TWI408393B - 電池電量殘量預估方法及其系統 - Google Patents

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電池電量殘量預估方法及其系統
本發明係關於一種電池電量殘量預估相關技術，尤指一種電池電量殘量預估方法及其系統。
由於全球正面對石油耗竭的危機，導致許多以石油為動力源的裝置必須謀求使用其它動力替化源。
以車輛來說，各車廠無不極積思考以電力代替石油為車輛動力來源，目前過渡時期部份車廠更推出油電混合車款，以減少車輛用油量。此外，如機車產業更是直接推出電動機車，完全改採電力為動力源。為因應此波趨勢，未來電池使用量及產值將會日益提高，如何有效管理、維修、檢修電池將是未來相當重要的課題。
檢修人員在檢修電池程序中，電池電量殘量是相當重要的判斷依據，然而目前判斷電池電量殘量準確率並不高，究其主要原因為，目前殘量預估方法係直接以不同放電電流及其對應電壓變化進行電池電量殘量的計算，然而如第三圖所示，不同放電電流中最大的放電電流所對應的電壓驟降很快，由於各放電流電流對應的電壓曲線斜率不同，而會造成預估出的電池電量殘量誤差值相對變大。
此外，目前實現上述電池電量殘量預估方法的設備，如第五圖所示，係包含有一外接電壓電流檢測裝置(51)及一監控電腦(52)，使用時，將該外接電壓電流檢測裝置(51)以有線連接至待測電池(50)的電極，配合監控電腦(52)的控制，對待測電池(50)進行放電電流大小的控制，並據以檢知各段放電電流時間的電壓變化，再由該監控電腦(52)予以記錄，供作後端的電池電量殘量預估值的計算。
由上述說明可知，目前預估電池電量殘量在設備的操作上仍必須以複雜的接線方式將待測電池分別與外接電壓電流檢測裝置，使用上相當不便且費時，不利於檢修大量電池之應用，必須謀求更佳的解決方法。
有鑑上述目前電池電量殘量預估方法及其設備的技術缺失，本發明主要目的係提供一種電池電量殘量預估方法，能更精確地預估電池電量殘量，提高電池檢修品質。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該電池電量殘量預估方法係包含有：取得並儲存待測電池之滿電電壓值及無電電壓值；對待測電池進行充電程序；量測待測電池的起始電壓值；對待測電池進行放電程序，令電池輸出不同放電電流，並記錄有放電時間、複數放電電流值及各放電電流區間的電壓變化值；計算電池電容量，係依據初始電壓值及放電時間計算電池電容量；計算加成電流值，係選擇一多項式加成電流方程式，將數次放電電流值帶入該多項式加成電流方程式，以計算出加成電流值；及估算電池電量殘量，係以電容量與加成電流值計算出電池電量殘量。
上述本方法係主要取得待測電池初始電壓值及放電時間，先求得電池的電容量，再將不同放電電流帶入多項式加成電流方程式，求得該待測電池的加成電流值；最後再以電容量與加成電流值計算出電池電量殘量，即能精確地預估該待測電池電量之殘量。
欲達上述目的所使用的主要技術手段係令該電池電量殘量預估系統包含有：一電池，其內設有至少一電池芯、一嵌入式電壓電流檢測模組及一無線收發模組；其中該嵌入式電壓電流檢測模組係連接於該至少一電池芯組成電池電極及無線收發模組之間，用以檢測電池初始電壓值及放電電流值，再透過該無線收發模組將初始電壓值及放電電流值轉換為無線訊號對外傳送；一放電檢測電阻裝置，係電連接至該電池的電壓電流檢測模組輸出端及電池電極，並包含有一驅動電路單元、一開關電路及複數電阻，其中該驅動電路單元係連接至電壓電流檢測模組輸出端，以透過開關電路控制特定電阻與電池電極構成電連接，以產生不同檢測用的放電電流；一無線監控電腦，係與該電池的無線收發裝置無線連結，以接收該電池的初始電壓值及放電電流值，又該無線監控電腦係發送檢測命令至該電池，該嵌入式電壓電流檢測模組係依據檢測命令加切換不同電阻值電阻與電池電極連接，以取得不同放電電流值；又該無線監控電腦係預設有各種電池的滿電電壓值、無電電壓值以及多項式加成電流方程式；及一電源供應器，係連接至該電池電極及無線監控電腦，以受該無線監控電腦的控制輸出充電電壓至該電池電極。
