TWI460453B - 以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法 - Google Patents

以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法 Download PDF

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Description

以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法
本發明為有關於一種電池殘電量估測系統及其估測方法，特別是指一種透過向量計算來獲得電池實際可用的殘電量之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法。
近年來，隨著行動裝置的普及與蓬勃發展，如何精準的估測電池殘電量已成為各家廠商亟欲解決的問題之一。
一般而言，傳統電池殘電量的估測方式是利用查表法，如：以電壓查找對應殘電量估測。然而，由於電池的電壓會受到放電電流的影響，也就是說，放電電流的變化會同步影響電池殘電量的估測，導致估測出的電池殘電量會隨著電池電壓高低而上下跳動，故具有電池殘電量的估測準確性不佳的問題。
有鑑於此，便有廠商提出利用庫倫計數法(Coulomb Counting)來估測電池殘電量，所述庫倫計數法也稱為安培小時法(Ampere-Hour)，主要是基於能量不滅(或稱為能量守恆)定理，電池殘電量為前一次充電後的殘電量減去放電量，或為前一次放電後的殘電量加上充電量。由於庫倫計數法需要持續進行累加或遞減的運算，因此誤差也會持續的增加，所以在長時間累積下會大幅影響估測的準確性，另外，初始電量的設定對庫倫計數法來說也是其誤差來源，導致充入的電量並非其最大使用電量，故上述方式仍然無法有效解決電池殘電量的估測準確性不佳之問題。
另外，也有人提出搭配兩種電池殘電量的估測方式，如：庫倫積分法與電壓查表法，用以獲得兩個殘電量的估測數值後，再 賦予不同的權重以求取合成的殘電量值，舉例來說，以計算式「SOC =αSOC c +(1-α )SOC v 」來合成以庫倫積分法(即計算式中的“SOC c ”)及電壓查表法(即計算式中的“SOC v ”)所求出的兩個殘電量值，其中“α”為預設的權重值。如此一來，便能夠提高電池殘電量的估測準確性。不過，以此方式在權重值“α”無法動態改變的情況下，上述計算式所求出的殘電量值只會在某個應用區間中準確，而在其他應用區間則失準，故此估測方式同樣無法有效解決電池殘電量的估測準確性不佳之問題。
綜上所述，可知先前技術中長期以來一直存在電池殘電量的估測準確性不佳之問題，因此實有必要提出改進的技術手段，來解決此一問題。
有鑒於先前技術存在的問題，本發明遂揭露一種以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法。
本發明所揭露之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統，其包含：計數模組、儲存模組、感測模組、計算模組、積分模組及估測模組。其中，計數模組用以記錄循環使用次數以作為電池老化參數；儲存模組用以儲存電氣特性參數、庫倫計數修正參數、溫度變化查找表及電量變化查找表；感測模組用以感測電池的電壓、電流及溫度以產生感測參數；計算模組用以持續根據感測參數計算出電池動態內阻指標，並持續根據計算出的電池動態內阻指標查找所述電量變化查找表以生成電池動態內阻電量的分量，並以電池老化參數及溫度變化查找表修正電池動態內阻電量的分量，其中所述電池動態內阻指標為對應電池內電 阻變化的數值；積分模組用以根據感測參數以庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量，並且搭配庫倫計數修正參數修正電池庫倫計數電量的分量；以及估測模組用以將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量。
至於本發明之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法，其步驟包括：記錄循環使用次數以作為電池老化參數；預先儲存電氣特性參數、庫倫計數修正參數、溫度變化查找表及電量變化查找表；感測電池的電壓、電流及溫度以產生感測參數；持續根據感測參數計算出電池動態內阻指標，並且持續根據計算出的電池動態內阻指標查找電量變化查找表以生成電池動態內阻電量的分量，並以電池老化參數及溫度變化查找表修正電池動態內阻電量的分量，其中所述電池動態內阻指標為對應電池內電阻變化的數值；根據感測參數以庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量，並且搭配庫倫計數修正參數修正電池庫倫計數電量的分量；將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量。
