TWI404963B - 電池模組檢測方法 - Google Patents

Description

電池模組檢測方法

本發明關於一種電池模組檢測方法，並且特別地，本發明關於一種在電池模組中的使用過程中即時地量測電池單元內電阻，以作為電池模組壽命品質指標的檢測方法。

一般的電池通常會具有其內電阻值，而內電阻值則決定於電池中的電解液離子濃度以及電極板的面積、密度、材質等內在因素。在一電池的放電過程中，上述內在因素會逐漸的發生一正向變化而使得內電阻值逐漸上升。而當電池在充電的過程時，上述內在因素可以發生一逆向變化而使得內電阻值逐漸下降。因此一電池在其正常的生命週期內，其內電阻值與其所能提供的剩餘電量之間具有一正相關性的關係。舉例而言，在電池的一放電過程中，若電池內電阻值約增加為第一次充滿電時之內電阻值的1.24倍時，電池只剩一半的可用功率。此倍數會因電池種類而異，但同類電池幾乎相同。

而在實際應用上，隨著電池的每次充放電，電解液離子濃度以及電極板的面積、密度、材質在其正向及逆向的反應過程中，都會發生緩慢而無法彌補的損耗。此一情形將會使得上述內在因素在電池每次充電後，無法回復到出廠時之最佳狀態。如此一來隨著充放電次數的增加，即使電池在每次充滿電後，其內電阻值亦會隨著充放電次數的增加而上升。舉例而言，當充滿電時之內電阻值增加到第一次充滿電時之內電阻值的二倍時，代表該電池已經無法再使用。

由於電池的內電阻值有具有上述變化特性，因此只要有方法可以即時監測電池的內電阻值，便可預估電池在生命週期內之當前可用功率及剩餘可工作壽命。另一方面而言，在電池的放電末期時其內電阻值會急劇增加，內部溫度會快速升高。考慮一個由多個電池單元所組成的電池模組，若在電池模組中之某個電池單元提前到達放電末期，而其他電池單元均正常時，從整組電池模組的供電狀況很難察覺此異常狀態。如果能透過即時監測每個電池單元內電阻值之變化，可以即時發現該異常之電池單元，預知電池組可能發生電器火災之位置，立即處理，避免火災意外發生，也就是可防患火災於未然。

傳統量測電池內電阻值的方法，通常是對電池一外加的高頻交流電訊號，並且使用電容隔離直流電，接著以交流電表量測各電池上的分壓及總交流電壓，最後再配合事先量測儲存的電池單元內電阻值數據來估算目前該電池單元的內電阻值。此方法的缺點，在於設備操作及配線上都非常複雜。因此針對運轉中的電動汽車或其他移動中的設備而言，若想運用上述方法來即時地監測電池組內每個電池單元之內電阻值，則幾乎不可能，而且還會衍生許多其他危險的問題。舉例而言，外加一交流電訊號將會對電池進行快速充放電，在正半週會充電而負半週會放電，若長期將檢測裝置接在電池兩端，將會對電池造成極大傷害，並對負載端的設備產生電磁干擾。

因此，本發明之一範疇在於提供一種電池模組檢測方法，應用於一電池模組，以解決先前技術的問題。

根據一具體實施例，電池模組包含一電池單元並且電連接至一負載。電池模組檢測方法包含下列步驟。首先，量測電池單元之加載電壓值以及負載之負載電流值。接著，根據電池單元之空載電壓值、加載電壓值及負載電流值，計算電池單元之即時內電阻值。最後，根據一內電阻對放電時間關係及所計算得之即時內電阻值，得到電池單元之一使用狀態。

綜上所述，根據本發明之電池模組藉由量測電池的內電阻值變化，來推測電池單元之使用狀態，例如電池單元之當前可用功率及剩餘可工作壽命。由於不需要外加高頻交流電，除了不需要複雜設備而可以簡化電池模組及其線路之配線設計，更不會因為高頻交流電對電池的快速充放電而降低電池壽命。此外，因為不會對電池及其電路在使用的過程中造成干擾，因此可以即時地在電池的使用過程中隨時監測電池的使用狀況，藉由提升了電池在使用上便利性及安全性。

