TWI428623B

TWI428623B - Device for measuring the residual capacity of a battery pack based on the rapid open - circuit voltage estimation method

Info

Publication number: TWI428623B
Application number: TW100145418A
Authority: TW
Original assignee: Chung Shan Inst Of Science
Priority date: 2011-12-08
Filing date: 2011-12-08
Publication date: 2014-03-01
Also published as: TW201323903A

Description

基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置

本發明是有關於一種基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，尤指一種可縮短量測開路電壓所需之電池組靜置時間，而達快速計算電池組殘電量之功效者。

按，一般傳統欲得知電池組殘電量(State of Charge,SOC)，有很多種方式，其中一種是利用電流積分或稱庫侖積分來估測動態(即電流不斷改變)的電池組殘電量，但因電流積分經過長時間運作，會有誤差產生，因此通常再輔以量測電池組開路電壓(Open Circuit Voltage,OCV)來做校正。如中華民國發明專利I319487及中華民國專利公開號200809241者。

先前技術中，量測電池組開路電壓部分，當電池組經過充電或放電後，需要靜置一段長時間(也許數小時)，才能量得開路電壓；第7圖為電池組放電以及靜置時之電壓、電流狀態；當電池組已定電流值(I)放電時，電池組電壓持續下降，當停止放電(電流為0，也就是靜置)時，電池組電壓開始上升；由於電化學平衡特性，一開始靜置時，電壓上升很快，之後電壓上升速度趨緩，最後達到一穩定電壓，此時的電壓即為開路電壓(OCV)，利用此量測到的開路電壓對照電量與電壓之關係後，即可得到電池組殘電量(SOC)；由該第7圖可知，欲量得開路電壓(OCV)，需要電池組靜置一段長時間後才可獲得，實際使用上較為不便。

有鑑於此，本案之發明人特針對前述習用發明問題深入探討，並藉由多年從事相關產業之研發與製造經驗，積極尋求解決之道，經過長期努力之研究與發展，終於成功的開發出本發明「基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置」，藉以改善習用之種種問題。

本發明之主要目的係在於，可縮短量測開路電壓所需之電池組靜置時間，而達快速計算電池組殘電量之功效。

為達上述之目的，本發明係一種基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置其包含有：一電池組；一與電池組連接之電壓檢測單元；一與電池組連接之電流感應元件；一與電流感應元件連接之電流檢測單元；以及一與電壓檢測單元及電流檢測單元連接之處理單元，該處理單元係透過電壓檢測單元及電流檢測單元量測電池組之電壓及電流。

於本發明之一實施例中，該電池組可為鋰電池組。

於本發明之一實施例中，該處理單元於量測電池組之電壓及電流時，係先偵測電流並將電流積分，再計算電池組之殘電量(SOC)，然後判斷電流是否為0，若否，則繼續偵測電流；若電流為0，則量測此時電池組電壓，並將其定義為第一電壓(V1)，待延遲一段時間(T)後，量測此時電池組電壓，並將其定義為第二電壓(V2)，之後以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)，判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )，若否則回到量測電流步驟；若是則此時之第二電壓即為近似穩定電壓(Vss)，接著計算電池組預估之開路電壓(OCV_predict )，之後再依據電池組殘電量(SOC)與電池組開路電壓(OCV)之關係獲得電池組殘電量。

於本發明之一實施例中，該電池組預估之開路電壓係為近似穩定電壓加上各電池組殘電量時的Voffset(OCV與Vss的差值)之平均值()。

於本發明之一實施例中，該處理單元於量測電池組之電壓及電流時，係先偵測電流並將電流積分，再計算電池組之殘電量(SOC)，然後判斷電流是否為0，若否，則繼續偵測電流；若電流為0，則量測此時電池組電壓，並將其定義為第一電壓(V1)，待延遲一段時間(T)後，量測此時電池組電壓，並將其定義為第二電壓(V2)，之後以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)，判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )，若否則回到量測電流步驟；若是則此時之第二電壓即為近似穩定電壓(Vss)，之後再依據近似穩定電壓與電池組殘電量(SOC)之關係獲得電池組殘電量。

於本發明之一實施例中，該近似穩定電壓(Vss)之量測方法係於電池組完成充電後，再將電池組以定電流(I)放電至預定之百分比(n%)，然後靜置，直到可以求得近似穩定電壓，並進行反覆操作直到電池組放電完畢，如此，即可得到近似穩定電壓與電池組殘電量之關係。

