TWI427309B

TWI427309B - 電壓校正方法

Info

Publication number: TWI427309B
Application number: TW100138391A
Authority: TW
Inventors: Tai Hung Chen; Guo Zhang Huang
Original assignee: Simplo Technology Company Ltd
Priority date: 2011-10-21
Filing date: 2011-10-21
Publication date: 2014-02-21
Also published as: US20130103332A1; TW201317599A; US9188649B2

Description

電壓校正方法

本發明有關一種充電電池組的電壓校正方法，尤指一種可減少各電池單元內阻壓差的影響以校正各電池單元的量測電壓的電壓校正方法。

為了給設備提供足夠的電壓，一般充電電池組通常由多個電池單元串聯而成，這樣的組合能方式能同時滿足筆記型電腦、醫療設備、高功耗需求的儀器設備等。在設計電池組時，通常多個串聯的電池單元彼此之間的電壓是平衡的，然而因為電池組各電池單元之間的走線以及頭尾兩端的電池單元銜接的鎳片產生的電阻，使得在充電電池組內的電池控制單元在偵測各電池單元的電壓時，會偵測到不一致的結果。在先前技術中有幾個用來平衡電池組內各電池單元的電壓的方式，其大致上分為電池電壓平衡法(cell voltage balance)以及電池容量平衡法(cell capacity balance)兩大類型。但這兩大類型的電壓平衡方法並無法解決到鎳片或走線在各電池單元內所造成的內阻，而導致串聯電池的串電壓差的問題。

舉例而言，在一個具有多個電池單元串聯而成的充電電池組中，電池組因為外觀設計的限制，造成內部電池單元之間的內電阻不平均，同時電池組兩端的電池單元也因為導電鎳片的影響，其內阻往往大於其他非兩端的電池單元。如此一來，當充電電池組在充電過程中，電池控制單元會提早將電池判定為充電完成(但實際上內部的電池單元並未完全充電)，而在放電的過程中，電池控制單元會提早將電池判定為放電完成(但實際上內部的電池單元仍有部分可用電力)。這樣的結果，使得充電電池組的實際可用電池容量比其所設計的容量來得低，且在充電過程中因無法正確充電完成而影響電池的壽命。

為解決前述在充電電池組中各電池單元內阻造成的壓差，導致充電電池組的充放電不完全的問題，在本發明的實施例中，提供了一種充電電池組的電壓校正方法。在一充電電池組中包含串聯之一第一電池單元以及一第二電池單元，該充電電池模組另包含一電池控制單元，其電連接於該第一電池單元以及該第二電池單元。該電壓校正方法包含使用該電池控制單元執行下列步驟：分別取得該第一電池單元以及該第二電池單元之一第一量測電壓以及一第二量測電壓；依據該第一量測電壓以及該第二量測電壓獲得一平均電壓；依據該第一量測電壓、該平均電壓以及流經該第一電池單元之一充電電流獲得該第一電池單元的一第一計算內阻；取得該第一電池單元之一第一更新量測電壓以及取得流經該第一電池單元之一更新充電電流以及依據該第一更新量測電壓、該更新充電電流以及該第一計算內阻獲得該第一電池單元之一第一校正電壓。

在本發明的實施例中，另提供了一種充電電池組的電壓校正方法。在一充電電池組中包含串聯的複數個電池單元，該充電電池模組另包含一電池控制單元，其電連接於該複數個電池單元。該電壓校正方法包含使用該電池控制單元執行下列步驟：分別取得該複數個電池單元之複數個量測電壓；依據該複數個量測電壓獲得一平均電壓；依據各電池單元之各量測電壓、該平均電壓以及流經該複數個電池單元之一充電電流，獲得該複數個電池單元相對應的複數個計算內阻；取得該複數個電池單元之複數個更新量測電壓以及取得流經該複數個電池單元之一更新充電電流；以及依據各更新量測電壓、該更新充電電流以及各計算內阻獲得該複數個電池單元相對應的複數個校正電壓。

利用本發明實施例所提供的電壓校正方法，可以依據各電池單元的內阻之間的比例調整各電池單元實際測得的電壓，使各電池單元計算後的校正電壓更接近各電池單元的實際電壓，使電池控制單元在充電電池組於充/放電過程中，獲得更準確的電壓數值，使充電電池組的充/放電達到更佳的效率。