本發明所揭露之系統與方法如上，與先前技術之間的差異在於本發明是透過感測電池的電壓、電流及溫度作為感測參數，並根據預設的電氣特性參數及電量變化查找表搭配感測參數計算電池動態內阻電量的分量，以及根據感測參數及庫倫計數法計算電池庫倫計數電量的分量，接著再將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量。
透過上述的技術手段，本發明可以達成提高電池殘電量的估測準確性之技術功效。
以下將配合圖式及實施例來詳細說明本發明之實施方式，藉此對本發明如何應用技術手段來解決技術問題並達成技術功效的實現過程能充分理解並據以實施。
在說明本發明所揭露之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法之前，先對本發明所自行定義的名詞作說明，本發明所述的電池動態內阻指標是指基於電池的內電阻的變化(電池的內電阻會隨著電池充放電時電壓的變化而呈現不同的電阻值，如：電池在充放電時，其內電阻皆會隨電量的改變而增加)所計算出的數值，以此數值(即電池動態內阻指標)搭配查表的方式能夠獲得對應的電容量，進而生成電池動態內阻電量的分量，稍後將配合圖式對此部分作詳細說明。在實際實施上，所述電池動態內阻指標的計算式可為：「(參考電壓值-閉迴路電壓值)＊α/(參考電壓值+β＊閉迴路電壓值)」，其中“α”為放大倍率參數，由於參考電壓值減去閉迴路電壓值通常為極小值，故乘上此放大倍率參數以利計算；“β”則是一個與電池種類及電池串接個數有關的參數，在計算過程中會將偵測到的電壓值持續帶入此計算式中的閉迴路電壓值以計算出電池動態內阻指標，在此計算過程中可消去電流因子的影響。特別要說明的是，雖然以上述舉例說明電池動態內阻指標的生成方式，然本發明並未以此作限定，任何透過參考電壓值及閉迴路電壓值持續計算出電池動態內阻指標的方式，皆不脫離本發明的應用範疇。稍後將 再配合圖式詳細說明電池動態內阻指標。
以下配合圖式對本發明以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統及其估測方法作進一步說明，請參閱「第1圖」，「第1圖」為本發明以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統之系統方塊圖，此系統包含：儲存模組100、感測模組110、計算模組120、積分模組130及估測模組140。其中，儲存模組100用以預先儲存電氣特性參數及電量變化查找表，所述電氣特性參數可包含電池芯的材料特性、電池組串接數目、電池組容量大小、參考電壓值、放大倍率、溫度修正參數、與電池種類及電池串接個數有關的參數......等等。至於所述電量變化查找表則是指電池不同放電電流大小對應電容量變化的查找表，例如：0.5C、1C、1.5C及2C等放電電流直至電池額定最大放電電流與容量的對照表，所述放電電流大小區間可依實際實驗數據細分為0.25C、0.5C、0.75C......等直至額定最大放電C數或以等差級數建構的電池組放電電流。在實際實施上，儲存模組100更可儲存溫度對應電池組可放電容量大小之查找表及庫倫計數修正參數，用以修正計算出的電池庫倫計數電量的分量。另外，上述電氣特性參數、電量變化查找表及溫度變化查找表可預先燒錄在唯讀記憶體(Read-Only Memory,ROM)、電子抹除式可複寫唯讀記憶體(Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory,EEPROM)或快閃記憶體(Flash ROM)之中。
感測模組110用以感測電池的電壓、電流及溫度以產生感測參數。舉例來說，可透過電壓感測器來感測電池的閉迴路電壓值；透過電流感測器來感測閉迴路電流值、放電電流大小；透過溫度 感測器來感測電池溫度，並且將這些感測到的數值作為感測參數。在實際實施上，感測參數可以儲存在電子抹除式可複寫唯讀記憶體或快閃記憶體之中。