上述本系統的該無線監控電腦即可儲存不同電池的標準數據與各檢測電池的電池電量殘量，完整建構電池電量殘量測量、數值收集及分析，並提供使用者更快速瞭解殘餘電量資訊；除此之外，由於本系統係儲存不同電腦的標準數據，於電池電量殘量預估時採用同款電池標準數據，使得電池電量殘量預估更準確。
請參閱第一圖所示，係為本發明電池電量殘量預估方法的流程圖，其包含以下步驟。
取得並儲存待測電池之滿電電壓值及無電電壓值(30)；對待測電池進行充電程序(31)；於本實施例中，係以電源供應器輸出定電流對電池充電，待接近滿電電壓值時，改採定電壓充電，直到電池的電壓到達滿電電壓值為止；量測待測電池的起始電壓值(32)；本步驟係因電池移除外部充電電源時，可能會因其內部化學反應、使用次數或製造品質，其電壓將略微下降，舉例來說，若將電池充電至滿電壓為4.1V後，移除充電電源，電池端電壓可能下降至3.9-4.0不等，是故本步驟為修正實際情況可能於估測時所造成之誤差；對待測電池進行放電程序(33)；於本實施例中，將一負載連接至電池電極，進行定負載放電，又負載與電池電極間再透過一切換開關選擇與不同電阻值的電阻並聯連接，令電池以不同定電流放電(331)，直到電池電壓到達無電電壓值為止(332)；因此在本步驟中可記錄有總放電時間、各放電電流區間的電壓變化值(333)；計算電池電容量(34)，係以起始電壓值、放電時間、標準放電時間及修正後的電容量帶入對應的起始電壓方程式，計算出目前電池的電容量；計算加成電流值(35)，係選擇一多項式加成電流方程式，將數次放電電流值帶入該多項式加成電流方程式，以計算出加成電流值；於本實施例，該多項式加成電流方程式係為一四階方程式：y=-0.68x4 +3.588x3 -5.954x2 +5.898x-0.952，其中y為加成電流值，x為放電電流值；及估算電池電量殘量(36)，係以電容量與加成電流值計算出電池電量殘量。
上述於計算電池電容量的步驟中，為了求得更精準的電容量，故採用改良庫侖法配合開路電壓法進行計算參數值的計算，而可應用於非滿電的電池進行電容量的計算。首先如下表所示，係取得與待測電池相同型號及製程的電池在不同起始電壓值所測得的參考數據(初始電壓及放電時間)及標準數據(標準放電時間及標準電容量)。因為已取得待測電池的初始電壓及放電時間，故讀取該待測電池標準放電時間及標準電容量後，即可帶入修正後電容量計算式，求得該修正後電容值；其中，該修正後電容量計算式係為放電時間除以標準放電時間再乘以標準電容量；如此重覆在不同初始電壓計算出對應的修正後電容量，即能獲得下表。
由上述上表求得的數據，即可以複數初始電壓值及其修正後電容量推得一預測電容量的方程式，如第二A圖所示，係為第一初始電壓區間(12.04V至12.51V)的預測電容量曲線圖，預測電容量方程式為y=844.2x2 -18206x+97304；再如第二B圖所示，第二初始電壓區間(12.51V至12.54V)的預測電容量曲線圖，預測電容量方程式為y=23262x+28931；至於第二C圖，則表示第三初始電壓區間(12.54V至12.64V)的預測電容量曲線圖，其預測電容量方程式為y=5981x+72672。
因此，本發明電池電量殘量預估方法的計算電池電容量步驟中，係依據待測電池的初始電壓值找出對應的初始電壓區間，再將測得的初始電壓值帶入該初始電壓區間的預測電容量方程式，以求得該待測電池的精確電容量。
上述本方法係主要取得待測電池初始電壓值及放電時間，先求得電池的電容量，再將不同放電電流帶入多項式加成電流方程式，求得該待測電池的加成電流值；最後再以電容量與加成電流值計算出電池電量殘量，即能精確地預估該待測電池電量之殘量。