關於本發明之優點與精神可以藉由以下的發明詳述及所附圖式得到進一步的瞭解。

本發明提供一種電池模組檢測方法，用以即時地檢測電池模組中各電池單元的內電阻值，以得知電池單元的當前可用功率、剩餘可工作壽命及預知電池組可能發生電器火災之位置。關於本發明之電池模組檢測方法的若干具體實施例係揭露如下。

圖一繪示根據本發明之一具體實施例的電池模組檢測裝置1之示意圖，圖二繪示根據本發明之一具體實施例中電池模組之第二電池單元22的內電阻對時間關係之示意圖，圖三繪示根據本發明之一具體實施例的電池模組檢測方法之流程圖，圖四繪示根據本發明之一具體實施例之保護機制啟動流程圖。

請參考圖一，圖中所示係為根據本發明之一具體實施例之電池模組檢測裝置1，其係用以檢測電池模組2。電池模組檢測裝置1包含了控制單元10、檢測單元11及分流器12。電池模組2包含了互相串聯之第一電池單元21、第二電池單元22及第三電池單元23，且各電池單元皆包含有一正電極及一負電極。分流器12則串聯於電池模組2及負載3之間，配合檢測單元11而可以量測流經負載之一負載電流值。檢測單元11具有複數個檢測端子，分別連接到各電池單元之正電極、負電極上，並且可以量測各電池單元之一輸出電壓。需要一提的是，在其他可能的實施態樣中，電池模組2可以包含其他數量之電池單元，並且可以是藉由其他方式做串聯或並聯而配置於電路中，並不會影響電池模組檢測裝置1檢測各電池單元之內電阻值及剩餘電量之功能。

以下將以第二電池單元22為例，說明量測各電池單元內電阻值之方法。第二電池單元具有一第二正電極221及第二負電極222，除了分別相鄰之第一電池單元21之負電極及第三電池單元23之正電極外，更連接至檢測單元11。藉此，檢測單元11可以斷開電池模組2供電電路時，量測第二電池單元22之空載電壓值，並且在電池模組2連接並對負載3供電時，量測第二電池單元22之一加載電壓值。控制單元10將根據第二電池單元22之空載電壓值、加載電壓值及負載電流值，可以計算得到第二電池單元22之一內電阻值。更詳細而言，第二電池單元22之內電阻值(V₂₂ )=(空載電壓值-加載電壓值)÷負載電流值。

為了藉由量測第二電池單元22之內電阻值，以評估第二電池單元22之當前可用功率及剩餘可工作壽命，則必需有建立起一參考基準。因此在第二電池單元22製造完成並且充飽電力之後，需要在其第一次放電時即量測並記錄其放電數據，以作為日後參考。

請參考圖二，圖中所示係利用電池模組檢測裝置1量到之第二電池單元22於出廠後的初次放電數據。在本具體實施例中，第二電池單元22係為容量50Ah、電壓3.34V之一鋰鐵電池單元。在圖二中，第二電池單元係以50A的定電流來放電，亦即所謂1C放電，所以當第二電池單元22放電60分鐘後即會將電力放光。因此從另一觀點而言，圖中橫軸亦可以對應出第二電池單元22之剩餘的可用功率之比例。

圖二中之虛線代表第二電池單元22之空載電壓值，其係一固定之數據。圖二中之實線則代表在定電流放電過程中，第二電池單元22之加載電壓值對放電時間關係，其會隨著放電時間的增加而下降。若將第二電池單元22之空載電壓值減去加載電壓值後再除以負載電流值(50A)，則可以得到圖二中代表第二電池單元22之內電阻對放電時間關係之單點鏈線。

