路電壓變化△OCVⁿ 之過程、以及依據溫度校正開路電壓變化△OCVⁿ 之過程將詳細敘述於後。開路電壓計算器202將計算出的開路電壓變化△OCVⁿ 儲存於記憶體104中。

加權平均電阻計算器203係使用下列數學式1以計算一加權平均電阻R_mean ⁿ ：

數學式1

R_mean ⁿ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)

R^n-1 =|V^n-1 -OCV^n-1 |÷|I^n-1 |

Rⁿ =|Vⁿ -OCVⁿ |÷|Iⁿ |

在數學式1中，Rⁿ 及R^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之電池電阻參數，Vⁿ 及V^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電壓，OCVⁿ 及OCV^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之開路電壓，Iⁿ 及I^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電流，n係為2或大於2之整數，權數係為例如5000以上之足夠大的數值。

加權平均電阻R_mean ⁿ 傾向隨時間收斂至一電池之一實際電阻。之後將對此特徵更詳細地敘述。

圖6係為於一預先設定模式下進行一電池的充電/放電時，週期性量測所得之電池電壓Vⁿ 、以及使用電池電壓變化模式週期性估測所得之開路電壓OCVⁿ 之示意圖。

由圖6可知，相較於估測所得之開路電壓OCVⁿ ，量測所得之電池電壓Vⁿ 的變化較為陡峭，其係為量測一電池電壓時所發生的紅外線落差效應所致。所以，量測所得之電池電壓Vⁿ 與估測所得之開路電壓OCVⁿ 間的絕對差距，係對應於由電池電流Iⁿ 與電池電阻Rⁿ 相乘所得之數值。因此，在量測電池電壓Vⁿ 時，電池電阻參數Rⁿ 可代表一電池之電阻特徵。

圖7係加權平均電阻R_mean ¹ ,R_mean ² ,R_mean ³ ,R_mean ⁴ ,R_mean ⁵ …的變化模式之示意圖，其係於對已知電阻數值之一電池進行充電/放電測試時，在電阻參數R¹ 的不同條件下，依據時間而週期性量測所得。

在圖7中，圖形A代表電阻參數R¹ 被設定為等於實際電阻之一數值的情況，圖形B代表電阻參數R¹ 被設定為高於實際電阻之一數值的情況，圖形C則代表電阻參數R¹ 被設定為低於實際電阻之一數值的情況。

請參閱圖7，雖然加權平均電阻之輸入參數Rⁿ 之初始值R¹ 被設定為不同的數值，但由圖7中可發現，加權平均電阻均隨時間收斂至一實際電阻。因此，加權平均電阻的收斂值可被用作估測一電池電阻的一參數。

同時，加權平均電阻的收斂值可由長時間的充電/放電實驗的方式而得出。但是在電池的實際使用環境中，當加權平均電阻於一特定的時間點被得出時，其不可能是加權平均電阻所會收斂至的數值。因此，在本發明中，當一加權平均電阻係為於一特定的時間點使用電阻參數R^n-1 及Rⁿ 而得出時，加權平均電阻的收斂值係由使用以一加權平均數列而估測出，其中該加權平均電阻係作為一初始條件。

更詳細地說，加權平均電阻收斂計算器204係依據一加權平均數列計算出一加權平均電阻，其中該加權平均數列係使用下列數學式2，將由加權平均電阻計算器203所計算出的加權平均電阻R_mean ⁿ 作為初始條件，並且此計算係重複足夠多次。由此方式，加權平均電阻收斂計算器204得出加權平均電阻的一收斂值R_mean ⁿ ，且將其儲存於記憶體104中。此處，R_mean ⁿ 係表示R_mean ⁿ 的收斂值。

數學式2

加權平均數列

R_mean ⁿ _k+1 =(R_mean ⁿ _k-1 ×權數+R_mean ⁿ _k )/(權數+1)

加權平均數列之初始條件

R_mean ⁿ ₁ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)

在數學式2中，k為1以上的整數，且加權平均數列被計算超過非常多次，超過數千次。加權平均電阻的一初始收斂值R_mean ^l 可參考於電池被製造完成時即被設定，並儲存於記憶體104中的數值。