請參考第1圖，第1圖為本發明使用電壓校正的充電電池組1的示意圖。充電電池組1由多個電池單元串聯而成，其中電池單元可為18650充電鋰電池單元或其他形式的充電電池單元。在第1圖的充電電池組1中，係由第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30串聯而成。然而本發明並不以實施例中的電池單元數量為限，在充電電池組1中亦可僅使用兩個電池單元，或串聯更多個電池單元，且更可以將多個彼此串聯的電池串並聯後而具有更大的電池容量。充電電池組1內具有一電池控制單元40，分別電連接於第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30，以分別取得第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30的一第一量測電壓V₁ 、一第二量測電壓V₂ 以及一第三量測電壓V₃ 。另外，電池控制單元40亦用來取得流經第一電池單元10之電流I₁ 、流經第二電池單元20之電流I₂ 以及流經第三電池單元30之電流I₃ ，由於本實施例中，流至電池控制單元40之電流相較於I₁ 、I₂ 、I₃ 甚小而可忽略不計，因此為說明方便，本實施例設I₁ =I₂ =I₃ =I。再者，電池控制單元40控制充電電池組1的充放電過程。由於充電電池組1的外觀設計、導電鎳片以及電池單元間走線的影響，第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30分別產生了一第一內阻11(R₁ )、一第二內阻21(R₂ )以及一第三內阻31(R₃ )，各內阻的實際電阻值對電池控制單元40而言是未知的，且一般來說，因為充電電池組1兩端的電池單元10、30因連接導電鎳片，使得實際情況的R₁ >>R₂ ~R₃ (或R₃ >>R₁ ~R₂ )，然此並不會對本發明之實施造成限制。

為了於充電電池組1中減少內阻所造成的壓差，使充電電池組1的充放電達到更佳的效率，本發明提出了一種充電電池組的電壓校正方法。請參考第2圖，第2圖為電壓校正方法中的內阻計算流程100流程示意圖。內阻計算流程100係於充電或放電程序中進行內阻之計算，包含下列步驟：步驟102：判斷各電池單元的相對容量是否皆大於充飽容量的一預設比例？步驟104：取得各電池單元的各量測電壓，並判斷各電池單元的各量測電壓是否大於一預設電壓值？步驟106：依據各電池單元的各量測電壓獲得一平均電壓；步驟108：計算各電池單元的各計算內阻。

當充電電池組1在充電過程中，各電池單元的電池容量大於一定比例且各電池單元的量測電壓大於某一預設電壓值時，可以較準確地計算出各電池單元的各計算內阻。換言之，即使不執行步驟102與104亦可直接執行步驟106、108來計算出各電池單元的計算內阻，亦即本發明之實施不以執行步驟102與104為限。然而，執行步驟102與104當可獲得較佳的結果。因此，於此本發明之較佳實施例中，電池控制單元40先在步驟102中判斷各電池單元的相對容量(relative state of capacity,RSOC)是否皆大於充飽容量(full charge capacity,FCC)的一預設比例。舉例來說，假定各電池單元的充飽容量為FCC，則電池控制單元40可在步驟102中判斷各電池單元的相對容量是否大於其FCC的50%，且當各電池單元的相對容量皆超過其FCC的50%時，再執行後續步驟。接著在步驟104中，電池控制單元40分別取得第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30的第一量測電壓V₁ 、第二量測電壓V₂ 以及第三量測電壓V₃ ，電池控制單元40並於判斷各電池單元的量測電壓超過該預設電壓值(例如3.7伏特)時，再執行步驟106與108。請注意，本發明的電壓校正方法(包含第2圖的內阻計算流程100以及第3圖的電壓校正流程200)亦可在充電電池組1的放電程序中執行。於放電程序中執行的條件與於充電程序中執行的條件相仿，亦即為了較準確地計算出各電池單元的各計算內阻，當各電池單元的RSOC大於FCC的一預設比例(例如50%)且各電池單元的量測電壓大於某一預設電壓值(例如3.7伏特)時，再執行步驟106與108。另請注意，上述預設比例之範例50%與預設電壓值之範例3.7伏特並非對本發明實施之限制，本技術領域具有通常知識者可依據實際應用的不同(例如依據電池單元的種類不同)，在不過度實驗下，選擇不同的預設比例及預設電壓值。