計算模組120用以持續根據感測參數及預設的電氣特性參數計算出電池動態內阻指標，此電池動態內阻指標如前述自行定義的名詞所述，其計算式可表示為：「(參考電壓值-閉迴路電壓值)＊α/(參考電壓值+β＊閉迴路電壓值)」，其中“α”為放大倍率參數；“β”則是一個與電池種類及電池串接個數有關的參數。透過設定“α”及“β”參數可將電池動態內阻指標控制在“0至100”的範圍內。此電池動態內阻指標的計算過程是根據所偵測到的電壓值持續帶入閉迴路電壓值進行計算，其計算出的電池動態內阻指標持續與初始的電池動態內阻指標互相對比，在計算過程中可以消去電流因子之影響。然後，計算模組120再根據電池動態內阻指標查找電量變化查找表以生成電池動態內阻電量的分量，舉例來說，由於電量變化查找表預設有各種不同放電電流大小(放電C數)時，電池動態內阻指標與電容量的對應關係，如：在1C時，電池動態內阻指標“64”對應電容量“92%”、電池動態內阻指標“80”對應電容量“97%”、電池動態內阻指標“100”對應電容量“100%”......等等，因此在查找過程中，計算模組120可以根據計算出的電池動態內阻指標從電量變化查找表中查出相同電池動態內阻指標所對應的電容量以生成電池動態內阻電量的分量，稍後將配合圖式詳細說明此分量的生成方式。
積分模組130用以根據感測參數以庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量，例如：「」，其中“Q 0 ”是透過電量 變化查找表所計算出的放電前“t 0 ”之初始電量，放電時電流“i ”為負，則時間“t ”計算出來的“Q (t )”除以全充電容量“Q Full ”會得到容量百分比“j”，則“j”點可作為水平方向的分量(即：電池庫倫計數電量的分量)。由於庫倫計數法以及分量的轉換運算為習知技術，故在此不再多作贅述。
估測模組140用以將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量。舉例來說，假設電池動態內阻電量的分量為“”、電池庫倫計數電量的分量為“”，則合成兩個分量的計算式為“=+”，由於向量的計算方式為習知技術，故在此不再多作說明。
另外，更可包含計數模組150用以記錄與比對電池的循環使用次數(Cycle Count)以作為電池老化參數，此電池老化參數可儲存在儲存模組100的電氣特性參數中，並且由計算模組120及積分模組130以此電池老化參數及感測參數中記錄的電池溫度及儲存模組100中的溫度變化查找表來修正電池動態內阻電量的分量及同時搭配儲存模組100中的庫倫計數修正參數來修正電池庫倫計數電量的分量。以修正電池動態內阻電量的分量為例，可根據偵測到的電池溫度及放電電流大小在溫度變化查找表中查找對應的電池動態內阻指標之加權值，用以修正計算出的電池動態內阻電量的分量，舉例來說，假設電池溫度為“40”度、放電電流大小為“1C”、電池動態內阻電量的分量為“75”，當透過查表取得與電池溫度相應的加權值“5”時，可將此加權值與電池動態內阻電量的分量“75”進行計算以產生修正後的電池動態內阻電量的分量，如“70”。如此一來，即可有效修正溫度及電池的循 環使用次數對電池殘電量的影響。
接著，請參閱「第2圖」，「第2圖」為本發明以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法之方法流程圖，其步驟包括：預先儲存一組電氣特性參數及電量變化查找表(步驟200)；感測電池的電壓、電流及溫度以產生感測參數(步驟210)；持續根據此感測參數及所述電氣特性參數計算出電池動態內阻指標，並且持續根據計算出的電池動態內阻指標查找所述電量變化查找表以生成電池動態內阻電量的分量(步驟220)；根據感測參數以庫倫計數法生成電池庫倫計數電量的分量(步驟230)；將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量(步驟240)。透過上述步驟，即可透過感測電池的電壓、電流及溫度作為感測參數，並根據預設的電氣特性參數及電量變化查找表搭配感測參數計算電池動態內阻電量的分量，以及根據感測參數及庫倫計數法計算電池庫倫計數電量的分量，接著將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分量進行相加合成以計算出電池實際可用的殘電量。
在實際實施上，更可預先儲存庫倫計數修正參數及溫度變化查找表(步驟235)以及記錄電池的循環使用次數以作為電池老化參數，並以此電池老化參數及溫度變化查找表修正步驟220及步驟230所生成的電池動態內阻電量的分量及同時搭配庫倫計數修正參數來修正電池庫倫計數電量的分量(步驟235)。由於修正的方式已於前述說明中提及，故在此不再多作贅述。