如圖7所示，加權平均電阻R_mean ⁿ 傾向收斂至一實際電阻，與電阻參數的初始條件R¹ 無關。因此，數學式2所示的加權平均數列中，當k=1時，初始值R_mean ⁿ ₀ 可被隨意設定。但計算的次數係依據R_mean ⁿ ₀ 的大小而劇烈地增加，直到加權平均電阻收斂至一特定數值。因此，初始值R_mean ⁿ ₀ 較佳係設定為前一階段所得出之收斂值R_mean ^n-1 、或於電池被製造完成時的初始電池電阻值。此例中，數列計算的次數被減少直到加權平均電阻收斂至一實際電阻值，因此，加權平均電阻可迅速地收斂至一實際電阻值。

電阻特徵估測器205從記憶體104讀取加權平均電阻收斂值R_mean ⁿ ，電阻特徵估測器205接著估測出一電池電阻並將此電池電阻儲存於記憶體104中。此處，係表示於n^th 次電阻估測所估測出之電池電阻。例如，電阻特徵估測器205可將加權平均電阻收斂值R_mean ⁿ 估測為電池電阻。

在另一個例子中，電阻特徵估測器205可使用加權平均電阻收斂值與電池電阻間的相關性，估測出加權平均電阻收斂值R_mean ⁿ 所對應之電池電阻。

此相關性可為一查找表，且此查找表對每一加權平均電阻收斂值均定義有一電池電阻。替代地，此相關性可為一函數，其係以加權平均電阻收斂值作為輸入係數，並以電池電阻作為輸出係數。

此相關性可經由對一電池進行充電/放電測試而得出。換句話說，當對一足夠大量的電池以同一條件進行長時間的充電/放電測試時，其中這些電池的實際電阻係為已知且範圍廣，則可得出加權平均電阻收斂值。然後，經由實驗所得出的加權平均電阻收斂值所對應的電池電阻即寫入於一查找表中。在其他例子中，加權平均電阻收斂值與電池電阻間的函數關係可經數值分析而得出，其係以由實驗所得出的加權平均電阻收斂值作為輸入參數，並以電池電阻作為輸出函數。

在其他的例子中，電阻特徵估測器205可由將加權平均電阻收斂計算器204所計算出的加權平均電阻收斂值R_mean ⁿ 、與初始電池電阻值所對應的加權平均電阻收斂值進行相對比較以估測出一電池電阻，此處的初始電池電阻值係於電池製造完成時即被設定並儲存於記憶體104中。

電阻特徵估測器205可於估測出一電池電阻之後，依據下列數學式3計算出所估測的電池電阻與初始電池電阻值R^initial 的比值，且以SOH_R ⁿ 的形式將計算的結果儲存於記憶體104，其中SOH_R ⁿ 係為代表電池電阻衰退的參數。

數學式3

在數學式3中，SOH_R ⁿ 係為n^th 估測所得出之電池電阻衰退；係為n^th 估測所得出之電池電阻；R^initial 係當電池被製造完成時的初始電池電阻值；以及R^limit ：係電池之最大允許電阻。

SOH_R ⁿ 代表目前電池電阻相對於一初始電池電阻值的一比值。電池電阻傾向於隨時間而增加，所以SOH_R ⁿ 變為一參數，其係用以決定電池在開始使用後所剩餘的電池壽命。另外，SOH_R ⁿ 可用於控制一電池的充電/放電容量。舉例來說，若SOH_R ⁿ 降低，電池之充電容量及放電容量即跟著降低。在此例中，以適合電池之電阻的方式對電池充電或放電，即可有效地避免其被過度充電或過度放電。

電阻特徵估測器205可將SOH_R ⁿ 輸出至一顯示單元106。在此例中，顯示單元106係經由一介面耦合至微控制器105。此外，電阻特徵估測器205可經由此介面將SOH_R ⁿ 輸出至顯示單元106。接著，顯示單元106以圖形化顯示SOH_R ⁿ 以供使用者辨識，且SOH_R ⁿ 可直接以文字或圖形作顯示。

圖3係顯示本發明之使用一電池電壓變化模式而估測一電池開路電壓之開路電壓計算器202的方塊圖。

請參閱圖3，開路電壓計算器203包含一開路電壓變化計算單元2031以及一開路電壓估測單元2032。

開路電壓變化計算單元2031使用一電池電壓變化模式並根據前一階段之開路電壓而計算出一開路電壓變化，以計算目前電池開路電壓。換句話說，開路電壓變化計算單元2031計算目前階段之電池開路電壓相較於前一階段之開路電壓的變化量。