而在圖二中之單點鏈線上，A點代表第二電池單元22從一飽和狀態開始放電時，此時第二電池單元具有3.68mΩ之一初始內電阻值。B點代表隨著放電時間增加至25分鐘時，第二電池單元22之內電阻值則上升至原來之1.24倍。而在C點之後，第二電池單元22來到了放電末期，此時內電阻值將會開始急劇增加。當到達D點，第二電池單元22之內電阻值將上升為A點之4倍。根據焦耳定律(Q=I² ×R×t)，此時第二電池單元22其內部產生熱量的速率將是其他電池單元的四倍。雖然第二電池單元22於此時仍然具有剩餘電力，然而繼續使用的話將會使內部溫度急速升高，依此現象則可以預知第二電池單元22可能將發生火災，進而影響到使用上的安全。因此當第二電池單元22之內電阻對放電時間變化到達C點之後，即需考慮停止使用第二電池單元22並予以充電。

圖二中之雙點鏈線，代表的是第二電池單元22之品質參考值。更詳細而言，品質參考值是將第二電池單元22之內電阻對放電時間變化中之各值除以初始內電阻值，因此品質參考值之起始值恰為1。由圖二中可以觀查得知，當第二電池單元22放電至約42分鐘時，其內電阻值來到C點並且開始快速上升，在此時所對應到品質參考值為大約為2。因此藉由品質參考值，可以很方便的快速判斷第二電池單元22之狀況適不適宜繼續使用。

在得到第二電池單元22之初次放電數據後，接下來即可以在其後的使用過程中，判斷第二電池單元22的使用狀況。舉例而言，再次將第二電池單元22再次充至電力飽滿後，則可以開始使用電池模組2對負載3供電。在電池模組2對負載3供電的過程中，利用電池模組檢測裝置1隨時量測第二電池單元22之一即時內電阻值，並將之對應至先前量得之第二電池單元22之內電阻對放電時間關係，即可以對應得知第二電池單元22的當前可用功率。

再舉例而言，每當第二電池單元22之電量即將用盡時，再次將第二電池單元22充至電力飽滿。接下來，在電池模組2連接到負載3開始供電的瞬間，量測第二電池單元22之即時內電阻值。最後，將量測到之即時內電阻值對應至內電阻對放電時間關係，則可得知此次在第二電池單元22充電飽滿後的電力，大約佔出廠後初次使用前的比例。而若第二電池單元22在充飽電力後再次使用的瞬間，所量測到的即時內電阻值約為初始內電阻值之2倍時，則代表此時第二電池單元22已不適合再使用，必須汰除。

藉由上述的設置與方法，電池模組檢測裝置1可以即時地量測電池模組2中各電池單元的即時內電阻，並且將之分別比較各電池單元各自的內電阻對放電時間關係。若在電池模組2中有任何一電池單元出現異常時，即可以很容易的發現問題所在。此外電池模組檢測裝置1可以具有一保護機制，以進一步增加電池模組2使用上的安全。

舉例而言，電池模組檢測裝置1可以監測電池模組2中所有電池單元之品質參考值。若任何一電池單元之品質參考值大於一預設閥值時，則電池模組檢測裝置1可以啟動一保護機制，以警示使用者出現異常狀態的電池，或是進一步切斷電池模組2對負載3的電力供應。請參考圖三，圖中所示係為根據本發明之一具體實施例之電池模組檢測方法之流程圖。本方法可適用於前述之電池模組檢測裝置1，因此以下將以前述電池模組檢測裝置1為例，說明本方法流程。如圖三所示，本發明之方法包含二個階段，首先在第一階段中求出第二電池單元22之內電阻對放電時間關係之曲線，以供日後電池模組2在對負載3供電時作為第二電池單元22使用狀態之參考。在第二階段中，亦即電池模組2連接並對負載3供電時，根據先前所得到之內電阻對放電時間關係之曲線，來判斷第二電池單元22當前可用功率及剩餘可工作壽命。本發明之方法之步驟，詳細說明如下。