由於第一量測電壓V₁ 、第二量測電壓V₂ 以及第三量測電壓V₃ 皆受到各電池單元的內阻的影響而大於各電池單元的實際電壓，因此在步驟106中，電池控制單元40依據V₁ 、V₂ 以及V₃ 計算產生一平均電壓V_avg ，本實施例係以相同權重來平均V₁ 、V₂ 、V₃ 以產生平均電壓V_avg ，亦即：

V_avg =(V₁ +V₂ +V₃ )/n；

其中n為電池單元的數量，於本實施例中n等於3。

亦可依據電池設定或設計需求，依一特定比例的權重對各量測電壓加權計算出平均電壓V_avg ，例如：

V_avg =(0.99V₁ +1.005V₂ +1.005V₃ )/n。

接著電池控制單元40依據各電池單元的量測電壓、平均電壓V_avg 、以及於充電過程中對充電電池組1充電的充電電流I，估算各電池單元的內阻。例如，第一電池單元10的第一內阻11(R₁ )雖為未知，但於步驟108中，依據下列公式可獲得第一電池單元10的一第一計算內阻R_1e ：

R_1e =|(V₁ -V_avg )/I|；

同理電池控制單元40可獲得第二電池單元20的一第二計算內阻R_2e =|(V₂ -V_avg )/I|、以及第三電池單元30的一第三計算內阻R_3e =|(V₃ -V_avg )/I|。當所有電池單元的計算內阻皆計算完成後，即結束內阻計算流程100。

接著請參考第3圖，第3圖為電壓校正方法中進行電壓校正流程200示意圖，其包含下列步驟：步驟202：取得一電池單元的計算內阻；步驟203：取得該電池單元的更新量測電壓及更新充電電流；步驟204：依據該電池單元的更新量測電壓、更新充電電流以及計算內阻獲得該電池單元的校正電壓；步驟206：依據該電池單元的校正電壓判斷該電池單元是否充/放電完成。

由於先前已執行內阻計算流程100，完成估算各電池單元之計算內阻R_1e 、R_2e 、R_3e ，因此於步驟202中，電池控制單元40可直接取得第一計算內阻R_1e =|(V₁ -V_avg )/I|。然後於步驟203中，電池控制單元40量測取得第一電池單元10的第一更新量測電壓V₁ '及更新之充電電流I'。接著在步驟204中，電池控制單元40依據第一電池單元10的第一更新量測電壓V₁ '、第一計算內阻R_1e 、更新充電電流I'獲得第一電池單元10的一第一校正電壓V_1c 如下：

V_1c =V₁ '-I'R_1e ；

請注意，V₁ '為更新量測之電壓，其值會隨著每次量測時充電電池組1之環境條件、使用狀況等而有不同，亦即V₁ '之值可能等於或異於先前計算R_1e 時所量測之V₁ ；同理，I'為更新量測之電流，其值會隨著每次量測時充電電池組1之環境條件、使用狀況等而有不同，亦即I'之值可能等於或異於先前計算R_1e 所量測之I；至於R_1e 於本實施例中一經求得即不需重新計算。然此並非對本發明之限制，R_1e 亦可於一預定時間後(例如m週，m為正整數)經由本發明之內阻計算流程100重新求得，亦可於每次充電電池組1充電時即經由內阻計算流程100重新求得。

據上，於步驟206中，當充電電池組1進行充電時，電池控制單元40即依據第一電池單元10的第一校正電壓V_1c 來判斷第一電池單元10是否充電完成。由上可知，第一校正電壓V_1c 相較於電池控制單元40實際自第一電池單元10量得的第一更新量測電壓V₁ '低(意味著將第一電池單元10的內阻所造成的壓差除去)，因此當第一更新量測電壓V₁ '達到額定充飽電壓但第一校正電壓V_1c 尚未達到時，電池控制單元40會判斷第一電池單元10尚未被充飽。直到第一校正電壓V_1c 達到第一電池單元10的額定充飽電壓時，電池控制單元40才判斷第一電池單元10已充電完成而停止充電。藉此，第一電池單元10相較於先前技術具有更佳的充飽電量。至於充電電池組1其他的電池單元之電壓校正流程200亦相仿，此處不再贅述。