詳細地說，開路電壓變化計算單元2031係從記憶體104讀取於目前電阻特徵估測時所量測出的電池電壓Vⁿ 、於前一電阻特徵估測時所量測出之電池電壓V^n-1 、以及目前電阻特徵估測時所量測出之電池溫度Tⁿ 。然後，開路電壓變化計算單元2031依據下列數學式4計算一開路電壓變化△OCVⁿ 。

數學式4

△OCVⁿ =OCVⁿ -OCV^n-1 =G(V)×F(T)

在數學式4中，G(V)係為將電池電壓變化'Vⁿ -V^n-1 '映射至開路電壓變化△OCVⁿ 之一開路電壓變化運算函數，F(T)係為由依據溫度而帶入一開路電壓變化以校正開路電壓變化△OCVⁿ 的開路電壓校正函數。

G(V)為一函數，其並非將一電池電壓變化轉換為一開路電壓變化，而是對由因紅外線落差(IR drop)，即，一量測電壓與一實際電壓間的差距，所產生的電池電壓誤差進行校正而將電池電壓變化轉換為開路電壓變化。換言之，若一電池電壓的變化逐漸增加，則G(V)降低電池電壓變化，並將降低的電池電壓變化以一電池開路電壓變化的形式輸出。另外，若一電池電壓變化傾向維持其原有的數值，則G(V)以電池開路電壓變化的形式輸出的電池電壓變化也傾向維持其原有的數值。此外，若一電池電壓傾向減少，則G(V)稍微放大電池電壓變化，而且將此稍微放大之電池電壓變化以電池開路電壓變化的形式輸出。

G(V)可以數學建模而得出於一特定溫度下，一電池電壓變化模式與一開路電壓變化間之相關性。舉例來說，前述之數學模型函數可於允許量測電池電壓及電池開路電壓之一實驗室條件下，分析存在於電池電壓Vⁿ 、電池電壓V^n-1 及電池電壓V^n-2 之間的變化模式以及一開路電壓變化△OCVⁿ 之間的相關性而被得出。一電池電壓變化模式中所包含的電池電壓數目可擴大至4以上。

G(V)可總結為如下列數學式5的形式。

數學式5

G(V)=(Vⁿ -V^n-1 )×g(Vⁿ ,V^n-1 ,V^n-2 ,…)

此處，g(Vⁿ ,V^n-1 ,V^n-2 ,…)係為一模式函數，其係定義有於每一電阻特徵估測時量測所得的電池電阻的一變化模式。其中，符號”…”代表此模式函數可以至少三個電池電壓被定義，其中包含現階段所量測出之電池電壓。前述之模式函數可由分析實驗所得之複數個電池電壓變化與電池開路電壓變化間的相關性而被定義。舉例來說，函數g可被定義為前一階段的電壓變化與現階段的電壓變化的相對比值。但在本發明中，模式函數g並沒有被限定至任何特定的數學式。

同時，電池電阻隨著溫度而變化。若電池電阻改變，則於相同的充電或放電情況下，一電池電壓變化模式以及一電池開路電壓變化亦隨之改變。F(T)係依據溫度條件校正由G(V)所計算出之開路電壓變化。換句話說，在電池溫度與G(V)的計算條件所設定的標準溫度不同的情況下，F(T)係用以校正G(V)所計算出的開路電壓變化的函數。F(T)可由分析當溫度以一定間隔變化時，一電池電壓變化模式與一電池開路電壓變化間的相關性而得出。換言之，於每一量測溫度係以例如1℃的間隔規律地變化而所量測到的電池電壓變化模式的實驗情況下，F(T)可由量測電池開路電壓變化△OCVⁿ 相較於另一在標準溫度下量測所得之電池開路電壓變化△OCVn的變化量而得出。接著，以溫度T作為一輸入參數、以電池開路電壓變化△OCVn之變化量作為一輸出參數，將溫度及電池開路電壓變化△OCVn之變化量以數學建模。如此而得出的F(T)即為以電池溫度T作為輸入參數之輸出一電池開路電壓變化的一校正係數的函數。為了簡化計算，可將對應於每一溫度的校正係數分別計算出來，再將這些校正係數蒐集起來而成為一查找表，並將此查找表儲存於記憶體104中。如此，儲存於查找表之對應於每一溫度之校正係數便可作為校正一電池開路電壓變化所需之校正係數。