以下配合「第3圖」至「第7圖」以實施例的方式進行如下說明，請先參閱「第3圖」，「第3圖」為應用本發明以電池動態 內阻指標生成電池動態內阻電量的分量之示意圖。首先，「第3圖」是以線條方式呈現電量變化查找表中的數據(即：在不同放電電流時，從充飽電到電量耗盡的時間區間內，電池動態內阻指標與電容量的對應關係)，其中斜線部分為電容量、曲線部分為對應的電池動態內阻指標，在此圖中由左至右分別是在2C、1.5C、1C及0.5C的放電電流時，電池動態內阻指標與電容量的對應關係。前面提到，電池動態內阻指標可透過上述電池動態內阻指標的計算式求得。在實際實施上，以0.5C放電為例，假設計算出的電池動態內阻指標為「第3圖」所示意的a點，那麼會將a點與量測到的放電電流大小(即0.5C放電)相互對應，其根據儲存在儲存模組100內的電量變化查找表來查找放電電流0.5C時電池動態內阻指標b與電容量之對應關係，並將查找到的對應放電容量設為c值後，再透過c/0.5C放電總容量計算出目前使用容量占原始總容量之百分比d，此百分比即為垂直方向的分量(即電池動態內阻電量的分量)。特別要說明的是，雖然在「第3圖」所示意的電量變化查找表中僅記錄四組電池動態內阻指標與電容量的對應關係，然而，本發明並未以此作限定，在實際實施上，電量變化查找表亦可儲存更多組在不同放電電流時，如：1.3C、1.4C......等等，其電池動態內阻指標與電容量的對應關係。
如「第4圖」及「第5圖」所示意，「第4圖」及「第5圖」為應用本發明以前後之放電C數進行加權處理之示意圖。前面提到，儲存模組100會預先儲存電量變化查找表，此電量變化查找表記錄有不同放電C數大小時電池動態內阻指標與電容量之對應關係，然而，當此電量變化查找表中不存在對應的放電C數大小 之對應關係時，可根據電量變化查找表中前後之放電C數來作加權處理，舉例來說，假設計算出的電池動態內阻指標為“65”(如：「第4圖」所示意的e點)，當偵測到的放電C數大小為1.2C時，因為電量變化查找表中不存在1.2C時電池動態內阻指標與電容量之對應關係，所以會計算1.2C與前後放電C數的距離，也就是將電池動態內阻指標“65”對應到1C的f點以及對應到1.5C的f’點，並且分別查找出對應的放電容量g點及g’點。
接著，如「第5圖」所示意，1.2C放電容量i點與1C放電容量g點的距離為0.2；1.2C放電容量i點與1.5C放電容量g’點的距離為0.3，兩者的比值為2：3，所以其容量百分比為：「(3＊電池動態內阻指標“65”及1C放電時所查找之容量+2＊電池動態內阻指標“65”及1.5C放電時所查找之容量)/(2+3)」，即求得電池動態內阻指標“65”及1.2C放電時所對應之容量百分比h點，此百分比即為垂直方向的分量(即電池動態內阻電量的分量)。
請參閱「第6圖」，「第6圖」為應用本發明定義電池殘電量的百分比之示意圖。其中，橫軸為電池庫倫計數所對應到的電量百分比、縱軸為電池動態內阻指標所對應到的電量百分比，在「第6圖」中，根據電池額定最大可放電電流及電容量之間的關係，找出k點座標(γ,100)(由於庫倫計數法會因電池產生熱量而與實際消耗能量間有所誤差，所以實際上平行方向無法達到“100”的位置，而電池動態內阻指標則利用電壓差，所以一定會到達參考電壓減去最低截止電壓的位置，所以垂直方向可達到“100”的位置)，並利用k點座標對軌跡直線L線進行投影，以“”在“”的正射影“”為例，其計算公式如下：
並得到q點座標(λ,μ)。將q點(λ,μ)與原點o(0,0)所形成之“”段劃分成n等分(n為正整數，可依照實際需求及要求之精確度進行切分)，以「第6圖」為例，n為數值“100”，即“100”等分，也就是殘量估測表示100%~0%，精度誤差為1%，每一等分所表示的就是電池殘電量所表示之數值。
請參閱「第7圖」，「第7圖」為應用本發明計算電池殘電量百分比之示意圖。假設在時間t求得電池動態內阻指標所計算出之電量百分比“”(即電池動態內阻電量的分量)及利用庫倫計數法所計算出之電量百分比“”(即電池庫倫計數電量的分量)，根據這兩個分量所定出的向量“(s,u)”對軌跡直線k線進行投影可得到“(s',u')”，接著與電池最大可顯示容量“”點進行比對，其電池殘電量的百分比之計算式如下：
透過上述計算式即可求出時間t時之電量殘電量百分比。如此一來，即可有別於以往僅計算其中一軸的方式，同時對縱軸(垂直方向)及橫軸(水平方向)進行修正而得到實際可用的電池殘電量。
綜上所述，可知本發明與先前技術之間的差異在於透過感測電池的電壓、電流及溫度作為感測參數，並根據預設的電氣特性參數及電量變化查找表搭配感測參數計算電池動態內阻電量的分量，以及根據感測參數及庫倫計數法計算電池庫倫計數電量的分量，接著再將電池動態內阻電量的分量及電池庫倫計數電量的分 量相加合成以計算出電池實際可用的殘電量，藉由此一技術手段可以解決先前技術所存在的問題，進而達成提高電池殘電量的估測準確性之技術功效。
雖然本發明以前述之實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何熟習相像技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之專利保護範圍須視本說明書所附之申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧儲存模組