請參閱第三圖所示，係為本發明實現上述電池電量殘量預估方法的系統架構圖，其包含有：一電池(10)，其內設有至少一電池芯(11)、一嵌入式電壓電流檢測模組(12)及一無線收發模組(13)；其中該嵌入式電壓電流檢測模組(12)係連接於該至少一電池芯(11)組成電池(10)電極及無線收發模組(13)之間，用以檢測電池初始電壓值及放電電流值，再透過該無線收發模組(13)將初始電壓值及放電電流值轉換為無線訊號對外傳送；一放電檢測電阻裝置(30)，係電連接至該電池(10)的電壓電流檢測模組(12)輸出端及電池(10)電極，並包含有一驅動電路單元(31)、一開關電路(32)及複數電阻(33)，其中該驅動電路單元(31)係連接至電壓電流檢測模組(12)輸出端，以透過開關電路(32)控制特定電阻(33)與電池(10)電極構成電連接，以產生不同檢測用的放電電流；一無線監控電腦(20)，係與該電池(10)的無線收發裝置(13)無線連結，以接收該電池(10)的初始電壓值及放電電流值，又該無線監控電腦(20)係發送檢測命令至該電池(10)，該嵌入式電壓電流檢測模組(12)係依據檢測命令加切換放電檢測電阻裝置(11)的不同電阻值電阻與電池(10)電極連接，以取得不同放電電流值；又該無線監控電腦(20)係預設有各種電池的標準放電時間、標準電容值、滿電電壓值、無電電壓值，及各電池在不同初始電壓值的電容量計算方程式，以及多項式加成電流方程式；及一電源供應器(21)，係連接至該電池(10)電極及無線監控電腦(20)，以受該無線監控電腦(20)的控制輸出充電電壓至該電池(10)電極。
由上述說明可知，無線監控電腦係預先存儲有待測電池的標準放電時間、標準電容值、各電池在不同初始電壓值的電容量計算方程式，以及多項式加成電流方程式，而於進行殘量預估時，先控制電源供應器輸出定電流的充電電流至待測電池電極，於接近其滿電電壓值後改以定電壓方式對待測電池充電，之後發出放電命令至該電池，當電池內的嵌入式電壓電流檢測模組透過無線收發模組取得此一放電命令後，即量測目前電池電極的電壓，作為初始電壓值，並透過該無線收發模組回傳至該無線監控電腦，接著再切換不同電阻並聯至該電池電極，令電池以不同定電流放電，並將放電電流值同樣透過該無線收發模組回傳至該無線監控電腦；是以，當該無線監控電腦取得初始電壓值及不同充電電流值，即能分別計算待測電池之電容量大小及加成電流值，再根據電容量與加成電流計算出電池電量殘量。
綜上所述，本系統的該無線監控電腦即可儲存不同電池的標準數據與各檢測電池的電池電量殘量，完整建構電池電量殘量測量、數值收集及分析，並提供使用者更快速瞭解殘餘電量資訊。此外，正由於本系統係儲存不同電腦的標準數據，於電池電量殘量預估時採用同款電池標準數據，使得電池電量殘量預估更準確。
(10)．．．電池
(11)．．．電池芯
(12)．．．嵌入式電壓電流檢測模組
(13)．．．無線收發模組
(20)．．．無線監控電腦
(21)．．．電源供應器
(30)．．．放電檢測電阻裝置
(31)．．．驅動電路單元
(32)．．．開關電路
(33)．．．電阻
(50)．．．待測電池
(51)．．．電池
(52)．．．電壓電流檢測裝置
(53)．．．監控電腦
第一圖：係本發明電池電量殘量預估方法的流程圖。
第二A至C圖：係本發明第一至第三初始電壓區間的預估電容量曲線圖。
第三圖：係本發明電池電量殘量預估系統的系統架構圖。
第四圖：係既有不同放電電流的電壓曲線圖。
第五圖：係既有電池電量殘量預估系統的系統架構圖。

Claims (9)

  1. 一種電池電量殘量預估方法包含有：取得並儲存待測電池之滿電電壓值及無電電壓值；對待測電池進行充電程序；量測待測電池的起始電壓值；對待測電池進行放電程序，係將一負載連接至電池電極，進行定負載放電，又負載與電池電極間再選擇並聯不同電阻值的電阻，令電池以不同定電流放電，直到電池電壓到達無電電壓值為止，並記錄有放電時間、複數放電電流值及各放電電流區間的電壓變化值；計算電池電容量，係依據初始電壓值及放電時間計算電池電容量；計算加成電流值，係選擇一多項式加成電流方程式，將數次放電電流值帶入該多項式加成電流方程式，以計算出加成電流值；及估算電池電量殘量，係以電容量與加成電流值計算出電池電量殘量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之電池電量殘量預估方法，於對待測電池進行充電程序步驟中，係對電池進行定電流充電，待接近滿電電壓值時，改採定電壓充電，直到電池的電壓到達滿電電壓值為止。