開路電壓估測單元2032從記憶體104中讀取於前一電阻特徵估測時量測所得之開路電壓OCV^n-1 ，並將一由開路電壓變化計算單元2031所計算出之電池開路電壓變化△OCVⁿ 加入至此開路電壓OCV^n-1 ，以計算出一開路電壓OCVⁿ ，且將此開路電壓OCVⁿ 儲存於記憶體104中。

開路電壓估測單元2032較佳藉由下列數學式6計算出介於一電池電壓V_n 、以及前一階段所量測到的電池電壓之間的加權平均值Vⁿ _(meanvalue) 。

數學式6

Vⁿ _(meanvalue) =(A₁ *V₁ +A₂ *V₂ +…+A_n-1 *V_n-1 +A_n *V_n )/A_total

A_total =A₁ +A₂ +A₃ +…+A_n

在數學式6中，當k增加時，A_k 便減降低。例如當n=100時，A_k 係具有從100開始的數值，且以1的間隔逐漸地降低。在其他的例子中，數學式6中的可被忽略掉。但即便在此例中，A_k 的變化趨勢仍可如前所示地被維持。舉例來說，當k=n時，A₁ *V₁ +A₂ *V₂ +…+A_n-2 *V_n-2 可能被設定為0，且A_n-1 被賦予一較大的數目，而非A_n 。例如，A_n-1 與A_n 可分別被賦予90與100。

為了更進一步地校正，開路電壓估測單元2032可藉由將介於計算所得之加權平均值Vⁿ _(meanvalue) 與前一次電池充電狀態估測時所估測出之開路電壓OCV^n-1 間的差值增加至計算出之開路電壓OCVⁿ 的方式，再一次校正開路電壓。若加權平均值Vⁿ _(meanvalue) 被計算出來並額外地被用於校正開路電壓，即便電池100所輸出的電壓快速地變化，開路電壓的計算誤差仍會逐漸地降低。若開路電壓藉由加權平均值Vⁿ _(meanvalue) 而被完全地校正，開路電壓估測單元2032將校正後之開路電壓OCVⁿ 儲存於記憶體104中。

很明顯地，當計算加權平均電阻之輸入參數時，會參考到被開路電壓估測單元2032儲存於記憶體104中之開路電壓OCVⁿ 。

此處，使用一電池電壓變化模式估測電池電阻特徵的方法被詳細敘述於下：圖4係本發明之藉一電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之方法的流程圖。在圖4中，每一步驟均由圖1中的微控制器105執行。

在步驟S10中，確認是否存在估測一電池之電阻特徵的請求。其中，估測一電池之電阻特徵的請求可由外界輸入、或由一電池電阻特徵估測程式自動產生。若步驟S10確認有估測一電池之電阻特徵的請求存在，則一估測電池電阻特徵的程序被啟動。相反地，若無估測一電池之電阻特徵的請求存在，估測電池電阻特徵的程序則被終結。

在步驟S20中，前次電阻特徵估測程序所得到之一電池電阻參數R^n-1 以及一加權平均電阻收斂值R_mean ^n-1 從記憶體中被讀取出來。

接著，在步驟S30中，使用電壓感測單元、溫度感測單元及電流感測單元分別量測出電池電壓Vⁿ 、溫度Tⁿ 及電流Iⁿ 。

隨後，在步驟S40中，一電池開路電壓OCVⁿ 係藉由一電池電壓變化模式的方式被估測出來，一電池電阻參數Rⁿ 則從電池電壓Vⁿ 、電流Iⁿ 及電池開路電壓OCVⁿ 被計算出來。

然後，在步驟S50中，加權平均數列的初始條件R_mean ⁿ ₁ 係由電池電阻參數Rⁿ 及電池電阻參數R^n-1 中得出，且數學式2係於計算出初始條件R_mean ⁿ ₁ 的過程中被使用。