在第一階段中，首先充電第二電池單元22至一飽和狀態(步驟S51)。接著，以電池模組檢測裝置1量測第二電池單元22未使用時，第二正電極221及第二負電極222間之一空載電壓值(步驟S52)，以決定圖二中之空載電壓值曲線。接下來，以一預設電流值放電第二電池單元22(步驟S53)。量測第二電池單元22於以預設電流值放電過程中之複數備連續放電電壓值(步驟S54)，藉此而可以得到圖二中之加載電壓值曲線。

接下來，根據空載電壓值、連續放電電壓值及預設電流值，計算以得到第二電池單元22之內電阻對放電時間關係(步驟S55)。更詳細而言，在步驟S55中是將各連續放電電壓值減去空載電壓值後，再除以預設電流值，以分別得到相對應之連續內電阻值。如在圖二中所示，所得到之連續內電阻值可以繪製成一內電阻對放電時間關係之曲線，以作為日後根據第二電池單元22之即時內電阻值，來判定電池之當前可用功率及剩餘可工作壽命。

在第二階段中，首先使電池模組2連接並對負載3供電，然後利用電池模組檢測裝置1量測第二電池單元22之第二正電極221及第二負電極222間之加載電壓值，並根據分流器12量得負載3之一負載電流值(步驟S61)。接著，根據第二電池單元22之空載電壓值、加載電壓值及負載3之負載電流值，計算得到一電池單元22之一即時內電阻值(步驟S62)。最後，根據內電阻對放電時間關係及即時內電阻值，可以對照得到第二電池單元22之一使用狀態(步驟S63)。進一步而言，步驟S63對照得到第二電池單元22之使用狀態，是第二電池單元22之剩餘使用功率。

在實際應用中，電池模組檢測裝置1可以將第二電池單元22之剩餘使用功率，作為電池模組2整體之剩餘使用功率。較佳地，電池模組檢測裝置1是判斷出所有電池單元中剩餘使用功率最低者，以其剩餘使用功率為電池模組2之剩餘使用功率。如此可以有效的避免任一電池過度放電，而造成的危害

此外，利用上述步驟亦可以在任一電池單元於再次充飽電力之後，得知其剩餘可用功率相較出廠初次使用時之比例，以評估該電池單元的可工作壽命。以第二電池單元22為例，為達此目地，則在步驟S61中量測加載電壓值時，是量測電池模組2開始對負載3供電瞬間第二電池單元22之一初始電壓值。而量測負載3之負載電流值時，亦是量測電池模組2開始對負載3供應電瞬間之一始初電流值。接著，在步驟S62之中，則是將初始電壓值代入加載電壓值，並將初始電流值代入負載電流值計算，藉此得到的即時內電阻值即為第二電池單元22之再充電後內電阻值。最後在步驟S63中，是將再充電後內電阻值與內電阻對放電時間關係比較，以評估得到第二電池單元22之剩餘使用壽命。更詳細而言，步驟S63是將再充後內電阻值與初始內電阻值比較。

請參考圖四，其係電池模組檢測裝置1啟動保護機制之流程圖。在電池模組檢測裝置1建立第二電池單元22初次放電數據的過程中(步驟S55)，可以計算而得到不同放電時間時，第二電池單元22之複數內電阻值，而其中則會具有一在開始放電時之初始內電阻值。而為了達成保護機制之功能，電池模組檢測裝置1會在電池模組2其後的使用過程中，根據即時內電阻值與初始內電阻值，計算一品質參考值(步驟S71)。更詳細而言，品質參考值係為第二電池單元22之即時內電阻值除以初始內電阻值。接著電池模組檢測裝置1將比較品質參考值與一預設閥值(步驟S72)。若品質參考值大於預設閥值時，則電池模組檢測裝置2會啟動一保護機制(步驟S73)。舉例而言，電池模組檢測裝置2可以警示使用者第二電池單元22之異常使用狀況，或是直接切斷電池模組2對負載3之電源供應。本保護機制係以第二電池單元22為例說明，於實際應用上可以推及電池模組2中之所有電池單元。