請參閱『第1圖』所示，係本發明第一實施例之架構示意圖。如圖所示：本發明係一種基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，其至少包含有一電池組1、一電壓檢測單元2、一電流感應元件3、一電流檢測單元4以及一處理單元 5所構成。

上述所提之電池組1係可為鋰電池組。

該電壓檢測單元2係與電池組1連接。

該電流感應元件3係與電池組1連接。

該電流檢測單元4係與電流感應元件3連接。

該處理單元5係與電壓檢測單元2及電流檢測單元4連接，而該處理單元5係透過電壓檢測單元2及電流檢測單元4量測電池組之電壓及電流。

本發明係使用近似穩定電壓(Similar Stable Voltage，Vss)為創新之參數，而其計算方法參考第2圖，當電池組1經過放電再轉為靜置(電流為0)時，係量測此時電池組電壓，並將其定義為第一電壓(V1)，待延遲一段時間(T)，再量測此時電池組電壓，並將其定義為第二電壓(V2)，之後以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)，判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )，若否則回到量測電流步驟；若是則此時之第二電壓即為近似穩定電壓(Vss)，此時的靜置時間，稱為預估時間(T_predict )。

該近似穩定電壓(Vss)之量測方法係於電池組完成充電後，再將電池組以定電流(I)放電至預定之百分比(n%)，然後靜置，直到可以求得近似穩定電壓，並進行反覆操作直到電池組放電完畢。如此，可以得到近似穩定電壓(Vss)與電池組殘電量(SOC)之關係圖(如第3圖所示)；該第3圖中，實線部分為開路電壓(OCV)，虛線部分為近似穩定電壓(Vss)，近似穩定電壓與開路電壓間的差值，定義為電壓偏移(Voffset)，且近似穩定電壓Vss與電壓偏移(Voffset)皆為電池組殘電量之函數。

經試驗發現，不論電池組1放電電流(I)多大，近似穩定電壓(Vss)與電池組殘電量(SOC)的關係均非常一致(意即不論放電電流(I)多大，在同一個電池組殘電量時，近似穩定電壓都非常相近)，也就是近似穩定電壓(Vss)不是放電電流(I)的函數，單純只是電池組殘電量(SOC)的函數；因此，電壓偏移(Voffset)亦不是放電電流(I)的函數，單純只是電池組殘電量(SOC)的函數。

另外，各個電池組殘電量時的電壓偏移(Voffset)，變化不大，因此，將各個電池組殘電量(SOC)時的電壓偏移(Voffset)平均後，即可得到電壓偏移平均值()。

而當本發明於使用時，係具有下列至少兩種估算電池組殘電量(SOC)的方法：

方法1：

操作流程如第5圖所示，係於開始s100動作後，進行偵測電流並將電流積分計算電池組殘電量(SOC)s101，然後判斷電流是否為零s102，若否，則繼續偵測電流；若電流為零，則量測此時電池組電壓並定義為第一電壓(V1)s103，並延遲一段時間(T)s104，量測此時電池組電壓並定義為第二電壓(V2)s105，並以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)s106，並判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )s107，若否，則回到s101之量測電流步驟；若是，則此時的第二電壓(V2)即為近似穩定電壓(Vss)s108，接著以之方式s109計算預估的開路電壓，最後再用電池組預估之開路電壓(OCV_predict )配合第4 圖查開路電壓(OCV)對電池組殘電量(SOC)之關係即可求得電池組殘電量(SOC)s110；然因為此電池組殘電量(SOC)較電流積分時的電池組殘電量(SOC)準確，因此，可以用來校正當下的電池組殘電量(SOC)。

方法2：

操作流程如第6圖所示，係於開始s200動作後，進行偵測電流並將電流積分計算電池組殘電量(SOC)s201，然後判斷電流是否為零s202，若否，則繼續偵測電流；若電流為零，則量測此時電池組電壓並定義為第一電壓(V1)s203，並延遲一段時間(T)s204，量測此時電池組電壓並定義為第二電壓(V2)s205，並以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)s206，並判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )s207，若否，則回到s201之量測電流步驟；若是，則此時的第二電壓(V2)即為近似穩定電壓(Vss)s208，此時，再預電池組預估之開路電壓(OCV_predict )配合第3圖查近似穩定電壓(Vss)對電池組殘電量(SOC)之關係，即可求得電池組殘電量(SOC)s209；因為此電池組殘電量(SOC)較電流積分時的電池組殘電量(SOC)準確，因此，可以用來校正當下的電池組殘電量(SOC)。