之後，在步驟S60中，加權平均數列係使用初始條件R_mean ⁿ ₁ 及初始條件R_mean ^n-1 達足夠多次以計算出加權平均電阻的一收斂值R_mean ⁿ 。當R_mean ⁿ .R_mean ^n-1 的計算可被預先設定之R_mean ¹ 取代時，則使用數學式2。此處，R_mean ¹ 可被設定為電池製造完成時即設定之初始電池電阻值。

此後，在步驟S70中，電池電阻係從加權平均電阻的收斂值R_mean ⁿ 被估測而得。舉例來說，電池電阻可被估測出與加權平均電阻的收斂值R_mean ⁿ 相同的數值。在另一個例子中，加權平均電阻之收斂值R_mean ⁿ 所對應的電池電阻可使用加權平均電阻之收斂值與電池電阻間的相關性而被估測出來。此相關性可為一查找表，且在此查找表中，對每一加權平均電阻收斂值均定義有一電池電阻，此相關性或為以加權平均電阻收斂值作輸入係數、電池電阻作為輸出係數的函數。在又一個例子中，電池電阻可根據一初始電池電阻值而被估測出來，即以將初始電池電阻值所對應的加權平均電阻收斂值與步驟S60所計算出之加權平均收斂值R_mean ⁿ 互相比較的方式。換言之，初始電池電阻值係隨著加權平均收斂值的增加比值而增加，且而後所增加的數值可被估測為電池電阻。

接著，在步驟S80中，被估測出之電池電阻的一相對增加值係根據初始電池電阻值R^initial 而被計算出，且電池健康狀態SOH_R ⁿ 係使用計算出之相對增加比值而被估測出。所估測出之電池健康狀態SOH_R ⁿ 係被儲存於記憶體104、或被輸出至顯示單元106。此時，相對增加比值較佳根據一最大允許電阻R^limit 並使用數學式3計算出來。

當上述的各步驟完成之後，一估測電池之電阻特徵的程序便完整地完成。

圖5係根據圖4之步驟S40之電池電壓變化模式而估測一開路電壓OCVⁿ 之程序的流程圖。在圖5中，每一步驟均由圖1中的微控制器105執行。

如圖5所示，首先，在步驟P10中，確認是否存在一估測一電池之開路電壓OCVⁿ 的請求。其中，估測一電池之開路電壓OCVⁿ 的請求可由外界輸入或依據一程式計算法則自動地產生。

若步驟P10確認有估測一電池之開路電壓OCVⁿ 的請求的請求存在，一開路電壓估測程序便被啟動。相反地，若無估測一電池之開路電壓OCVⁿ 的請求存在，估測開路電壓的程序則被終結。

在步驟P20中，一儲存於記憶體中的電池電壓變化模式被讀取。電池電壓變化模式包含至少Vⁿ 、V^n-1 及V^n-2 。此後，在步驟P30中，一開路電壓變化△OCVⁿ 係藉由電池電壓變化模式及電池溫度而被計算出來。此處已完整解釋計算一開路電壓變化△OCVⁿ 的方法。

同時，在本發明中，V¹ 與V² 以及OCV¹ 與OCV² 均以未負載的狀態於一電池電壓中被初始化，即，在電池即將與一負載連接之前才被量測出來。例如，當電池被應用於一電力驅動車輛時，V¹ 與V² 以及OCV¹ 與OCV² 被設定為當車輛以鑰匙啟動時所量測到的電池電壓。

接著，在步驟P40中，開路電壓變化△OCVⁿ 被加入至一前次開路電壓OCV^n-1 中以計算出目前開路電壓OCVⁿ 。

然後，步驟P50係選擇性地被執行，其中目前電池電壓Vⁿ 、以及前次電池電壓V^n-1 的加權平均值被計算出來，而介於計算出之加權平均值及前次開路電壓OCV^n-1 之間的差值則被加入至目前開路電壓OCVⁿ ，以額外地校正開路電壓OCVⁿ 。至於計算出加權平均值的方法則已於前面解釋過。