110‧‧‧感測模組
120‧‧‧計算模組
130‧‧‧積分模組
140‧‧‧估測模組
150‧‧‧計數模組
步驟200‧‧‧預先儲存一組電氣特性參數及一電量變化查找表
步驟201‧‧‧預先儲存一庫倫計數修正參數及一溫度變化查找表
步驟210‧‧‧感測電池的電壓、電流及溫度以產生一感測參數
步驟220‧‧‧持續根據該感測參數及該組電氣特性參數計算出電池動態內阻指標，並且持續根據計算出的電池動態內阻指標查找該電量變化查找表以生成一電池動態內阻電量的分量
步驟230‧‧‧根據該感測參數以庫倫計數法生成一電池庫倫計數電量的分量
步驟235‧‧‧記錄循環使用次數以作為一電池老化參數，並以該電池老化參數及該溫度變化查找表修正該電池動態內阻電量的分量及同時搭配該庫倫計數修正參數修正該電池庫倫計數電量的分量
步驟240‧‧‧將該電池動態內阻電量的分量及該電池庫倫計數電量的分量相加合成以計算出電池的殘電量
第1圖為本發明以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統之系統方塊圖。
第2圖為本發明以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法之方法流程圖。
第3圖為應用本發明以電池動態內阻指標生成電池動態內阻電量的分量之示意圖。
第4圖及第5圖為應用本發明以前後之放電C數進行加權處理之示意圖。
第6圖為應用本發明定義電池殘電量的百分比之示意圖。
第7圖為應用本發明計算電池殘電量百分比之示意圖。
100‧‧‧儲存模組
110‧‧‧感測模組
120‧‧‧計算模組
130‧‧‧積分模組
140‧‧‧估測模組
150‧‧‧計數模組

Claims (6)

  1. 一種以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統，該系統包含：一計數模組，用以記錄循環使用次數以作為一電池老化參數；一儲存模組，用以預先儲存一組電氣特性參數、一庫倫計數修正參數、一溫度變化查找表及一電量變化查找表；一感測模組，用以感測電池的電壓、電流及溫度以產生一感測參數；一計算模組，用以持續根據該感測參數及該組電氣特性參數計算出電池動態內阻指標，並且持續根據計算出的該電池動態內阻指標查找該電量變化查找表以生成一電池動態內阻電量的分量，並以該電池老化參數及該溫度變化查找表修正該電池動態內阻電量的分量，其中該電池動態內阻指標為對應電池內電阻變化的數值；一積分模組，用以根據該感測參數以庫倫計數法生成一電池庫倫計數電量的分量，並且搭配該庫倫計數修正參數修正該電池庫倫計數電量的分量；及一估測模組，用以將該電池動態內阻電量的分量及該電池庫倫計數電量的分量相加合成以計算出電池的殘電量。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統，其中該溫度變化查找表包含在不同電池溫度時，不同放電電流大小的該電池動態內阻指標的加權值。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測系統，其中該電量變化查找表包含至少一放電電流大小的該電池動態內阻指標與電容量的對應關係。
  4. 一種以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法，其步驟包括：記錄循環使用次數以作為一電池老化參數；預先儲存一組電氣特性參數、一庫倫計數修正參數、一溫度變化查找表及一電量變化查找表；感測電池的電壓、電流及溫度以產生一感測參數；持續根據該感測參數及該組電氣特性參數計算出電池動態內阻指標，並且持續根據計算出的該電池動態內阻指標查找該電量變化查找表以生成一電池動態內阻電量的分量，並以該電池老化參數及該溫度變化查找表修正該電池動態內阻電量的分量，其中該電池動態內阻指標為對應電池內電阻變化的數值；根據該感測參數以庫倫計數法生成一電池庫倫計數電量的分量，並且搭配該庫倫計數修正參數修正該電池庫倫計數電量的分量；及將該電池動態內阻電量的分量及該電池庫倫計數電量的分量相加合成以計算出電池的殘電量。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法，其中該溫度變化查找表包含在不同電池溫度時，不同放電電流大小的該電池動態內阻指標的 加權值。
  6. 如申請專利範圍第4項所述之以兩個相互垂直的分量相加合成的電池殘電量估測方法，其中該電量變化查找表包含至少一放電電流大小的該電池動態內阻指標與電容量的對應關係。
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