若使用傳統之方式，電池組需要靜置至開路電壓的時間(T_OCV )，才可量測到開路電壓(OCV)，進而預估電池組殘電量(SOC)，而用本發明，只需預估時間(T_predict )，於實際操作時，靜置時間可以從原本的小時等級，縮短成6分鐘以內，減少大量的靜置時間。且其容量誤差小於3%；且本發明，不只可以用於電池組放電，也可以用在電池組充電，只是充電時的參數與放電時的參數不同，但操作方法與放電一致。

綜上所述，本發明基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置可有效改善習用之種種缺點，可縮短量測開路電壓所需之電池組靜置時間，而達快速計算電池組殘電量之功效；進而使本發明之產生能更進步、更實用、更符合消費者使用之所須，確已符合發明專利申請之要件，爰依法提出專利申請。

惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍；故，凡依本發明申請專利範圍及發明說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。

1‧‧‧電池組

2‧‧‧電壓檢測單元

3‧‧‧電流感應元件

4‧‧‧電流檢測單元

5‧‧‧處理單元

第1圖，係本發明之基本架構示意圖。

第2圖，係本發明電壓差與時間之關係示意圖。

第3圖，係本發明近似穩定電與電池組殘電量之關係示意圖。

第4圖，係本發明電量與電壓之關係示意圖。

第5圖，係本發明之操作流程圖示意圖。

第6圖，係本發明之另一操作流程圖示意圖。

第7圖，係習用電池組由放電狀態進入靜置狀態之電壓及電流示意圖。

1‧‧‧電池組

2‧‧‧電壓檢測單元

3‧‧‧電流感應元件

4‧‧‧電流檢測單元

5‧‧‧處理單元

Claims

一種基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，包括有：一電池組；一電壓檢測單元，係與電池組連接；一電流感應元件，係與電池組連接；一電流檢測單元，係與電流感應元件連接；以及一處理單元，係與電壓檢測單元及電流檢測單元連接，而該處理單元係透過電壓檢測單元及電流檢測單元量測電池組之電壓及電流，其中該處理單元於量測電池組之電壓及電流時，係先偵測電流並將電流積分，再計算電池組之殘電量(SOC)，然後判斷電流是否為0，若否，則繼續偵測電流；若電流為0，則量測此時電池組電壓，並將其定義為第一電壓(V1)，待延遲一段時間(T)後，量測此時電池組電壓，並將其定義為第二電壓(V2)，之後以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)，判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )，若否則回到量測電流步驟；若是則此時之第二電壓即為近似穩定電壓(Vss)，接著計算電池組預估之開路電壓(OCV_predict )，之後再依據電池組殘電量(SOC)與電池組開路電壓(OCV)之關係獲得電池組殘電量。
依申請專利範圍第1項所述之基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，其中，該電池組可為鋰電池組。
依申請專利範圍第1項所述之基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，其中，該電池組預估之開路電壓係為近似穩定電壓加上各電池組殘電量之平均值(OCV_predict =)。
依申請專利範圍第1項所述之基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，其中，該處理單元亦可於量測電池組之電壓及電流時，係先偵測電流並將電流積分，再計算電池組之殘電量(SOC)，然後判斷電流是否為0，若否，則繼續偵測電流；若電流為0，則量測此時電池組電壓，並將其定義為第一電壓(V1)，待延遲一段時間(T)後，量測此時電池組電壓，並將其定義為第二電壓(V2)，之後以第二電壓減第一電壓計算電壓差(△V=V2-V1)，判斷此電壓差的絕對值(|△V|)是否小於電壓閥值(V_th )，若否則回到量測電流步驟；若是則此時之第二電壓即為近似穩定電壓(Vss)，之後再依據近似穩定電壓與電池組殘電量(SOC)之關係獲得電池組殘電量。
依申請專利範圍第4項所述之基於快速開路電壓預估法測量電池組殘電量之裝置，其中，該近似穩定電壓(Vss)之量測方法係於電池組完成充電後，再將電池組以定電流(I)放電至預定之百分比(n%)，然後靜置，直到可以求得近似穩定電壓，並進行反覆操作直到電池組放電完畢，如此，即可得到近似穩定電壓與電池組殘電量之關係。