最後，在步驟P60中，估測所得之開路電壓OCVⁿ 被儲存於記憶體104中。

實驗例

本發明的效果將根據下列的實驗例解釋於後。然而，下列的實施例僅提供舉例的功能，它們並非用於限制本發明的範圍。

在這些實驗中，一共準備了12個已知實際容量的電池。在這12個電池中，第5個電池在被製造時便具有一初始電阻值。之後，在每一個電池均以相同的充電/放電情況充電/放電達一足夠次數後。依據本發明，在一小時過後可得出一加權平均電阻收斂值，且此加權平均電阻收斂值被估測為一電池電阻。

圖8係被選擇進行實驗的12個電池之每一電池的實際電阻、估測出之電阻以及估測出之電阻相較於實際電阻之誤差的表格。

請參閱圖8，相對於實際電阻，本發明所估測出的電池電阻具有3%以內的誤差。如此可知本發明可高精確地估測出電池電阻，且可精確地估測出電池電阻衰退，其係可從電池電阻計算出的參數。

產業利用性

依據本發明，電池的電阻特徵可使用簡單數列計算而精確地被估測出來。此外，電池電阻的精確估測可被應用於很多地方，如估測電池更換時間點。更加地，由於電池充電/放電容量可根據精確地估測電阻衰退而被控制，所以本發明可避免過度充電或過度放電的情況發生，進一步地增進電池的安全性。

本發明所包含的內容已經被詳細敘述於上。然而，當為了指出本發明較佳實施例時所提及的詳細敘述與特定的例子，均僅提供舉例的功能，因為在本案所屬技術領域中具有通常知識者可從前述之詳細敘述中推演出任何未脫離本發明之精神及範圍的任何改變及任何調整。

100．．．電池

101．．．電壓感測單元

102．．．溫度感測單元

103．．．電流感測單元

104．．．記憶體

105．．．微控制器

106．．．顯示單元

107．．．負載

108．．．電流感測電阻

200．．．電池之電阻特徵估測程式

201．．．資料儲存管理單元

202．．．開路電壓計算器

203．．．加權平均電阻計算器

204．．．加權平均電阻收斂計算器

205．．．電阻特徵估測器

2031．．．開路電壓變化計算單元

2032．．．開路電壓估測單元

S10-S80,P10-P50．．．步驟

圖1係本發明一實施例之根據一電池電壓變化模式而估測一電池之電阻特徵之裝置之方塊圖。

圖2係本發明一實施例之電池之電阻特徵估測程式之方塊圖。

圖3係本發明之使用電池電壓變化模式估測開路電壓之開路電壓計算器之方塊圖。

圖4係本發明一實施例之使用一電池電壓變化而估測一電池之電阻特徵之方法之流程圖。

圖5係本發明一實施例之使用一電池電壓變化估測一電池之開路電壓之方法之流程圖。

圖6係於進行充電/放電測試時直接量測電池電壓而由於紅外線落差效應所導致之量測而得之電池電壓與本發明所估測之開路電壓不同之示意圖。

圖7係為本發明所計算出之加權平均值不論初始條件皆隨時間收斂至一實際電阻之示意圖。

圖8係實驗所選之12個電池其各別的實際電阻、估測出的電阻及兩者間之誤差之表格。

104．．．記憶體

200．．．電池之電阻特徵估測程式

201．．．資料儲存管理單元

202．．．開路電壓計算器

203．．．加權平均電阻計算器

204．．．加權平均電阻收斂計算器

205．．．電阻特徵估測器

Claims (30)