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之電池電量殘量預估方法，係進一步儲存有複數起始電壓方程式，各起始電壓方程式係由複數初始電壓值及其修正後電容量推得，其中各修正後電容量係以修正後電容量計算式計算而得，而修正 後電容量計算式係放電時間除以標準放電時間再乘以標準電容量。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之電池電量殘量預估方法，上述計算電池電容量步驟中係依據待測電池的起始電壓值判斷對應的起始電壓方程式，再將起始電壓值、放電時間、標準放電時間及修正後的電容量帶入對應的起始電壓方程式，計算出目前電池的電容量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之電池電量殘量預估方法，上述計算加成電流值步驟中，該該多項式加成電流方程式係為一四階方程式：y=-0.68x4 +3.588x3 -5.954x2 +5.898x-0.952，其中y為加成電流值，x為放電電流值。
  6. 一種電池電量殘量預估系統，係包含有：一電池，其內設有至少一電池芯、一嵌入式電壓電流檢測模組及一無線收發模組；其中該嵌入式電壓電流檢測模組係連接於該至少一電池芯組成電池電極及無線收發模組之間，用以檢測電池初始電壓值及放電電流值，再透過該無線收發模組將初始電壓值及放電電流值轉換為無線訊號對外傳送；一放電檢測電阻裝置，係電連接至該電池的電壓電流檢測模組輸出端及電池電極，並包含有一驅動電路單元、一開關電路及複數電阻，其中該驅動電路單元係連接至電壓電流檢測模組輸出端，以透過開關電路控制特定電阻與電池電極構成電連接，以產生不同檢測用的放電電流；一無線監控電腦，係與該電池的無線收發裝置無線連結，以接收該電池的初始電壓值及放電電流值，又該無線 監控電腦係發送檢測命令至該電池，該嵌入式電壓電流檢測模組係依據檢測命令加切換放電檢測電阻裝置的不同電阻值電阻與電池電極連接，以取得不同放電電流值；又該無線監控電腦係預設有各種電池的滿電電壓值、無電電壓值以及多項式加成電流方程式；及一電源供應器，係連接至該電池電極及無線監控電腦，以受該無線監控電腦的控制輸出充電電壓至該電池電極。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之電池電量殘量預估系統，該無線監控電腦係進一步儲存有各種電池的標準放電時間、標準電容值、滿電電壓值、無電電壓值以及各電池在不同初始電壓值的電容量計算方程式。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之電池電量殘量預估系統，其中各起始電壓方程式係由複數初始電壓值及其修正後電容量推得，其中各修正後電容量係以修正後電容量計算式計算而得，而修正後電容量計算式係放電時間除以標準放電時間再乘以標準電容量。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之電池電量殘量預估系統，上述計算電池電容量步驟中係依據待測電池的起始電壓值判斷對應的起始電壓方程式，再將起始電壓值、放電時間、標準放電時間及修正後的電容量帶入對應的起始電壓方程式，計算出目前電池的電容量，而該多項式加成電流方程式係為一四階方程式：y=-0.68x4 +3.588x3 -5.954x2 +5.898x-0.952，其中y為加成電流值，x為放電電流值。
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