類似地，於步驟206中，當充電電池組1進行放電時，電池控制單元40即依據第一電池單元10的第一校正電壓V_1c 來判斷第一電池單元10是否需停止放電。由於第一校正電壓V_1c 相較於電池控制單元40實際自第一電池單元10量得的第一更新量測電壓V₁ '低，因此即便第一更新量測電壓V₁ '尚未達到額定放電截止電壓但第一校正電壓V_1c 已達到時，電池控制單元40亦會判斷第一電池單元10需停止放電。藉此，第一電池單元10相較於先前技術更能避免過度放電。

此外，由於前述於步驟108中所計算出來的各電池單元的計算內阻實際上與各電池單元的量測電壓有關，因此在步驟204中所計算出的各校正電壓也可反應出各內阻實際造成的壓差的關係。亦即當第一電池單元10相較其他電池單元具有較大內阻時，於步驟204中的第一校正電壓V_1c 也會反映出對第一更新量測電壓V₁ '進行較大程度的修正。至於充電電池組1在放電過程中，電池控制單元40亦使用上述電壓校正方法，依據所計算出來的各校正電壓來判斷各電池單元是否放電完成。

為更具體說明本發明所揭露的電壓校正方法，以下以一具體實施例來作說明。

依據步驟104，於充電電池組1中，電池控制單元40分別量測得第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30的第一量測電壓V₁ 為3806mV、第二量測電壓V₂ 為3801mV以及第三量測電壓V₃ 為3802mV，而充電過程中所施加的充電電流I=1A。

依據步驟106計算獲得的平均電壓V_avg =(V₁ +V₂ +V₃ )/n=(3806+3801+3802)/3=3803(mV)。接著在步驟108中，獲得各電池單元的計算內阻如下：

R_1e =|(V₁ -V_avg )/I|=|(3806-3803)/1|=3(mΩ)；

R_2e =|(V₂ -V_avg )/I|=|(3801-3803)/1|=2(mΩ)；

R_3e =|(V₃ -V_avg )/I|=|(3802-3803)/1|=1(mΩ)；

再依據步驟202，電池控制單元40先直接取得各電池單元之計算內阻R_1e 、R_2e 、R_3e 。接著依據步驟203，分別取得第一電池單元10、第二電池單元20以及第三電池單元30的第一更新量測電壓V₁ '為3807mV、第二更新量測電壓V₂ '為3802mV以及第三更新量測電壓V₃ '為3802mV，以及取得目前更新充電電流I'=1.1A。然後再依據步驟204，獲得各電池單元的校正電壓如下：

V_1c =V₁ '-I'R_1e =3807-1.1x3=3803.7(mV)；

V_2c =V₂ '-I'R_2e =3802-1.1x2=3799.8(mV)；

V_3c =V₃ '-I'R_3e =3802-1.1x1=3800.9(mV)；

如此即可獲得各電池單元接近實際電壓的校正電壓。

本發明所揭露的電壓校正方法以及相關的充電電池組，透過將充電電池組內各電池單元的內阻對每一個充電電池所產生的平均壓差得出一平均電壓，再依據該平均電壓與各電池單元的量測電壓計算出各電池單元的計算內阻，最後依據各電池單元的計算內阻修正各電池單元的量測電壓以得出各電池單元的校正電壓，且校正電壓較接近各電池單元的真實電壓。因此，於充電電池組進行充電或放電時，電池控制單元能依據校正電壓進行更準確的充放電判斷。