1. 一種藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，包括：一資料儲存管理單元，係當估測一電阻特徵時，用以獲得及儲存分別來自一電壓感測單元、一電流感測單元以及一溫度感測單元之電池電壓、電流以及溫度資料，其中該電壓感測單元、該電流感測單元以及該溫度感測單元係分別耦合至一電池；一開路電壓計算器，係用以由目前及先前所測得之一電池電壓變化模式計算一電池開路電壓；一加權平均電阻計算器，係用以由一電池電流、以及存在於該電池開路電壓及一電池電壓間之差值計算一電池電阻參數，以及由目前及先前所計算出之電池電阻參數計算一加權平均電阻；一加權平均電阻收斂計算器，係用以由使用一加權平均電阻作為初始條件而重複計算所得出之一加權平均數列以計算出該加權平均電阻收斂值；以及一電阻特徵估測器，係用以由該加權平均電阻收斂值估測出一電池電阻。
2. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電阻特徵估測器係將該加權平均電阻之收斂值估測為一電池電阻。
3. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電阻特徵估測器係由從一查找表中映射對應所計算出之該加權平均電阻收斂值之一電池電阻以估測一電池電阻，其中於該查找表係對每一加權平均電阻收斂值均定義有一電池電阻。
4. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電阻特徵估測器係藉由將所計算出之該加權平均電阻收斂值輸入至一函數而估測一電池電阻，當中該加權平均電阻收斂、以及該電池電阻係分別為該函數之一輸入參數、以及一輸出參數。
5. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電阻特徵估測器係將所計算出之該加權平均電阻收斂值、以及對應於一電池被製造完成時之一初始電池電阻值之一加權平均電阻收斂值進行相對比較，而估測出一電池電阻。
6. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該加權平均電阻計算器係依據下列數學式計算出一加權平均電阻(R_mean ⁿ )：R_mean ⁿ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)R^n-1 =|V^n-1 -OCV^n-1 |÷|I^n-1 |Rⁿ =|Vⁿ -OCVⁿ |÷|Iⁿ |其中，Rⁿ 及R^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之電池電阻參數，Vⁿ 及V^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電壓，OCVⁿ 及OCV^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之開路電壓，Iⁿ 及I^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電流。
7. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該加權平均電阻收斂計算器依據下列加權平均數列計算一加權平均電阻收斂值(R_mean ⁿ )(k為1或大於1的數)：R_mean ⁿ _k+1 =(R_mean ⁿ _k-1 ×weight+R_mean ⁿ _k )/(權數+1)其中，該加權平均數列的一初始狀況(R_mean ⁿ ₁ )係由下列條件所設定：R_mean ⁿ ₁ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)其中，R_mean ⁿ ₀ 被設定為前一階段之加權平均電阻收斂值或一初始電池電阻值。
8. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電阻特徵估測器係藉一可允許之最大電池電阻而估測該預估電池電阻相對於一初始電池電阻的一相對比值以作為代表電池電阻衰退之一參數。
9. 如申請專利範圍第1項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該開路電壓計算器包含：一開路電壓變化計算單元，係用以應用一數學模型，由目前與先前量測所得之該儲存電池電壓之一變化模式而計算一開路電壓變化，其中該數學模型係定義一電池電壓變化模式與一開路電壓變化之間之一相關性，以及由將電池溫度所對應之一校正係數帶入至所計算出之該開路電壓變化而估測現階段之一開路電壓變化；以及一開路電壓估測單元，係用以由將所估測出之該開路電壓變化帶入前一階段所估測出之一電池開路電壓以估測現階段之一電池開路電壓。
10. 如申請專利範圍第9項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該開路電壓估測單元係於現在階段所估測出之該開路電壓增加一差值以校正一開路電壓值，其中該差值係為目前與先前電池電壓之一加權平均值(較早量測得之電池電壓會被賦予較大的權數)、與前一階段之開路電壓之間的差值。
11. 如申請專利範圍第10項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該先前電池電壓係為前一階段之電池電壓。
12. 如申請專利範圍第9項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該估測開路電壓變化係為由所計算出之開路電壓變化與對應於溫度之校正係數相乘而得之。
13. 如申請專利範圍第9項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該電池電壓變化模式至少包含分別於現階段、前一階段、以及前二階段量測所得之電池電壓V_n 、V_n-1 、以及V_n-2 。
14. 如申請專利範圍第9項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該數學模型係為由現階段與前一階段間之電壓電壓變化之一數學運算、以及由電池電壓變化模式的每一電壓所定義之一模式函數所定義。