綜上所述，本發明之電池模組檢測方法，利用量測電池模組中各電池單元之加載電壓及負載電流，以即時地得到各電池單元的內電阻變化。利用本發明的電池模組檢測方法，不需要對電池單元外加一交流電，除了可以簡化電路設置之外，亦增加了量測過程的安全，更保護了電池的壽命。進一步而言，藉由所量測到的各電池單元的內電阻變化，本方法可以預估一電池模組中各電池單元於該次放電的的剩餘可用功率以及該電池剩餘可用壽命，完全掌握各電池單元的使用狀態，以決定需要再充電的時間或更換該電池單元的時機。

藉由以上較佳具體實施例之詳述，係希望能更加清楚描述本發明之特徵與精神，而並非以上述所揭露的較佳具體實施例來對本發明之範疇加以限制。相反地，其目的是希望能涵蓋各種改變及具相等性的安排於本發明所欲申請之專利範圍的範疇內。因此，本發明所申請之專利範圍的範疇應該根據上述的說明作最寬廣的解釋，以致使其涵蓋所有可能的改變以及具相等性的安排。

1．．．電池模組檢測裝置

10．．．控制單元

11．．．檢測單元

12．．．分流器

2．．．電池模組

21．．．第一電池單元

22．．．第二電池單元

221．．．第二正電極

222．．．第二負電極

23．．．第三電池單元

3．．．負載

S51~S55、S61~S64、S71~S73．．．流程步驟

圖一繪示根據本發明之一具體實施例的電池模組檢測裝置。

圖二繪示根據本發明之一具體實施例中電池單元的電壓及內電阻對時間關係之示意圖。

圖三繪示根據本發明之一具體實施例之電池模組檢測方法之流程圖。

圖四繪示根據本發明之一具體實施例之保護機制啟動之流程圖。

S51~S55、S61~S63．．．步驟流程

Claims (5)

1. 一種電池模組檢測方法，應用於一電池模組，該電池模組包含一電池單元並且電連接至一負載，該電池模組檢測方法包含下列步驟：(a)量測該電池單元之一加載電壓值以及該負載之一負載電流值；(b)根據該電池單元之一空載電壓值、該加載電壓值及該負載電流值，計算該電池單元之一即時內電阻值；以及(c)根據一內電阻對放電時間關係及該即時內電阻值，得到該電池單元之一使用狀態，其中該使用狀態為該電池之剩餘使用功率，並且以該剩餘使用功率作為該電池模組之剩餘使用功率。
2. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組檢測方法，進一步包含下列步驟：充電該電池單元至一飽和狀態；量測該電池單元末使用時之該空載電壓值；以一預設電流值放電該電池單元；量測該電池單元於以該預設電流值放電過程中之複數連續放電電壓值；以及根據該空載電壓值、該等連續放電電壓值及該預設電流值，對應計算該電池之複數連續內電阻值，以得到該內電阻對放電時間關係。
3. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組檢測方法，其中該內電阻對放電時間關係具有一初始內電阻值，該檢測方法進一步包含下列步驟：根據該即時內電阻值與該初始內電阻值，計算一品質參 考值；比較該品質參考值與一預設閥值；以及若該品質參考值大於一預設閥值時，啟動一保護機制，以警示該電池單元之異常狀態或停止該電池模組之供電。
4. 如申請專利範圍第3項所述之電池模組檢測方法，其中該品質參考值為該即時內電阻值除以該初始內電阻值。
5. 如申請專利範圍第1項所述之電池模組檢測方法，進一步包含下列步驟：再次充電該電池單元至一飽和狀態；其中，步驟(a)係量測該電池單元之一初始電壓值以及該負載之一初始電流值；步驟(b)係根據該空載電壓值、該初始電壓值及該初始電流值，計算該電池單元之一再充電後內電阻值；以及步驟(c)係根據該再充電後內電阻值與該內電阻對放電時間關係，以得到該電池單元之一剩餘使用壽命。