以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。

1．．．充電電池組

10．．．第一電池單元

11．．．第一內阻

20．．．第二電池單元

21．．．第二內阻

30．．．第三電池單元

31．．．第三內阻

40．．．電池控制單元

100．．．內阻計算流程

102～108、202～206．．．步驟

200．．．電壓校正流程

第1圖為本發明使用電壓校正的充電電池組的示意圖。

第2圖為電壓校正方法中的內阻計算流程示意圖。

第3圖為電壓校正方法中的電壓校正流程示意圖。

100．．．內阻計算方法

102～108．．．步驟

Claims

一種充電電池組的電壓校正方法，在一充電電池組中包含串聯之一第一電池單元及一第二電池單元，該充電電池模組另包含一電池控制單元，其電連接於該第一電池單元及該第二電池單元，該電壓校正方法包含使用該電池控制單元執行下列步驟：分別取得該第一電池單元之一第一量測電壓及該第二電池單元之一第二量測電壓；依據該第一量測電壓及該第二量測電壓獲得一平均電壓；依據該第一量測電壓、該平均電壓以及流經該第一電池單元之一充電電流獲得該第一電池單元的一第一計算內阻；取得該第一電池單元之一第一更新量測電壓以及取得流經該第一電池單元之一更新充電電流；以及依據該第一更新量測電壓、該更新充電電流以及該第一計算內阻獲得該第一電池單元之一第一校正電壓。
如請求項1所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：判斷該第一電池單元的相對容量是否大於該第一電池單元的充飽容量的一預設比例；判斷該第一量測電壓是否大於一預設電壓值；以及若該第一電池單元的相對容量大於該第一電池單元的充飽容量的該預設比例以及該第一量測電壓大於該預設電壓值，依據該第一量測電壓、該平均電壓以及該充電電流獲得該第一計算內阻。
如請求項1所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：依據該第二量測電壓、該平均電壓以及流經該第二電池單元之該充電電流獲得該第二電池單元的一第二計算內阻；取得該第二電池單元之一第二更新量測電壓以及取得流經該第二電池單元之一更新充電電流；以及依據該第二更新量測電壓、該更新充電電流以及該第二計算內阻獲得該第二電池單元之一第二校正電壓。
如請求項1所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：於對該第一電池單元充電時，依據該第一校正電壓判斷該第一電池單元是否充電完成。
如請求項1所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：於對該第一電池單元放電時，依據該第一校正電壓判斷該第一電池單元是否放電完成。
如請求項1所述的電壓校正方法，其中該電池控制單元依據該第一量測電壓以及該第二量測電壓獲得該平均電壓係依據相同權重的該第一量測電壓以及該第二量測電壓獲得該平均電壓。
如請求項1所述的電壓校正方法，其中該電池控制單元依據下列條件獲得該第一計算內阻：R_1e =|(V₁ -V_avg )/I|；其中R_1e 為該第一計算內阻，V₁ 為該第一量測電壓，V_avg 為該平均電壓，I為該充電電流。
如請求項1所述的電壓校正方法，其中該電池控制單元依據下列條件獲得該第一校正電壓：V_1c =V₁ '-I'R_1e ；其中V_1c 為該第一校正電壓，V₁ '為該第一更新量測電壓，I'為該更新充電電流，R_1e 為該第一計算內阻。
一種充電電池組的電壓校正方法，在一充電電池組中包含串聯的複數個電池單元，該充電電池模組另包含一電池控制單元，其電連接於該複數個電池單元，該電壓校正方法包含使用該電池控制單元執行下列步驟：分別取得該複數個電池單元之複數個量測電壓；依據該複數個量測電壓獲得一平均電壓；依據各電池單元之各量測電壓、該平均電壓以及流經該複數個電池單元之一充電電流獲得該複數個電池單元相對應的複數個計算內阻；取得該複數個電池單元之複數個更新量測電壓以及取得流經該複數個電池單元之一更新充電電流；以及依據各更新量測電壓、該更新充電電流以及各計算內阻獲得該複數個電池單元相對應的複數個校正電壓。
如請求項9所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：判斷各電池單元的相對容量是否大於各電池單元的充飽容量的一預設比例；判斷各電池單元的各量測電壓是否大於一預設電壓值；以及若各電池單元的相對容量分別大於各電池單元的充飽容量的該預設比例以及各量測電壓分別大於該預設電壓值時，分別依據各量測電壓、該平均電壓以及該充電電流分別獲得各計算內阻。
如請求項9所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：於對該複數個電池單元充電時，依據各校正電壓判斷所對應的該電池單元是否充電完成。
如請求項9所述的電壓校正方法，另包含使用該電池控制單元執行下列步驟：於對該複數個電池單元放電時，依據各校正電壓判斷所對應的該電池單元是否放電完成。
如請求項9所述的電壓校正方法，其中該電池控制單元依據該複數個量測電壓獲得該平均電壓係依據相同權重的該複數個量測電壓獲得該平均電壓。