15. 如申請專利範圍第9項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之裝置，其中該校正因素係將一電池溫度輸入至一數學模型所計算而得，該數學模型係以該電池溫度(T)作為一輸入參數，並以該電池開路電壓變化之該校正係數作為一輸出參數。
16. 一種藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，包括：(a)當估測一電阻特徵時，獲得並儲存分別來自一電壓感測單元、一電流感測單元以及一溫度感測單元之電池電壓、電流以及溫度資料，其中該電壓感測單元、該電流感測單元以及該溫度感測單元係分別耦合至該電池；(b)從目前與先前量測所得之一電池電壓變化模式計算出一電池開路電壓；(c)由一電池電流、以及該電池開路電壓與一電池電壓間之差值計算一電池電阻參數，並且由目前與先前計算所得之電池電阻參數計算一加權平均電阻；(d)使用該加權平均電阻作為一初始條件，重複計算一加權平均數列以計算出一加權平均電阻收斂值；以及(e)從該加權平均電阻收斂值估測出一電池電阻。
17. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(e)中，該加權平均電阻收斂值係被估測為一電池電阻。
18. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(e)中，一電池電阻係由從一查找表中映射而得之對應於所計算出之該加權平均電阻收斂值之電池電阻而估測出，其中該查找表中係對每一加權平均電阻收斂值均定義有一電池電阻。
19. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(e)中，一電池電阻係為將所計算出之該加權平均電阻收斂值輸入至一函數而估測出，其中，該函數係以該加權平均電阻收斂值作為一輸入係數，並以該電池電阻作為一輸出係數。
20. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(e)中，一電池電阻係由將所計算出之該加權平均電阻收斂值，與對應於電池被製造出時之一初始電池電阻值之一加權平均電阻收斂值進行相對比較而估測出。
21. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(c)中，一加權平均電阻(R_mean ⁿ )係依據下列的數學式而計算：R_mean ⁿ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)R^n-1 =|V^n-1 -OCV^n-1 |÷|I^n-1 |Rⁿ =|Vⁿ -OCVⁿ |÷|Iⁿ |其中，Rⁿ 及R^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之電池電阻參數，Vⁿ 及V^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電壓，OCVⁿ 及OCV^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間所計算出之開路電壓，Iⁿ 及I^n-1 係分別為n^th 時間與n-1^th 時間量測所得之電池電流。
22. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中於步驟(d)中，一加權平均電阻收斂值(R_mean ⁿ )係依據下列加權平均數列而計算(k係為1或大於1的數)：R_mean ⁿ _k+1 =(R_mean ⁿ _k-1 ×weight+R_mean ⁿ _k )/(權數+1)其中，該加權平均數列之一初始狀況(R_mean ⁿ ₁ )係依下列條件而設定：R_mean ⁿ ₁ =(R^n-1 ×權數+Rⁿ )÷(權數+1)其中，R_mean ⁿ ₀ 被設定為前一階段之一加權平均電阻收斂值、或一初始電池電阻值。
23. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，更包括：根據一最大允許電阻而估測該預估電池電阻相對於一初始電池電阻的一相對比值以作為代表電池電阻衰退之一參數。
24. 如申請專利範圍第16項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中步驟(b)包含：應用一數學模型以由目前與先前所測得之儲存電池電壓之變化模式計算一開路電壓變化，以及由將電池溫度所對應之一校正係數帶入所計算出之開路電壓變化而估測現階段之一開路電壓變化，其中該數學模型係定義一電池電壓變化模式與一開路電壓變化間之一相關性；以及將所估測出之開路電壓變化帶入前一階段所估測出之電池開路電壓，以估測現階段之一電池開路電壓。
25. 如申請專利範圍第24項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，更包括：於現階段所估測出之該開路電壓增加一差值以校正一開路電壓值，其中該差值係為目前與先前電池電壓之一加權平均值(較早量測得之電池電壓會被賦予一較大的權數)、以及一前一階段之開路電壓之間的差值。
26. 如申請專利範圍第25項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中該先前電池電壓係為前一階段之一電池電壓。
27. 如申請專利範圍第24項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中該估測開路電壓變化係為由所計算出之開路電壓變化與對應於溫度之校正係數相乘而得。
28. 如申請專利範圍第24項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中該電池電壓變化模式至少包含分別於現階段、前一階段、以及前二階段量測所得之電池電壓V_n 、V_n-1 、以及V_n-2 。
29. 如申請專利範圍第24項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵之方法，其中該數學模型係為由現階段與前一階段間之電壓電壓變化之一數學運算、以及由電池電壓變化模式的每一電壓所定義之一模式函數所定義。
30. 如申請專利範圍第24項所述之藉電池電壓變化模式估測一電池電阻特徵的方法，其中該校正因素係將一電池溫度輸入至一數學模型所計算而得，該數學模型係以該電池溫度(T)作為一輸入參數，並以該電池開路電壓變化之該校正係數作為一輸出參數。